Даже если отрезать у корня чехлик со стволовыми клетками, он всё равно способен к регенерации. Оставшиеся специализированные клетки возвращаются в «стволовое» состояние, отращивают утраченную часть и даже восстанавливают характерную «нишу», необходимую для постоянного роста.
Растениям для регенерации не нужны «клеточные ниши», формирующие специфическое микроокружение для стволовых клеток. По всей видимости, это и позволяет им быстро восстанавливать утраченные органы: корни и побеги. Кеннет Бирнбаум из Университета Нью-Йорка и его коллеги обнаружили это при проверке теории клеточных ниш на традиционной модели ботаников – Arabidopsis thaliana.
Стволовая клетка
клетка, способная претерпевать асимметричное деление, в результате которого образуется одна клетка, идентичная материнской (самовоспроизведение) и вторая клетка, вступившая на путь превращения в клетку...
Стволовым клеткам для поддержания своего статуса «стволовости» необходим постоянный контакт с очень специфическим окружением, так называемой «нишей», и как только они его теряют, запускается необратимый процесс дифференцировки и специализации. Пример тому – выходящие из костного мозга лейкоциты или отрывающиеся от базального слоя клетки эпителия. И хотя стволовые клетки в первом случае располагаются вместе, а во втором – «рассеяны» по всей поверхности, концентрируясь в районе волосяных луковиц, они подчиняются одним и тем же законам.
Эта ниша хранит необходимый запас прочности, который задействуется как для регулярного обновления, так и для масштабного восстановления в критических ситуациях. Считается, что удаление «ниши» неизбежно приведет и к невозможности существования и специфических стволовых клеток.
Проверить эту гипотезу на животных пока не представляется возможным, как из-за технических трудностей, так и из-за проблем интерпретирования экспериментальных результатов. В случае с куда более покладистыми растениями несколько проще: во-первых, они гораздо лучше регенерируют, а во-вторых, их можно в течение длительного времени держать под микроскопом.
Это и проделали авторы публикации в Nature, под конфокальным микроскопом изучавшие судьбу корня арабидопсиса после «обрезания».
Корень способен к постоянному росту за счет так называемого чехлика, располагающегося на конце корня и являющегося как раз вышеописанной нишей. В данном случае ключевым фактором является небольшое молчащее ядро, состоящее из практически не делящихся стволовых клеток. По мере удаления от центра интенсивность удвоений увеличивается, клетки дифференцируются и, как считалось ранее, теряют свои стволовые качества.
Стволовые клетки наставили рога
Биологам удалось обнаружить стволовые клетки, благодаря которым каждый год у оленей отрастают новые рога. Это первый случай, когда удалось подробно проследить участие клеток-предшественников в регенерации...
Кстати, примерно так же происходит и с многослойным эпителием роговицы (прозрачной передней части глаза) у человека. На периферии, там, где она переходит в непрозрачную склеру, располагаются так называемые лимбальные стволовые клетки. Они медленно делятся и постепенно смещаются к центру, оставаясь в базальном слое. Скорость деления возрастает, и новообразованные, окончательно специализированные клетки вытесняются к поверхностным слоям, откуда смываются и стираются веками при моргании или контактными линзами. И если повреждение затрагивает центр глаза, то стволовые клетки постепенно его заполняют, а вот ожоги или механические травмы периферии, затрагивающие нишу, чреваты длительно не заживающими дефектами. Иногда даже приходится на несколько месяцев зашивать веки, чтобы дать эпителию возможность восстановиться.
Корням арабидопсиса даже с полным удалением ниши оказалось достаточно несколько дней.
Меньше чем через сутки клетки, казалось бы, вставшие на путь дифференцировки, возвращались к более раннему и как бы более «стволовому» состоянию. Они же, делясь, компенсировали дефект, но лишь после этого формировали вышеописанное ядро-нишу. Конечно, сама способность корней к регенерации не стала открытием, но
механизмы, выявленные при этом, ободрили не только ботаников, но и всех тех, кто ещё ждёт успехов от регенеративной медицины.
Как выяснилось, одним из ключевых факторов в этом процессе является гормон роста растений ауксин – корни арабидопсиса, генетически лишенного возможности синтезировать этот гормон или реагировать на него, «восстановлению не подлежали». В отличие от большинства наших факторов роста, ауксин стимулирует деление клеток, которое при этом не сопровождается специализацией.
Эмбрион в каждой клетке
Трансформировать клетку одного типа в другой теперь можно напрямую. Созданный ради демонстрации метода вирус превращает источники пищеварительных соков в «инсулиновые фабрики». Возвращение...
Воодушевленный своим успехом Бирнбаум попробовал повторить эксперимент на листьях, где его ждало небольшое разочарование: листья «старше» 9 суток регенерировали гораздо медленнее, что, по всей видимости, объясняется малым содержанием в них стволовых клеток. Ботаники пришли к выводу, что в случае арабидопсиса «ниши» необходимы для постоянного роста, в то время как клетки-предшественники новых органов дополнительно «рассеяны» по всему организму. Кроме того, их эксперимент в очередной раз поднял вопрос о трансдифференцировке – способности одного типа «взрослых» клеток превращаться в другой без индуцированного плюрипотентного состояния.
Для млекопитающих, лишенных способности отращивать потерянный хвост или хрусталик глаза, подобная схема тоже вполне применима. Например, клетки, выловленные из крови, способны заселять «пустой» красный костный мозг, а экзокринные клетки поджелудочной железы могут превращаться в бета-клетки, синтезирующие инсулин. И эксперименты на растениях здесь как нельзя кстати: для специалистов по регенеративной медицине это прекрасная возможность отработать методы и проверить рабочие гипотезы.
