Почему редки драгоценные камни?

Высокая стоимость и редкость драгоценных камней связаны между собой, но обусловлены разными причинами. Редкость всегда объясняется условиями происхождения. Ценность определяется людьми.

Российское законодательство считает драгоценными камнями алмазы, изумруды, рубины, топазы, аметисты, бриллианты, сапфиры и александриты, а также природный жемчуг и янтарь. По химическому составу они совсем не уникальны. Большинство природных драгоценных камней всего лишь твердые соли, окислы и иные соединения различных металлов, молекулы которых организованы в упорядоченную структуру (кристаллическую решетку). Так, рубин, сапфир и изумруд — это оксид алюминия. Топаз — силикат алюминия. Гранат — сложный силикат, имеющий в составе алюминий, кальций, магний, железо, марганец и хром. Алмаз же — это чистый углерод, так же как и графит.

В природе кристаллы образовывались в течение миллионов лет, в глубине земной коры под давлением в сотни тысяч атмосфер и при температурах до 2000 °С. Это придало им уникальные свойства и красоту, привлекающие людей. Мест, где складывались такие условия, крайне мало, чем и объясняется редкость драгоценных камней.

Однако в начале ХХ века монополия природы была нарушена. В 1902 году французский инженер Вернейль синтезировал первый драгоценный камень, идентичный природному, — кристалл рубина весом 6 г. В нынешнее время в лабораториях синтезируют не только рубины, но и алмазы, сапфиры, изумруды и кварц. Синтезируются и камни, которые в природе не встречаются. Когда речь идет о лабораторных условиях, говорить о редкости не приходится.

Чем же объясняется драгоценность? Конечно, спросом. Редкая вещь не всегда ценна. В древние времена камни, так же как и золото, часто посвящались богам. Например, в Торе прямо сказано, что золото предназначено для украшения храма. Во многих религиозных традициях рай предстает в необыкновенном сверкании и свечении, земным эквивалентом которого служат самоцветные камни. Это придает им сверхъестественную значимость. Обладание драгоценным камнем переносило часть этой значимости на человека. За это можно было отдать много денег.

В наше время ценность камней отчасти дань древней традиции, отчасти выросший из нее престиж, отчасти красота, а отчасти обыкновенная техническая польза. Например, главными потребителями рубинов долгое время были часовщики. Впрочем, их устраивали и более дешевые искусственные рубины. Когда же речь идет о красоте, то для ювелиров и любителей драгоценностей природные самоцветы по-прежнему вне конкуренции.

Многие считают, что драгоценные камни наделены способностью влиять на жизнь людей и их здоровье. Научного подтверждения такая точка зрения не имеет. Однако люди все равно любят природные драгоценные камни за их уникальность и красоту.

Почему сахар сладкий?

Ответ на этот вопрос очень похож на ответ о том, почему мир разноцветный. Ощущение вкуса, в том числе и сладкого, — психический феномен. Как же он формируется?

Органами вкуса, выполняющими важную для всех живых существ функцию химического анализа, обладают многие животные. У разных существ они расположены в разных местах. Например, у рыб они на всем теле, хотя в основном сосредоточены на усиках ротовой полости. У человека, как и у всех млекопитающих, наибольшая часть вкусовых рецепторов расположена в ротовой полости, хотя они есть и на мягком нёбе, и в гортани, и в верхней части пищевода. Рецепторы реагируют на четыре основных вкуса — сладкий, горький, кислый и соленый. (Не напоминает три рецептора основных цветов?) Открыты также рецепторы вкуса жира, которые есть у крыс, и рецепторы вкуса крови, которые есть и у человека. От сочетания силы возбуждения рецепторов зависит итоговое вкусовое ощущение.

Элементарный вкусовой рецептор называется вкусовой почкой и представляет собой объединение нескольких десятков рецепторных клеток. Чтобы клетки могли реагировать на вещество, оно должно поступить к почке в растворенном виде, поэтому сухая пища не может иметь вкуса.

Вкусовые почки соединены во вкусовые луковицы. У взрослых людей в каждой луковице примерно 100 почек, а у молодых людей и у детей — примерно 200–250. От нескольких сотен до тысяч луковиц располагается на специальных сосочках языка. Луковица живет примерно 10 дней, потом заменяется новой.

Рецепторы распределены на языке неравномерно. На кончике языка сосредоточены рецепторы, реагирующие на сладкое, у корня — на горькое, на задних боковых поверхностях — на кислое. На соленое реагируют кончик и передние боковые части языка. Жесткой связи между вкусом и химическим составом вещества нет. Например, сладкой ощущается не только сахароза, но и спирты, сахарин, соли свинца и поваренная соль в малых концентрациях. Однозначно лишь формирование ощущения кислого вкуса, обусловленного реакцией рецепторов на свободные ионы водорода.

