Сосуды науки

Топ-7 научных направлений, в которых не обошлось без бутылки
06.07.18
Дарья Вяльцева (при участии учителя биологии Татьяны Вяльцевой и кандидата физико-математических наук Владислава Балашова)    

Бутылка — это не только ёмкость для хранения жидкостей, но и незаменимый инструмент для исследований, а также точная и яркая научная метафора. oLogy рассказывает 7 историй о главных бутылках науки.

1. Взять популяцию за горлышко

// Эволюционная биология

Иногда численность популяций животных, в том числе человека, уменьшается всего до нескольких особей. (Причинами могут быть изменения климата, увеличение числа хищников, болезни, масштабные природные катаклизмы или техногенные катастрофы.) Такое сокращение генофонда получило название эффекта бутылочного горлышка — на графике резкий спад популяции повторяет переход основной части бутылки в горлышко.
Генетическое разнообразие популяций, которых «схватили за горлышко», сокращается, ведь размножается и передаёт свои гены лишь оставшаяся в живых горстка особей. Выжившие не обязательно имеют все наборы признаков изначального генофонда, поэтому встречаемость того или иного признака и связанного с ним гена может сильно измениться.

Человеческая популяция на заре своего становления тоже прошла через «бутылочное горлышко»

В качестве примера можно привести популяцию современных гепардов. За последние десятилетия их численность уменьшилась и теперь составляет менее 20 тыс. особей. Учёные, озабоченные проблемой исчезновения этих диких кошек, выяснили, что их популяция обладает очень малым генетическим разнообразием. По всей видимости, в конце последнего ледникового периода гепарды едва избежали вымирания. Возможно даже, где-нибудь в пещере выжила одна беременная самка, позже давшая потомство. В таком случае все современные особи являются потомками родных братьев и сестёр. И это весьма прискорбно, ведь недостаток генетического разнообразия у гепардов привёл к отклонениям в образовании сперматозоидов, уменьшению плодовитости, высокой смертности детёнышей и повышенной чувствительности к болезням. Впрочем, о вреде близкородственного скрещивания можно говорить долго, с привлечением самых разных примеров, в том числе из истории королевских династий.

Человеческая популяция на заре своего становления тоже прошла через «бутылочное горлышко». Примерно 60–80 тыс. лет назад, после извержения супервулкана Тоба, которое сменилось резким похолоданием, численность наших предков сократилась до нескольких тысяч (одни учёные говорят о двух, другие о десяти).

Источник: iStock
Супервулкан Тоба Потухший супервулкан в Индонезии, расположенный на севере центральной части острова Суматра. У вулкана Тоба имеется самая большая кальдера — площадь 1775 км2. В кальдере находится самое крупное озеро Суматры — Тоба.

2. Бутылка неопределённой ориентации

// Топология

Было бы даже странно, если б такой раздел математики, как топология (известный геометрическими парадоксами), не обзавёлся неизменной при любых деформациях бутылкой. Это произошло в 1882 году, когда немецкий математик Феликс Христиан Клейн придумал неориентируемую, то есть не имеющую различий между внешней и внутренней стороной, поверхность, позднее названную бутылкой Клейна. Сам учёный своё детище бутылкой не нарекал. Скорее всего, термин закрепился из-за некоторой схожести поверхности с ёмкостью или же потому, что немецкие слова fläche (поверхность) и flasche (бутылка) звучат почти одинаково.

Впервые описание этого феномена появилось в монографии Клейна «О теории алгебраических функций Римана и их интегралов»:

О ней [поверхности ] можно составить себе представление, если вывернуть кусок каучуковой трубки и заставить его пересечься с самим собой таким образом, чтобы при соединении концов его внешняя сторона соединилась бы с внутренней

Феликс Христиан Клейн (1849-1925) — немецкий математик и педагог. Первым строго доказал непротиворечивость геометрии Лобачевского. Внёс значительный вклад в общую алгебру (особенно в теорию групп и теорию непрерывных групп), теорию эллиптических и автоморфных функций.

По строению бутылка Клейна напоминает ленту Мёбиуса — одностороннюю поверхность, едва ли не самый известный топологический объект. При разрезании бутылки надвое вдоль оси симметрии и получаются две ленты Мёбиуса. Если бы сосуды классической формы (с вытянутым горлышком) делали из силикона, подобие бутылки Клейна можно было бы смастерить и дома. Мы проделали бы отверстия в донышке и стенке ёмкости; горлышко вытянули, изогнули вниз и, продев через отверстие в стенке, присоединили бы к отверстию на дне. При этом оригинальная бутылка Клейна существует лишь в четырёхмерном пространстве и без дополнительных отверстий, а в нашем, трёхмерном, без них не обойтись.

