В ноябре мир вспомнил, что Самара по праву считается одним из международных научных центров, после того, как ученые Самарского университета имени Королева вместе с коллегами из США доказали, что жизнь могла прилететь на Землю верхом на звезде. «Собака.ru» поговорила со старшим научным сотрудником самарского филиала ФИАН и доцентом кафедры физики в Самарском университета Иваном Антоновым – одним из авторов этого удивительного открытия.
Физика, химия и астрохимия
К какой области можно отнести ваше открытие – оно больше физическое или химическое?
Есть такая область на стыке двух наук: физики называют ее химическая физика, а химики – физическая химия. Но, по сути – это смежная интердисциплинарная область, которая попадает и туда, и туда понемногу. А так как наши эксперименты связаны с межзвездным веществом, это еще и астрохимия.
Большинство открытий, кроме тех, что совершаются абсолютно случайно, начинаются с какой-то гипотезы. Какое предположение лежало в основе вашего?
В основе лежало вот что: примерно шестьдесят лет назад в космосе были открыты молекулы. И, если до этого момента предполагалось, что космическое пространство – это глубокий вакуум, в котором есть только какие-то простые – в основном водород и гелий – атомы, радиотелескопы доказали, что вещества в космосе излучают на определенных частотах, а эти частоты соответствуют энергии молекулярных переходов. То есть по этим частотам можно определить, какие именно молекулы уже существуют в космосе. С того времени начали открывать одну молекулу за другой: на сегодняшний день известно уже примерно двести пятьдесят молекул. Некоторые из них довольно простые, как например молекула водорода. А некоторые сложнее. Правда, здесь на Земле мы считаем их простыми органическими молекулами. Такими, как, например, уксусная кислота. С этими молекулами пока больше вопросов, чем ответов. Потому что как они образуются в космическом пространстве – совершенно непонятно. И гипотеза, которая могла бы объяснить их существование, была выдвинута нашим ведущим ученым – Ральфом Кайзером. Она заключается в том, что эти молекулы в космосе образуются на частицах пыли. Представляете, в космосе тоже есть пыль – она осталась от предыдущих звездных циклов. То есть, когда звезда взрывается и разрушается, от нее остаются пылинки. Они довольно маленькие – размером порядка десятка нанометров. Это меньше, чем клетка и сопоставимо с размером вируса. Так вот на этих пылинках при низких температурах могут оседать простые молекулы из космического вакуума. А потом поверхность пылинок облучается радиацией, космическими лучами и светом от звезд и в ней происходят химические реакции, которые ведут к появлению более крупных и более сложных молекул. А когда происходит новый цикл образования звезды, то есть газово-пылевое облако собирается в небольшой области под действием притяжения и в центре этого облака зажигается звезда, с пыли начинают испаряться молекулы, которые на ней образовались. И радиотелескопы видят эти молекулы. Так вот предположение было в том, что ледяные пленки на поверхности космической пыли – это некий инкубатор сложных органических молекул, которые могут попасть на новые планеты и дать основу для новой жизни.
То есть жизнь может зародиться из пыли буквально?
Примерно да! Вот эти пылинки – что с ними происходит при звездообразовании? Та часть из них, что около звезды просто теряет свои молекулы – они испаряются. А часть, которая летает где-то далеко, образует кометы. Вокруг нашей солнечной системы есть облако Оорта, которое состоит из комет – это пояс, который находится вне орбиты Плутона. Он расположен очень далеко от Земли – на расстоянии больше шести миллиардов километров. Но для комет это не предел и они периодически к нам залетали. Считается, что примерно четыре миллиарда лет назад траектории этих комет часто пролетали через центр Солнечной системы и бомбардировали внутренние планеты. И Землю тоже.
Мы считаем, а они экспериментируют
Когда говорят, что работа разделилась на теоретическую и экспериментальную – как это было организовано на практике?
На практике это было коллаборацией: мы работали в Самарском университете имени Королева и самарском филиале ФИАН, а наши коллеги работали в университете Гавайев в США. У них есть экспериментальная установка, которую они построили лет десять назад, а мы умеем хорошо считать свойства веществ и определять, как протекают химические реакции при помощи методики, основанной на квантово-механических расчетах. Такие методы очень точные, но требуют большого вычислительного ресурса, который у нас в институте доступен: мы считаем на суперкомпьютере «Королев». Для исследования мы делали два типа основных расчетов: первый тип – это определение, каким образом могут происходить химические реакции, с участием определенных молекул. Рассчитывали, как эти молекулы реагируют и что из этого может получится. А второй тип расчетов был связан с определением энергии ионизации продуктов реакции, по которым их потом могли идентифицировать в эксперименте на Гавайях.
А вот эти экспериментальные установки – они с таким же антуражем, как в «Человеке-пауке»? Все сверкает и искрит?
Не совсем. Я бы даже сказал: все гораздо скромнее. Но выглядит неплохо. И не искрит, конечно, ничего: желательно, чтобы все было максимально безопасно. Мы сейчас как раз заканчиваем создание собственной установки, чтобы проводить эксперименты самостоятельно и следим, чтобы соблюдались все требования техники безопасности.