пятница, 30 января 2009 г.
среда, 28 января 2009 г.
Подой
Удои молока зависят от имени коровы. Точнее, само его наличие увеличивает надои на 0,7 литра в сутки. А ещё точнее – фермы, на которых коров называют по имени, выдают в среднем на 258 литров больше молока в год – в расчёте на одну индивидуальную корову.
Кэтрин Дуглас и Питер Роулинсон из британского Университета Ньюкасла решили проверить, насколько старые добрые представления об индивидуальной заботе о животных остаются актуальными в наши дни высоких технологий и синтетических гормонов, повышающих удои коров.
Для этого они попросили 516 работников молочных ферм ответить на вопросы об их отношении к животным, о понимании ими взаимодействия между коровами и фермерами и о том, как это взаимодействие, по мнению работников отрасли, влияет на удои. Одновременно учёные собрали экономические показатели ферм – те же удои, количество коров, их средний возраст и так далее. Результаты исследования опубликованы в журнале Anthrozoos.
Как оказалось, меньше половины фермеров – 48% – были согласны с тем, что хорошее человеческое отношение смягчает «характер» коровы при дойке. Лишь 10% заявили, что боязнь человека ухудшает коровий «темперамент».
Вместе с тем, две трети опрошенных заявили, что знают всех коров в своём стаде. А 46% признались, что каждую из коров зовут по её собственному имени, и на таких фермах коровы давали в среднем на 258 литров молока в год больше.
Конечно, отсюда не следует причинно-следственной связи между наличием имени и показателями дойки. Однако когда коров на ферме зовут по имени – это верный признак того, что к ним хорошо и нежно относятся. А внимательное отношение не может не сказаться на том, сколько корова даёт молока.
Кэтрин Дуглас и Питер Роулинсон из британского Университета Ньюкасла решили проверить, насколько старые добрые представления об индивидуальной заботе о животных остаются актуальными в наши дни высоких технологий и синтетических гормонов, повышающих удои коров.
Для этого они попросили 516 работников молочных ферм ответить на вопросы об их отношении к животным, о понимании ими взаимодействия между коровами и фермерами и о том, как это взаимодействие, по мнению работников отрасли, влияет на удои. Одновременно учёные собрали экономические показатели ферм – те же удои, количество коров, их средний возраст и так далее. Результаты исследования опубликованы в журнале Anthrozoos.
Как оказалось, меньше половины фермеров – 48% – были согласны с тем, что хорошее человеческое отношение смягчает «характер» коровы при дойке. Лишь 10% заявили, что боязнь человека ухудшает коровий «темперамент».
Вместе с тем, две трети опрошенных заявили, что знают всех коров в своём стаде. А 46% признались, что каждую из коров зовут по её собственному имени, и на таких фермах коровы давали в среднем на 258 литров молока в год больше.
Конечно, отсюда не следует причинно-следственной связи между наличием имени и показателями дойки. Однако когда коров на ферме зовут по имени – это верный признак того, что к ним хорошо и нежно относятся. А внимательное отношение не может не сказаться на том, сколько корова даёт молока.
пятница, 23 января 2009 г.
Весна наступает раньше
За последние полвека приход весны в Европе, Азии и Америке ускорился на несколько дней. Раньше над сушей стала приходить и осень, а вот над океаном наблюдается противоположная картина. Причина растущего рассогласования в поведении температуры остаётся загадкой, объяснить её пока не смогла ни одна из климатических моделей.
Год от года весна и лето начинаются всё раньше и раньше, и за последние полвека эти сезоны стали обгонять положенный срок в среднем на двое суток, а местами – и на неделю. Однако не спешите винить в происходящем глобальное потепление – всё гораздо сложнее.
Если бы дело было только в повышении температур, то лето с весной спешили бы, а осень с зимой – запаздывали.
На деле же, раньше стали приходить и весна, и осень. Равно как и лето, и зима.
И эту странную особенность меняющегося земного климата не может объяснить ни одна из высоколобых – и невероятно сложных и требовательных к компьютеру – климатических моделей, существующих на сегодня. Это означает, что все они не учитывают чего-то важного, а чего именно – пока никому не ясно, полагают Александр Стайн и его коллеги из Гарварда и Калифорнийского университета в Беркли, сообщающие о странной спешке смены сезонов в последнем номере Nature.
Здесь следует сразу определиться, что подразумевается под спешкой сезонов и как её измерять. Вообще говоря, если по вашим наручным часам куранты на Спасской башне Кремля бьют слишком рано и с каждым часом спешат всё сильнее, то, скорее всего, это не кремлёвские часы разогнались – это ваши наручные отстают. Точно так же и с сезонами: если от года к году они у вас смещаются в одну и ту же сторону, то, скорее всего, что-то не так с вашим календарём. Например, юлианский календарь за почти два тысячелетия отстал от календаря естественного на 13 дней, григорианский – меньше чем на сутки.