Источник: iStock
Лента Мёбиуса Петля с одной поверхностью и одним краем.

3. Стеклянная камера хранения

// Ботаника

C бутылками связан один из самых продолжительных опытов в науке — на сегодняшний день он длится уже почти 140 лет.
Цель эксперимента — узнать, как долго семена могут храниться в почве, не прорастая, не загнивая и не высыхая, — проще говоря, не теряя свои основные качества. Опыт начался осенью 1879 года, когда профессор ботаники Мичиганского университета (США) Уильям Джеймс Бил составил 20 наборов семян сорняков: клевера, мокрицы, мальвы, пастушьей сумки, подорожника, коровяка и др. (всего 21 вид растений-вредителей) — и поместил их в 20 полулитровых бутылок с чуть влажным песком. Одна подборка включала 50 семян каждого вида, то есть в одной ёмкости их было более тысячи. Профессор велел закопать бутылки, не закупоривая, вверх дном, чтобы в них не скапливалась вода.

Первые 40 лет проверка семян на сохранность и всхожесть проводилась каждые 5 лет. Для этого одну из бутылок выкапывали, а семена переносили в условия, способствующие их прорастанию. До 1915 года это делал автор эксперимента. Позже, с 1920-го, к эксперименту подключились его ученики. Они увеличили промежуток между проверками до 10 лет. С 1980-го интервалы снова возросли — до 20 лет.
В 2000 году выкопали пятнадцатую по счёту бутылку. Семена, пролежавшие 120 лет, поместили в тепличный лоток со стерильной почвенной смесью, где они довольно скоро пустили ростки.
Надо сказать, во второй половине ХХ века всходы давал лишь коровяк. И только из пятнадцатой бутылки проросли ещё и семечки мальвы круглолистной. Опыт продолжается и завершится по графику — в 2100 году.

Источник: iStock
Уильям Джеймс Бил (1833-1924) — американский биолог-ботаник.

4. Тысячи бутылок Биддера

// Океанология

C 1904 по 1906 год морской биолог Джордж Паркер Биддер III (внук британского инженера и изобретателя, умевшего производить в уме чрезвычайно сложные вычисления) опустил на дно Ла-Манша 1000 бутылок, вложив в них листы бумаги с крупной надписью «РАЗБИТЬ». На обратной стороне были анкета для фиксации данных, где и когда обнаружена бутылка, и просьба вернуть находку в Морскую биологическую ассоциацию города Плимут за вознаграждение в один шиллинг.
Отслеживая перемещение бутылок (чаще всего они попадались в сети рыбаков), Биддер-младший изучал подводные течения. Благодаря этому эксперименту исследователь доказал, что в Северном море есть западное течение, а также описал маршрут миграции камбалы.
Сегодня вместо бутылок для изучения течений используют радиомаячки, которые крепят на рыб.
Бутылки Биддера до сих пор прибивает порой к берегам европейских стран, омываемых Северным морем. В последний раз старинный сосуд с научной весточкой из прошлого обнаружили в 2015 году на одном из немецких пляжей.

Источник: iStock
Джордж Паркер Биддер III (1863-1954) — британский морской биолог, который в основном изучал губки. Президент Морской биологической ассоциации с 1939 по 1945 год.

5. Любовь или бутылочка

// Психология

Не обошлось без бутылки и в скандально известных опытах американского психолога, выпускника Стэнфордского университета Гарри Фредерика Харлоу. Точнее сказать — без бутылочки с молоком.
В 1970-х годах Харлоу изучал формирование психики макак-резусов в отсутствие материнской фигуры.
Учёный растил детёнышей изолированно от родителей. Он сделал для маленьких макак двух «суррогатных мам»: одну мягкую, сплетённую из полотенец, вторую твёрдую и холодную, свитую из железных прутьев. Правда, у второй было преимущество: в её уродливой металлической лапе была зажата бутылочка с молоком.
Несмотря на то что матерчатая мать не могла накормить, детёныши старались быть ближе к ней: цеплялись за её спину; перебирали складки ткани, словно материнскую шерсть при груминге; ласкались. К железной матери обезьянки подходили, только чтобы поесть, а затем снова забирались на спину к мягкой маме. По прошествии времени Харлоу помещал маленьких макак в незнакомую комнату вместе с одной из «матерей». Если это была мать с бутылочкой, детёныши кричали, дрожали и сжимались в комок, если мягкая мама — вели себя гораздо спокойнее.