В чем главная сложность создания такой установки?
Главная сложность в том, что необходимо сымитировать условия глубокого космоса, в котором царит очень глубокий вакуум – его почти нереально получить на Земле. Мы стараемся создать условия, которые бы ничем не отличались с точки зрения химии. А другие трудности связаны с получением низких температур, сравнимых с космическими, а это примерно четыре-пять градусов выше абсолютного нуля. Очень сложно получить сочетание таких параметров.
Открытие, которое изменило взгляд на мир
Насколько ваше открытие – то, что Земля получила жизнь из космоса – изменит парадигму мышления многих людей?
Все немного не так. Открытие не в том, что Земля получила жизнь из космоса, а в том, что строительные материалы для образования жизни могли быть занесены из космоса. Но могли же и здесь образоваться! Так что эти две гипотезы по-прежнему равнозначны и не противоречат друг другу. Просто наше открытие добавило космической версии происхождения жизни еще один аргумент. В чем он заключается? В том, что ранним клеткам, которые могли образоваться на Земле, нужно было каким-то образом получать из внешней среды вещества – ионы металлов, которые нужны для того, чтобы клетки могли размножаться. Современные клетки используют для транспорта металлов белки – сложные макробиологические молекулы, которые синтезируются с помощью сложных процессов. В древних клетках этих процессов, скорее всего, быть не могло. А как же тогда размножаться? На ранней Земле могли быть простые молекулы, которые образовались в космосе. Они могли связываться с атомом металла, образовывая прочную связь – как клешней краба хватать этот атом и пропихивать его через клеточную мембрану.
Хорошо. А, кроме теоретического обоснования гипотезы, у вашего открытия есть какой-то практический результат? Будет ли он как-то использоваться в промышленности?
В промышленности скорее всего нет. По крайней мере, я такого применения не вижу на сегодняшний день – это все-таки не прикладная наука, а фундаментальная. С другой стороны, с фундаментальной наукой всегда сложно понять, когда пригодится то, над чем сегодня ведутся работы. На какой-то спирали научно-технического развития открытия фундаменталистов дают неожиданный прикладной выхлоп. Однозначно предсказать нельзя, но теоретически это важно.
А почему вы выбрали фундаментальную науку? Всегда интересно, как люди приходят в эту сферу.
Наука выбрала меня сама. Я учился в Самарском университете, а потом уехал учиться в аспирантуре в США. Так получилось, что я попал в группу, которая изучала простые молекулы, содержащие уран и бериллий. В основном это были работы, направленные на фундаментальное понимание молекулярных связей. У наших экспериментов было прикладное применение: мы говорили, что изучаем урансодержащие молекулы, чтобы оптимизировать утилизацию ядерного топлива. Но фундаментальная составляющая была для меня более важна. И более интересна. С тех пор меня постоянно мотает: из прикладной науки в фундаментальную и из физики в химию. Сейчас у меня очередной фундаментальный этап. Знаете, наверное, можно аргументировать, что фундаментальная наука важнее прикладной, которую можно считать конечным этапом научного развития: ты уперся в проблему лбом и решаешь ее. А фундаментальная – это когда ты в центре вселенной, а куда дальше приведут тебя твои открытия, никто не знает. И все дороги открыты.
Возвращение домой и вера в чудеса
Вы разрушили один из главных стереотипов нового времени и вернулись из США, где созданы более комфортные условия для занятия наукой, в Россию. Что вами двигало?
Я всегда хотел вернуться: уезжая в Америку, я не планировал там оставаться. Просто хотел получить образование и опыт. К тому же здесь мне здесь предложили участие в интересном проекте – создании экспериментальной установки. Я преподаю, взаимодействую со студентами и передаю им свой опыт. Наверное, я бы мог найти работу и отлично устроиться в Штатах, но мне хотелось пригодиться здесь.
О чем вы мечтаете?
Из-за своей сложной траектории в науке, я зацепил несколько разных интересных направлений, поэтому мне бы хотелось развивать некоторые идеи и проекты в этих сферах. Получить финансирование для создания новых экспериментальных установок – я все-таки больше экспериментатор, а не теоретик. Я мечтаю создать новые научные направления и развивать их, хочу оставить некую научную школу за собой – пожалуй, типичные мечты для ученого моего возраста.
Верят ли ученые в сказки и чудеса?
Конечно да! Знаете, у меня был интересный опыт во время работы в США. Когда я работал в Северо-Западном университете на физическом факультете, несколько профессоров – с хорошим мировым именем! – в нем были сильно верующими христианами. И, глядя на них, я понимал, что конфликта между научным и религиозным познанием у них нет. И быть не должно: способы познания у науки и религии разные. Это осознание, конечно, не сделало меня верующим, но есть вещи, которые наука объяснить не в состоянии. Есть вещи, которые людям проще понимать с помощью веры. И я отношусь к этому с пониманием.