Главная причина смены сезонов на Земле – наклон оси вращения планеты к плоскости её орбиты. Из-за этого в умеренных широтах Солнце зимой поднимается ниже над горизонтом, чем летом. Лучи скользят по поверхности, и то же количество световой энергии распределяется по большей площади. Кроме того, и сами дни зимой короче, а за полярным кругом солнце вообще может не одни сутки не появляться над горизонтом. Вариации расстояния Земли от Солнца при движении по орбите невелики. Зимой Северного полушария (и летом Южного полушария) Земля примерно на 3% ближе к Солнцу, чем летом Северного полушария (зимой Южного). //londonmet.ac.uk
Определить начало сезона можно по какой-то пороговой температуре (скажем, таянию льда), но такое определение будет зависеть от средней температуры, которая в последние годы неизменно растёт. Другой вариант, использованный Стайном и его коллегами, – полагаться на максимумы и минимумы температуры; эти даты общее потепление сдвинуть не может.
Однако вариант с дурным календарём не проходит: смену сезонов определяет вращение Земли вокруг Солнца, а точнее – вызванные вращением периодические изменения положения Солнца относительно плоскости земного экватора. Этот период называется тропическим годом, и астрономы знают его с точностью до мельчайших долей секунды. Привязки к тропическому году Стайну было вполне бы достаточно, однако американцы пошли ещё дальше –
они вычислили задержку изменений температуры воздуха от изменений средней освещённости Солнцем заданного участка поверхности Земли.
Так, учёные разом учли и неравномерность движения Земли по орбите, и меняющееся расстояние до светила, и все прочие «астрономические» составляющие проблемы.
График изменения средней освещённости любой точки земной поверхности в умеренных широтах очень неплохо описывается синусоидой. Её период равен тропическому году, амплитуда меняется в зависимости от широты, а максимум и минимум совпадают с днями солнцестояний – летнего и зимнего соответственно. График изменения температуры на какую-либо простую кривую похож меньше – из-за переменчивости погоды, но если её усреднить по месяцам, то получается нечто, также более или менее напоминающее синусоиду. Её период – тоже год, у неё тоже есть амплитуда, а максимумы и минимумы следуют за аналогичными точками кривой освещённости с небольшой задержкой.
Стайн и его коллеги воспользовались архивом данных о погоде во всём мире, который собрали сотрудники британского Университета Восточной Англии, и вычислили отношение «температурной» и «световой» амплитуд, а также задержку между ними. Первая величина численно выражает связь между температурой и солнечным светом, вторая показывает, сколько времени требуется сложным и многообразным процессам в атмосфере, чтобы отреагировать на изменения в количестве поступающего света. Две величины – «отдачу» и «задержку» – учёные вычислили на географической сетке 5ox5o, сконцентрировавшись на умеренных широтах северного полушария.
Средневековая задержка реакции различных участков поверхности Земли на изменение их освещённости Солнцем. Значения (в сутках) показаны цветом в соответствии с приведённой шкалой, белые клетки означают отсутствие достаточного количества данных. // A. Stine
Поскольку астрономические сезоны точно фиксированы датами солнцестояний и равноденствий, то задержка – это очень хороший способ определить начало «температурных» сезонов в той или иной точке земной поверхности. Эта задержка достаточно велика и меняется от 2–3 недель в глубине континента до двух и более месяцев в океане, который за счёт гигантской теплоёмкости воды обладает большой температурной инерцией. В среднем на суше задержка составляет 29 дней, и именно поэтому самым холодным зимним месяцем считается январь, хотя меньше всего солнечных лучей мы получаем 22 декабря. В океане самые холодные дни приходятся на февраль (средняя задержка – 56 суток), а в некоторых районах могут протянуться и до марта.
А дальше Стайн и его коллеги попытались разобраться, что происходит с этой задержкой от года к году.
Как оказалось, на суше задержка в последние полвека уменьшается. А над морем – напротив, растёт.
В среднем в период с 1954 по 2007 год задержка над сушей сократилась на 1,7 суток (плюс-минус 0,8 дня), а над океаном – напротив, возросла на сутки. Таким образом и без того немалое рассогласование температурных изменений между водой и сушей будет лишь увеличиваться.
Эволюция задержки за период с 1954 по 2007 год – в основном, в умеренных широтах Северного полушария Земли. Тренд в целом отрицательный над сушей и положительный – над океаном, так что разрыв между циклами изменения температуры уши и океанов увеличивается. Значения (в сутках, суммарные за 54 года) показаны цветом в соответствии с приведённой шкалой, белые клетки означают отсутствие достаточного количества данных.
Аналогичный график для коэффициента отдачи (отношения амплитуд) обладает схожей структурой – в среднем, отдача над сушей уменьшается. Это традиционно связывают со смягчением климата, вызванным опережающим ростом зимних температур в сравнении с летними. Вместе с тем, есть и исключения – например, в Западной Европе летние температуры растут быстрее зимних, и за счёт этого (относительно небольшой, надо признать) температурный контраст между летом и зимой растёт. // A. Stine
И здесь, конечно, так и подмывает предсказать увеличение числа ураганов и тайфунов из-за усиления температурного контраста, однако работа Стайна как мало какая другая удерживает от каких бы то ни было прогнозов. Ведь
из 72 компьютерных прогонов климатической модели, одобренной Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата (IPCC), ни одна не показала хоть какого-то смещения сезонов.
Более того, даже когда учёные насильно скормили 25 моделям атмосферы данные о температуре воды за последние 20 с лишним лет, ни одна из них, прекрасно справляясь с предсказанием статистических свойств температуры, не давала даже намёка на сдвиг сезонов в нужном направлении. Скорее, наоборот, из-за «заторможенности» океанов едва заметно, на грани статистической погрешности, возрастало и время реакции суши.
Причины, по которым времена года на суше стали приходить всё раньше, а в океане всё позже, пока скрыты от исследователей.