В своей главной работе «Природа любви» Харлоу сделал такие выводы:

«Мы не удивились, когда обнаружили, что комфорт, который приносит контакт, является базисом таких переменных, как привязанность и любовь, но мы не ожидали, что он полностью заслонит такой фактор, как питание; действительно, различие оказалось настолько большим, что заставило предположить: главная функция кормления — обеспечение частого и тесного телесного контакта детёныша с матерью…»

Позже, когда подробности эксперимента стали широко известны, общественность осудила Харлоу за жестокое обращение с лабораторными животными.

Источник: iStock
Гарри Фредерик Харлоу (1906-1981) — американский психолог. Профессор Висконсинского университета в 1930-1974 годах. Президент Американской психологической ассоциации (АПА) в 1958 году.в 1958 году.

6. Плазма в магнитной бутылке

// Физика плазмы и термоядерных реакций

Плазма — четвёртое агрегатное состояние вещества (наряду с твёрдым, жидким и газообразным). По сути, это газ, который разогрели до очень высоких температур, — его ещё называют ионизированным. Если сложно представить, вспомните Солнце: оно в основном состоит из плазмы (раскалённых водорода и гелия) — ключевого компонента термоядерной реакции. Именно благодаря ей наша звезда миллиарды лет светит и обогревает ближайшие планеты. Это мощный и долговечный источник энергии, который уже давно планируют воссоздать на Земле, сделав его управляемым.

Если в ядерном реакторе источником энергии служит деление ядер (образование из тяжёлых ядер изотопов урана, тория или плутония множества осколков и лёгких ядер), то управляемый термояд представляет собой обратный процесс: энергия выделяется благодаря синтезу тяжёлых ядер (например, лития или бора) из более лёгких (водорода). Считается, что термоядерный реактор будет намного безопаснее ядерного, так как в нём используется гораздо меньше радиоактивного топлива.

И тут на помощь приходит бутылка! Но не простая, а магнитная, или, как ещё её называют, пробкотрон

Пока такой реактор, работающий в промышленных масштабах, только строится, название этого масштабного международного проекта — ITER. Однако экспериментальные реакторы есть по всему миру. На них тестируются подходы к решению сложных технических задач, главная из которых — удержание плазмы.
Внутри термоядерного реактора раскалённую до миллионов градусов плазму (способную расплавить любой материал) нужно удерживать в концентрированном состоянии, да так, чтобы не повредить при этом стенки камеры. И тут на помощь приходит бутылка! Но не простая, а магнитная, или, как ещё её называют, пробкотрон. В 1955 году такую ловушку для плазмы независимо друг от друга описали советский физик Герш Будкер и американец Ричард Пост.
Магнитная бутылка создаётся внутри индуктивной катушки благодаря особой конфигурации магнитного поля. Линии поля сужаются вблизи торцов незамкнутой катушки, что формирует на её концах подобие пробок, препятствующих утечке плазмы.

Источник: iStock
Герш Ицкович Будкер (1918-1977) — советский учёный-физик, профессор, академик АН СССР с 1964 года (член-корреспондент АН СССР с 1958 года). Основатель и первый директор Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР. Автор многочисленных открытий и изобретений в области физики плазмы и физики ускорителей.

7. Бутылка против черепа

// Судебная медицина

«Какая пивная бутылка прочнее: пустая или полная, и могут ли они проломить человеческий череп?» — под таким названием весной 2009 года в Journal of Forensic and Legal Medicine вышла статья исследователей из Бернского университета (Швейцария).
Учёные проверяли, как разбиваются полные и пустые полулитровые пивные бутылки. Сразу оговоримся: в ходе экспериментов ни один человек не пострадал. Чтобы измерить ударную прочность исследуемых объектов, учёные сбрасывали на них стальной шар — с разной высоты.
Пустые бутылки разбивались при ударе в 40 джоулей, полным было достаточно 30. Кроме того, из-за давления на стенки сосуда газа, содержащегося в пиве, полные бутылки разлетались вдребезги легче и быстрее.

«Обе эти ударные силы превосходят минимальный порог, необходимый для разрушения человеческого черепа. Следовательно, и пустые, и полные бутылки могут быть очень опасными инструментами в споре с применением физической силы», — подытожили экспериментаторы.

В том же 2009 году эта исследовательская работа была удостоена награды — Игнобелевской премии (Ig Nobel Prize) — знаменитой пародии на Нобель. По словам организаторов антипремии, она вручается «за достижения, которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься».

Источник: iStock
Иллюстрации

iStock