А дальше – это главное!
Что вы можете сказать о том, куда движется человечество? Каких технологических прорывов можно ждать в ближайшее время?
Я вижу, что уже очень давно идет прогресс в информационной сфере, но при этом нет существенного прогресса в области новых источников энергии и новых способов передвижения. Во многом затык в этих областях связан с тем, что мы уперлись в пределы наших технологий, основанных на химических источниках энергии. А, чтобы добиться прогресса в этих областях, нам нужны новые материалы – все упирается в них. Взять, например, термоядерный синтез: чтобы это технология появилась – а ее появление решит множество проблем человечества – нужны материалы, способные выдерживать громадный поток нейтронов. И не просто выдерживать, а поглощать эти нейтроны и переводить их энергию в тепло. Пока таких материалов нет. И прогресса тоже. Есть интересные области, связанные с квантовыми вычислениями и компьютерами. Она сейчас активно развивается, но момент, когда появится квантовый компьютер не находится в ближайшем будущем.
Но ведь появление новых материалов и квантовых компьютеров кроме всего прочего изменит привычный жизненный уклад? Те же пароли например потеряют свой смысл.
Это не самое важное – быстро появится новая система кодировки, которая будет базироваться на других принципах. Квантовые компьютеры важнее по другим причинам: в 80-е годы поздний Ричард Фейнман объяснил, зачем человечеству квантовые вычисления. Если мы хотим предсказывать свойства веществ, материалов и новых лекарств, нам нужны способы, которые будут использовать не стандартную двоичную структуру, а кубиты – биты, которые могут находиться в суперпозициях и учитывать не просто вклад каждого, но и относительную фазу. А когда мы начинаем использовать классическую двоичную структуру, то быстро упираемся в нехватку памяти, чтобы сохранить объем информации, который нужен даже для описания небольших молекул. Обычную аминокислоту мы сейчас можем посчитать только очень приблизительно, а квантовый компьютер позволит резко повысить точность расчетов. А еще он позволит предсказать свойства нового материала, что позволит перенести исследования из лабораторий в квантово-вычислительный центр и ускорить прогресс и скорость разработки новых веществ и лекарств. Но с квантовыми компьютерами пока больше шума, чем дела.
А что вы скажете о межпланетных путешествиях, о которых говорит Илон Маск?
Ну, мы же уже запускаем межпланетные космические аппараты – это сложная техническая задача, но она решаема. А, если говорить о пилотируемых полетах, мне кажется их давно бы уже запустили, если бы не было возможности решать какие-то задачи без участия человека. Запустить на Марс человека можно. Но зачем? Это опасно и есть множество проблем, которые связаны с длительностью перелета и воздействием радиации. Это лотерея буквально – запустить человека в космос на год, зная, что пока он будет лететь до Марса доза радиации может стать смертельной. Представьте: экипаж корабля десять человек и один из них точно умрет от лучевой болезни. Риск велик. В прошлые века подобные риски не останавливали искателей приключений. Но времена изменились и стоимость человеческой жизни выросла.
Скажите как физик и химик: разговоры о глобальном потеплении – это очередная страшилка или нас ждет коллапс?
Глобальное потепление – это такая большая и сложная концепция, у которой много проявлений в самых различных областях. Эта концепция основана на том, что концентрация углекислого газа в атмосфере последние примерно лет семьдесят растет. И растет практически линейно – это объективный факт. Этот рост многие связывают с деятельностью человека и у такого мнения есть основания. А к чему приводит рост концентрации углекислого газа? К тому, что часть теплового излучения Земли перенаправляется обратно, а в космос излучается меньше тепла. То есть к тому, что видимая из космоса температура Земли постоянно снижается и это приводит к повышению средней температуры на планете. А дальше интересно: существуют механизмы, которые не очень хорошо изучены. Это всевозможные виды обратных связей, которые разделяют на отрицательные и положительные. Например, отрицательная обратная связь означает, что если у вас подрастает температура на планете есть некий механизм, который этот рост компенсирует. А положительная обратная связь – наоборот, поднимает температуру, если она растет. Именно баланс этих механизмов в конечном итоге определит, насколько разрушительным и опасным может быть повышение температуры. Некоторые ученые считают что небольшой рост средней температуры планеты ни к чему особо не приведет. Но есть и противоположная точка зрения: положительные обратные связи кратно повысят скачок температуры на Земле. Если это произойдет, нас ожидают довольно тяжелые последствия и часть суши может стать непригодной для жизни. Так что говорить о том,что за глобальным потеплением ничего не стоит все же нельзя: на него нельзя не обращать внимания.
А что самое интересное в вашей работе?
Для меня самое интересное – понимать, как что-то устроено и как крутятся шестеренки мироздания. Та область физической химии, которой я занимаюсь, сильно математимизирована и мне очень интересно находить новые интересные математические соотношения для каких-то физических процессов и строить численные модели, основанные на эксперименте. Я все таки люблю, когда есть возможность сделать что-то руками, а не только в теории.
Фото: Михаил Денисов