Стайн и его коллеги перечисляют несколько вариантов – например, уменьшение влажности почвы на 10–20% способно объяснить наблюдаемый тренд для суши; однако почвоведы пока даже не могут согласиться между собой, насколько и в какую сторону изменилась влажность суши в среднем. Другой вариант – это изменение прозрачности атмосферы над континентами примерно на 10%; но это очень большое значение, которое уже давно бы заметили физики и метрологи, занимающиеся измерением абсолютных потоков энергии от звёзд и Солнца.
Одно можно сказать с уверенностью – каков бы ни был конкретный механизм, он наверняка связан с деятельностью человека. Дело в том, что загадочный сдвиг начал проявляться лишь с середины XX века. До этого долгие годы задержка между солнцем и температурой для каждого участка земной поверхности оставалась более или менее стабильной. Люди в очередной раз показали, что могут влиять на природу так, как даже сами понять не в состоянии.
Год от года весна и лето начинаются всё раньше и раньше, и за последние полвека эти сезоны стали обгонять положенный срок в среднем на двое суток, а местами – и на неделю. Однако не спешите винить в происходящем глобальное потепление – всё гораздо сложнее.
Если бы дело было только в повышении температур, то лето с весной спешили бы, а осень с зимой – запаздывали.
На деле же, раньше стали приходить и весна, и осень. Равно как и лето, и зима.
И эту странную особенность меняющегося земного климата не может объяснить ни одна из высоколобых – и невероятно сложных и требовательных к компьютеру – климатических моделей, существующих на сегодня. Это означает, что все они не учитывают чего-то важного, а чего именно – пока никому не ясно, полагают Александр Стайн и его коллеги из Гарварда и Калифорнийского университета в Беркли, сообщающие о странной спешке смены сезонов в последнем номере Nature.
Здесь следует сразу определиться, что подразумевается под спешкой сезонов и как её измерять. Вообще говоря, если по вашим наручным часам куранты на Спасской башне Кремля бьют слишком рано и с каждым часом спешат всё сильнее, то, скорее всего, это не кремлёвские часы разогнались – это ваши наручные отстают. Точно так же и с сезонами: если от года к году они у вас смещаются в одну и ту же сторону, то, скорее всего, что-то не так с вашим календарём. Например, юлианский календарь за почти два тысячелетия отстал от календаря естественного на 13 дней, григорианский – меньше чем на сутки.
Главная причина смены сезонов на Земле – наклон оси вращения планеты к плоскости её орбиты. Из-за этого в умеренных широтах Солнце зимой поднимается ниже над горизонтом, чем летом. Лучи скользят по поверхности, и то же количество световой энергии распределяется по большей площади. Кроме того, и сами дни зимой короче, а за полярным кругом солнце вообще может не одни сутки не появляться над горизонтом. Вариации расстояния Земли от Солнца при движении по орбите невелики. Зимой Северного полушария (и летом Южного полушария) Земля примерно на 3% ближе к Солнцу, чем летом Северного полушария (зимой Южного). //londonmet.ac.uk
Определить начало сезона можно по какой-то пороговой температуре (скажем, таянию льда), но такое определение будет зависеть от средней температуры, которая в последние годы неизменно растёт. Другой вариант, использованный Стайном и его коллегами, – полагаться на максимумы и минимумы температуры; эти даты общее потепление сдвинуть не может.
Однако вариант с дурным календарём не проходит: смену сезонов определяет вращение Земли вокруг Солнца, а точнее – вызванные вращением периодические изменения положения Солнца относительно плоскости земного экватора. Этот период называется тропическим годом, и астрономы знают его с точностью до мельчайших долей секунды. Привязки к тропическому году Стайну было вполне бы достаточно, однако американцы пошли ещё дальше –
они вычислили задержку изменений температуры воздуха от изменений средней освещённости Солнцем заданного участка поверхности Земли.
Так, учёные разом учли и неравномерность движения Земли по орбите, и меняющееся расстояние до светила, и все прочие «астрономические» составляющие проблемы.
График изменения средней освещённости любой точки земной поверхности в умеренных широтах очень неплохо описывается синусоидой. Её период равен тропическому году, амплитуда меняется в зависимости от широты, а максимум и минимум совпадают с днями солнцестояний – летнего и зимнего соответственно. График изменения температуры на какую-либо простую кривую похож меньше – из-за переменчивости погоды, но если её усреднить по месяцам, то получается нечто, также более или менее напоминающее синусоиду. Её период – тоже год, у неё тоже есть амплитуда, а максимумы и минимумы следуют за аналогичными точками кривой освещённости с небольшой задержкой.
Стайн и его коллеги воспользовались архивом данных о погоде во всём мире, который собрали сотрудники британского Университета Восточной Англии, и вычислили отношение «температурной» и «световой» амплитуд, а также задержку между ними. Первая величина численно выражает связь между температурой и солнечным светом, вторая показывает, сколько времени требуется сложным и многообразным процессам в атмосфере, чтобы отреагировать на изменения в количестве поступающего света. Две величины – «отдачу» и «задержку» – учёные вычислили на географической сетке 5ox5o, сконцентрировавшись на умеренных широтах северного полушария.
Средневековая задержка реакции различных участков поверхности Земли на изменение их освещённости Солнцем. Значения (в сутках) показаны цветом в соответствии с приведённой шкалой, белые клетки означают отсутствие достаточного количества данных. // A. Stine
Поскольку астрономические сезоны точно фиксированы датами солнцестояний и равноденствий, то задержка – это очень хороший способ определить начало «температурных» сезонов в той или иной точке земной поверхности. Эта задержка достаточно велика и меняется от 2–3 недель в глубине континента до двух и более месяцев в океане, который за счёт гигантской теплоёмкости воды обладает большой температурной инерцией. В среднем на суше задержка составляет 29 дней, и именно поэтому самым холодным зимним месяцем считается январь, хотя меньше всего солнечных лучей мы получаем 22 декабря. В океане самые холодные дни приходятся на февраль (средняя задержка – 56 суток), а в некоторых районах могут протянуться и до марта.
А дальше Стайн и его коллеги попытались разобраться, что происходит с этой задержкой от года к году.
Как оказалось, на суше задержка в последние полвека уменьшается. А над морем – напротив, растёт.
В среднем в период с 1954 по 2007 год задержка над сушей сократилась на 1,7 суток (плюс-минус 0,8 дня), а над океаном – напротив, возросла на сутки. Таким образом и без того немалое рассогласование температурных изменений между водой и сушей будет лишь увеличиваться.
Эволюция задержки за период с 1954 по 2007 год – в основном, в умеренных широтах Северного полушария Земли. Тренд в целом отрицательный над сушей и положительный – над океаном, так что разрыв между циклами изменения температуры уши и океанов увеличивается. Значения (в сутках, суммарные за 54 года) показаны цветом в соответствии с приведённой шкалой, белые клетки означают отсутствие достаточного количества данных.
Аналогичный график для коэффициента отдачи (отношения амплитуд) обладает схожей структурой – в среднем, отдача над сушей уменьшается. Это традиционно связывают со смягчением климата, вызванным опережающим ростом зимних температур в сравнении с летними. Вместе с тем, есть и исключения – например, в Западной Европе летние температуры растут быстрее зимних, и за счёт этого (относительно небольшой, надо признать) температурный контраст между летом и зимой растёт. // A. Stine
И здесь, конечно, так и подмывает предсказать увеличение числа ураганов и тайфунов из-за усиления температурного контраста, однако работа Стайна как мало какая другая удерживает от каких бы то ни было прогнозов. Ведь
из 72 компьютерных прогонов климатической модели, одобренной Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата (IPCC), ни одна не показала хоть какого-то смещения сезонов.
Более того, даже когда учёные насильно скормили 25 моделям атмосферы данные о температуре воды за последние 20 с лишним лет, ни одна из них, прекрасно справляясь с предсказанием статистических свойств температуры, не давала даже намёка на сдвиг сезонов в нужном направлении. Скорее, наоборот, из-за «заторможенности» океанов едва заметно, на грани статистической погрешности, возрастало и время реакции суши.
Причины, по которым времена года на суше стали приходить всё раньше, а в океане всё позже, пока скрыты от исследователей.
Стайн и его коллеги перечисляют несколько вариантов – например, уменьшение влажности почвы на 10–20% способно объяснить наблюдаемый тренд для суши; однако почвоведы пока даже не могут согласиться между собой, насколько и в какую сторону изменилась влажность суши в среднем. Другой вариант – это изменение прозрачности атмосферы над континентами примерно на 10%; но это очень большое значение, которое уже давно бы заметили физики и метрологи, занимающиеся измерением абсолютных потоков энергии от звёзд и Солнца.
Одно можно сказать с уверенностью – каков бы ни был конкретный механизм, он наверняка связан с деятельностью человека. Дело в том, что загадочный сдвиг начал проявляться лишь с середины XX века. До этого долгие годы задержка между солнцем и температурой для каждого участка земной поверхности оставалась более или менее стабильной. Люди в очередной раз показали, что могут влиять на природу так, как даже сами понять не в состоянии.
понедельник, 19 января 2009 г.
Неустойчивость
Рождению самых массивных звёзд помогает тот же физический механизм, что лежит в основе правила «не понижать градус», – неустойчивость Релея – Тейлора. С помощью суперкомпьютера астрономы разобрались, как на свет появляются «суперзвёзды», которых, казалось бы, быть не должно.
Происхождение самых массивных звёзд – одна из величайших загадок всей астрономии. Грубо говоря, потому что появиться очень большие звёзды никак не могут – родиться им мешает их собственный свет.
Все звёзды образуются в плотных холодных облаках газа и пыли, которые благодаря этой пыли могут остыть настолько, что начинают сжиматься под действием собственной гравитации. В сжимающемся облаке, которое поначалу имеет неправильную форму, вскоре образуется центр – это зародыш будущей звезды. А дальше уже именно на него падает окружающее вещество, зародыш растёт, превращаясь в протозвезду, и в какой-то момент плотность и температура в центре этого газового шара вырастают настолько, что запускается ядерная реакция превращения водорода в гелий. Выделяется энергия, и зажигается собственно звезда – небесное тело, которое светит за счёт термоядерных реакций в центре.
Слишком плотная загадка
Спутник CoRoT нашёл сразу несколько внесолнечных планет и загадочный тёмный объект неизвестной природы. Его масса в 50 раз меньше, чем у Солнца, а плотность в 4 раза больше, чем у свинца. Для...
Однако такая простая схема работает лишь для относительно небольших звёзд. Дело в том, что в процессе сжатия облака и выпадения газа на протозвезду выделяется его гравитационная энергия. В результате вещество разогревается и начинает светиться, а этот свет давит на новые порции газа, затормаживая их падение.
Для небольших звёзд в этом противостоянии гравитации и давления световых лучей, преимущество долго остаётся за гравитацией, и лишь с появлением ядерного источника энергии в центре звезды свет празднует победу. Излучение вновь родившейся звезды испепеляет пыль в её окрестностях и выметает из них газ, а рост молодой звезды, долгие годы шедший за счёт аккреции (падения окружающего газа), прекращается.
Проблема в том, что с протозвёздами покрупнее это случается раньше. Протозвёзды типичного химического состава, масса которых достигает 20 масс Солнца, ещё до начала ядерных реакций уже светятся, как 50 тысяч солнц, и этого уже хватает, чтобы остановить падение новых порций газа. Рост останавливается, а когда центральная протозвезда доживает до термоядерного синтеза, её светимость лишь увеличивается, не оставляя оставшемуся снаружи газу никаких шансов вновь приблизиться к звезде, пока она жива.
Отсюда следует простой вывод: звёзд тяжелее 20 масс Солнца быть не должно. Проблема только в том, что они есть.
Астрономам уже полвека известны звёзды в 80 раз массивнее Солнца, а не так давно в нашей Галактике были обнаружены исполины в 120 раз массивнее нашей родной звездочки. Более того, в Большом Магеллановом облаке – галактике-спутнике Млечного пути, есть двойная звезда R145 (HDE 269928, Brey 90), массы компонент которой составляют, судя по всему, примерно 125 и 300 масс Солнца!
Один пример вы легко можете наблюдать любым летним вечером. Масса Денеба – главной звезды в созвездии Лебедя, расположенной в хвосте небесной птицы, – оценивается в 25 масс Солнца.
Чего только не придумывали астрофизики, чтобы решить проблему. Пытались слепить их из нескольких менее массивных звёзд, экспериментировали с химическим составом, старались учесть всё великое множество эффектов физики плазмы – и всё напрасно. Самая большая звезда, которую удавалось «слепить» учёным in silico – в компьютерных моделях, весила лишь в 40–50 раз больше Солнца и до цели не дотягивала в несколько раз.
Судя по всему, теперь эта проблема решена. Астрофизикам под руководством Марка Крумхольца из Калифорнийского университета в американском Санта-Крусе удалось показать, что газ может легко «проскользнуть меж пальцев» света и невероятная яркость звезды этому не помеха. Результаты работы Крумхольца и его коллег приняты к публикации в Science.
Решение дал не какой-то физический эффект, который учёные проглядели и не учли в прежних своих вычислениях, а грубая сила суперкомпьютеров в калифорнийском Сан-Диего и компьютерная программа американских физиков-ядерщиков, приспособленная астрономами под решение своих задач. Моделирование ядерных взрывов физически не так уж и отличается от образования звезды, в обоих случаях главный процесс – это взаимодействие газа с излучением. Астрономы лишь добавили в программу учёт самогравитации газа (и, вероятно, выбросили из него секретные параметры ядерных зарядов – как американских, так и российских, взрывы которых ядерщики США также вынуждены расчитывать).
Крумхольцу и его коллегам впервые удалось провести полномасштабное трёхмерное моделирование сжатия протозвёздного облака – в масштабах и с точностью, способной уловить все необходимые детали этого процесса.
Учёные проследили за эволюцией газового облака массой в 100 масс Солнца на протяжении 57 тысяч лет, сжатых до нескольких лет напряжённой программистской работы и четырёх месяцев интенсивного счёта в суперкомпьютерном центре.
Уже через 3,5 тысячи условных лет после старта симуляций в центре облака образовался тот самый зародыш, на который и происходило выпадение вещества в дальнейшем. Внешний газ быстро образовал так называемый аккреционный диск – почти плоское образование, в котором газ теряет угловой момент, обладая которым не может упасть на протозвезду. Через этот диск газ в течение 20 тысяч лет плавно осаждался на поверхность будущего светила, и за этот небольшой промежуток времени на протозвезду «нападало» ни много ни мало 11 солнечных масс, которые светились уже как 10 тысяч солнц.
Тем временем сам диск стал настолько плотным, что взаимное притяжение частиц в нём породило плотную спиральную волну вроде тех, что наблюдаются в звёздных дисках галактик. Это, впрочем, не остановило рост протозвезды: в следующие 5–6 тысяч лет она потолстела ещё на 6 солнечных масс.
А вот дальше рост замедлился, потому что светимость тела превысила допустимый барьер. Сила давления излучения превозмогла гравитацию, и газ начал потихоньку оттекать. В первую очередь «над» и «под» плоскостью диска, где раздулись своего рода «пузыри», давление в которых поддерживает не газ, практически отсутствующий здесь, а свет. Сам диск хотя бы частично экранирует яркий центральный источник, поэтому такие пузыри всегда поджаты с боков.
Но совсем падение газа не остановилось. На границе пузырей развились неустойчивости.
Неустойчивость Релея-Тейлора
возникает, например, на границе более плотной жидкости, налитой на ровную поверхность менее плотной жидкости, как в коктейле. Кого-то может удивить, но с точки зрения гидростатики, эта система находится...
В первую очередь неустойчивость Релея – Тейлора – та самая, из-за которой более плотная жидкость, как ни старайся осторожно налить её поверху, перемешается с менее плотной. В прежних, двумерных осесимметричных моделях уже появлялись намёки на эти неустойчивости, но лишь при полноценном трёхмерном моделировании они проявили себя во всей красе.
За счёт неустойчивости Релея – Тейлора тонкие нити более плотного и более тёмного газа смогли «стекать» во вращающийся аккреционный диск, образуя в нём сгустки. Образуйся эти сгустки где-нибудь сами по себе – и мы бы назвали их полноценными протозвёздами. Однако диск, вращающийся вокруг исполинской протозвезды, увлекал их за собой, и за счёт трения они со временем падали на её поверхность. Центральная протозвезда продолжала расти, значительно превысив теоретический «предел» в 20 масс Солнца, за которым, казалось бы, не должно было быть звёзд.
Более того, никаких признаков того, что этот рост когда-то закончится (пока не исчерпается всё исходное облако), учёным увидеть не удалось.
Они остановили счёт на временной отметке в 57 тысяч лет, после того как в течение 20 тысяч лет никаких качественных изменений в системе не происходило.
Однако прежде, чем это случилось, в системе произошло ещё одно интересное событие. На отметке примерно в 35 тысяч лет несколько одновременно находившихся в аккреционном диске сгустков слились, и их совместного притяжения оказалось достаточно, чтобы вокруг нового образования закрутился свой гравитационный диск и начала образовываться ещё одна и тоже очень крупная система.
Таким образом, полагают астрономы, они разом решили ещё одну проблему – двойственности массивных звёзд, которые подозрительно часто входят в состав широких кратных систем.
В процессе расчёта в какой-то момент появилась и третья протозвёздочка, которая тоже начала было расти, но всё-таки в какой-то момент сложным гравитационным полем основной двойной была отброшена «на съедение» главному компоненту и слилась с ним.
Специалисты по звёздообразованию приняли работу Крумхольца и его коллег «на ура», но оговорки остаются. Хотя в соавторах у калифорнийского доцента маститые специалисты по физике плазмы и компьютерным расчётам, всем бы хотелось увидеть независимое подтверждение расчётов. К сожалению, далеко не у всех есть программы, которые долгие годы разрабатывали сотни секретных ядерщиков, и способность убедить хозяев суперкомпьютеров так вот запросто отвалить астрономам 4 месяца вычислительного времени. Но первый шаг сделан.
Происхождение самых массивных звёзд – одна из величайших загадок всей астрономии. Грубо говоря, потому что появиться очень большие звёзды никак не могут – родиться им мешает их собственный свет.
Все звёзды образуются в плотных холодных облаках газа и пыли, которые благодаря этой пыли могут остыть настолько, что начинают сжиматься под действием собственной гравитации. В сжимающемся облаке, которое поначалу имеет неправильную форму, вскоре образуется центр – это зародыш будущей звезды. А дальше уже именно на него падает окружающее вещество, зародыш растёт, превращаясь в протозвезду, и в какой-то момент плотность и температура в центре этого газового шара вырастают настолько, что запускается ядерная реакция превращения водорода в гелий. Выделяется энергия, и зажигается собственно звезда – небесное тело, которое светит за счёт термоядерных реакций в центре.
Слишком плотная загадка
Спутник CoRoT нашёл сразу несколько внесолнечных планет и загадочный тёмный объект неизвестной природы. Его масса в 50 раз меньше, чем у Солнца, а плотность в 4 раза больше, чем у свинца. Для...
Однако такая простая схема работает лишь для относительно небольших звёзд. Дело в том, что в процессе сжатия облака и выпадения газа на протозвезду выделяется его гравитационная энергия. В результате вещество разогревается и начинает светиться, а этот свет давит на новые порции газа, затормаживая их падение.
Для небольших звёзд в этом противостоянии гравитации и давления световых лучей, преимущество долго остаётся за гравитацией, и лишь с появлением ядерного источника энергии в центре звезды свет празднует победу. Излучение вновь родившейся звезды испепеляет пыль в её окрестностях и выметает из них газ, а рост молодой звезды, долгие годы шедший за счёт аккреции (падения окружающего газа), прекращается.
Проблема в том, что с протозвёздами покрупнее это случается раньше. Протозвёзды типичного химического состава, масса которых достигает 20 масс Солнца, ещё до начала ядерных реакций уже светятся, как 50 тысяч солнц, и этого уже хватает, чтобы остановить падение новых порций газа. Рост останавливается, а когда центральная протозвезда доживает до термоядерного синтеза, её светимость лишь увеличивается, не оставляя оставшемуся снаружи газу никаких шансов вновь приблизиться к звезде, пока она жива.
Отсюда следует простой вывод: звёзд тяжелее 20 масс Солнца быть не должно. Проблема только в том, что они есть.
Астрономам уже полвека известны звёзды в 80 раз массивнее Солнца, а не так давно в нашей Галактике были обнаружены исполины в 120 раз массивнее нашей родной звездочки. Более того, в Большом Магеллановом облаке – галактике-спутнике Млечного пути, есть двойная звезда R145 (HDE 269928, Brey 90), массы компонент которой составляют, судя по всему, примерно 125 и 300 масс Солнца!
Один пример вы легко можете наблюдать любым летним вечером. Масса Денеба – главной звезды в созвездии Лебедя, расположенной в хвосте небесной птицы, – оценивается в 25 масс Солнца.
Чего только не придумывали астрофизики, чтобы решить проблему. Пытались слепить их из нескольких менее массивных звёзд, экспериментировали с химическим составом, старались учесть всё великое множество эффектов физики плазмы – и всё напрасно. Самая большая звезда, которую удавалось «слепить» учёным in silico – в компьютерных моделях, весила лишь в 40–50 раз больше Солнца и до цели не дотягивала в несколько раз.
Судя по всему, теперь эта проблема решена. Астрофизикам под руководством Марка Крумхольца из Калифорнийского университета в американском Санта-Крусе удалось показать, что газ может легко «проскользнуть меж пальцев» света и невероятная яркость звезды этому не помеха. Результаты работы Крумхольца и его коллег приняты к публикации в Science.
Решение дал не какой-то физический эффект, который учёные проглядели и не учли в прежних своих вычислениях, а грубая сила суперкомпьютеров в калифорнийском Сан-Диего и компьютерная программа американских физиков-ядерщиков, приспособленная астрономами под решение своих задач. Моделирование ядерных взрывов физически не так уж и отличается от образования звезды, в обоих случаях главный процесс – это взаимодействие газа с излучением. Астрономы лишь добавили в программу учёт самогравитации газа (и, вероятно, выбросили из него секретные параметры ядерных зарядов – как американских, так и российских, взрывы которых ядерщики США также вынуждены расчитывать).
Крумхольцу и его коллегам впервые удалось провести полномасштабное трёхмерное моделирование сжатия протозвёздного облака – в масштабах и с точностью, способной уловить все необходимые детали этого процесса.
Учёные проследили за эволюцией газового облака массой в 100 масс Солнца на протяжении 57 тысяч лет, сжатых до нескольких лет напряжённой программистской работы и четырёх месяцев интенсивного счёта в суперкомпьютерном центре.
Уже через 3,5 тысячи условных лет после старта симуляций в центре облака образовался тот самый зародыш, на который и происходило выпадение вещества в дальнейшем. Внешний газ быстро образовал так называемый аккреционный диск – почти плоское образование, в котором газ теряет угловой момент, обладая которым не может упасть на протозвезду. Через этот диск газ в течение 20 тысяч лет плавно осаждался на поверхность будущего светила, и за этот небольшой промежуток времени на протозвезду «нападало» ни много ни мало 11 солнечных масс, которые светились уже как 10 тысяч солнц.
Тем временем сам диск стал настолько плотным, что взаимное притяжение частиц в нём породило плотную спиральную волну вроде тех, что наблюдаются в звёздных дисках галактик. Это, впрочем, не остановило рост протозвезды: в следующие 5–6 тысяч лет она потолстела ещё на 6 солнечных масс.
А вот дальше рост замедлился, потому что светимость тела превысила допустимый барьер. Сила давления излучения превозмогла гравитацию, и газ начал потихоньку оттекать. В первую очередь «над» и «под» плоскостью диска, где раздулись своего рода «пузыри», давление в которых поддерживает не газ, практически отсутствующий здесь, а свет. Сам диск хотя бы частично экранирует яркий центральный источник, поэтому такие пузыри всегда поджаты с боков.
Но совсем падение газа не остановилось. На границе пузырей развились неустойчивости.
Неустойчивость Релея-Тейлора
возникает, например, на границе более плотной жидкости, налитой на ровную поверхность менее плотной жидкости, как в коктейле. Кого-то может удивить, но с точки зрения гидростатики, эта система находится...
В первую очередь неустойчивость Релея – Тейлора – та самая, из-за которой более плотная жидкость, как ни старайся осторожно налить её поверху, перемешается с менее плотной. В прежних, двумерных осесимметричных моделях уже появлялись намёки на эти неустойчивости, но лишь при полноценном трёхмерном моделировании они проявили себя во всей красе.
За счёт неустойчивости Релея – Тейлора тонкие нити более плотного и более тёмного газа смогли «стекать» во вращающийся аккреционный диск, образуя в нём сгустки. Образуйся эти сгустки где-нибудь сами по себе – и мы бы назвали их полноценными протозвёздами. Однако диск, вращающийся вокруг исполинской протозвезды, увлекал их за собой, и за счёт трения они со временем падали на её поверхность. Центральная протозвезда продолжала расти, значительно превысив теоретический «предел» в 20 масс Солнца, за которым, казалось бы, не должно было быть звёзд.
Более того, никаких признаков того, что этот рост когда-то закончится (пока не исчерпается всё исходное облако), учёным увидеть не удалось.
Они остановили счёт на временной отметке в 57 тысяч лет, после того как в течение 20 тысяч лет никаких качественных изменений в системе не происходило.
Однако прежде, чем это случилось, в системе произошло ещё одно интересное событие. На отметке примерно в 35 тысяч лет несколько одновременно находившихся в аккреционном диске сгустков слились, и их совместного притяжения оказалось достаточно, чтобы вокруг нового образования закрутился свой гравитационный диск и начала образовываться ещё одна и тоже очень крупная система.
Таким образом, полагают астрономы, они разом решили ещё одну проблему – двойственности массивных звёзд, которые подозрительно часто входят в состав широких кратных систем.
В процессе расчёта в какой-то момент появилась и третья протозвёздочка, которая тоже начала было расти, но всё-таки в какой-то момент сложным гравитационным полем основной двойной была отброшена «на съедение» главному компоненту и слилась с ним.
Специалисты по звёздообразованию приняли работу Крумхольца и его коллег «на ура», но оговорки остаются. Хотя в соавторах у калифорнийского доцента маститые специалисты по физике плазмы и компьютерным расчётам, всем бы хотелось увидеть независимое подтверждение расчётов. К сожалению, далеко не у всех есть программы, которые долгие годы разрабатывали сотни секретных ядерщиков, и способность убедить хозяев суперкомпьютеров так вот запросто отвалить астрономам 4 месяца вычислительного времени. Но первый шаг сделан.
Подписаться на:
Сообщения (Atom)