Работа рецепторов напрямую зависит от температуры. Слишком горячая еда лишена вкуса. Наиболее вкусной кажется пища температурой 15–35°С. Ощущение вкуса формируется вместе с ощущением запаха, поэтому при насморке пища воспринимается как безвкусная.

В последние годы, подражая природе, ученые начали разрабатывать искусственные рецепторы, в том числе и вкусовые, например электронный язык — дегустатор для контроля изготовления вина. Он ориентирован на восприятие веществ, отвечающих за формирование ощущений сладкого и кислого.

Таким образом, сахар сладкий потому, что под раздражающим действием раствора сахарозы возникает возбуждение в соответствующих вкусовых рецепторах. От них по волокнам вкусового нерва импульсы проводятся во вкусовую зону коры больших полушарий мозга, в результате их обработки и формируется окончательное вкусовое ощущение. Физиологические и психические механизмы формирования вкусового ощущения имеют много общего с механизмами формирования других ощущений.

Почему сердце бьется?

Долгое время в соответствии с мнением великого медика Галена считалось, что центром кровообращения служит печень, а сердце проталкивает по сосудам кровь, непрерывно поступающую к нему из кроветворных органов.

В 1628 году во Франкфурте была издана книга Уильяма Гарвея, замечательного и разностороннего английского ученого, основоположника современной физиологии и эмбриологии, в которой он доказал, что организм имеет замкнутый цикл кровообращения. Лишь почти через 300 лет датский физиолог Август Крог разобрался, что основная функция кровообращения — доставка тканям кислорода с помощью эритроцитов. Постепенно становилось понятно, что кровь переносит и другие вещества, в частности гормоны, а также лейкоциты и тромбоциты, необходимые для защиты организма. Без кровотока невозможно также регулирование теплообмена.

Гарвей объяснял, что по малому и большому кругам кровообращения кровь движется благодаря насосной функции, выполняемой пульсирующим сердцем. У здорового взрослого человека сердечная мышца в покое сокращается приблизительно 75 раз в минуту. При этом в кровеносные сосуды каждым из двух желудочков выталкивается около 80 мл крови. За сутки сердце совершает примерно 100 000 сокращений, перекачивая чуть менее 10 м3 крови. Это где-то половина производительности обыкновенного садового насоса. По разным оценкам сердце человека совершает работу в 10–15 тысяч килограммометров в сутки, на что расходуется около 100 ккал энергии, то есть 3–5% рациона.

Каждое сокращение сердечной мышцы обеспечивается за счет активности специальных электрических клеток, сконцентрированных на площади в несколько квадратных миллиметров в верхней части правого предсердия, в так называемом сино-аурикулярном узле. Всего этих клеток в узле 3–5 тысяч. Каждая из них в автоматическом режиме генерирует последовательность электрических импульсов с определенным периодом. За счет сложного взаимодействия работа клеток синхронизируется, и узел вырабатывает единый ритм. Получившийся единый электрический импульс по специальным нервным проводящим путям быстро и синхронно достигает всех волокон миокарда, возбуждая их одновременное сокращение. Синхронность возбуждения важна потому, что если бы часть волокон не была напряжена, как это бывает, например, при инфаркте миокарда, то расслабленный участок выпятился бы, давление в желудочке не поднялось бы до необходимого уровня, клапаны не смогли бы открыться, кровь не попала бы в сосуды.

Клетки сино-аурикулярного узла чувствительны к действию медиаторов, выделяемых нервными окончаниями, а также к действию иных веществ, поступающих через кровь. Это дает организму возможность управлять сердечным ритмом на самых разных промежутках времени — от мгновенного повышения частоты пульса при опасности или волнении до его регулирования в соответствии с фазой суточной активности. Сердечный ритм обычно меняется и в такт дыханию — учащается на вдохе и становится медленнее на выдохе.

Сердце — главнейшая часть системы кровообращения человека и животных. Природа сделала его удивительно совершенным, и пока человек не может повторить ее достижения. Поэтому лучше сердце беречь и вести здоровый образ жизни.

Почему слоны большие?

Должен начать с того, что поставленный вопрос — такой простой, на первый взгляд, — с научной точки зрения довольно некорректен, то есть прямой ответ на него не приблизит нас к сути дела. Так нередко бывает. Но многие научные открытия делались именно в трудных попытках ответить на подобные вопросы. Попробуем и мы.

И все-таки слоны действительно большие. Согласно научным данным, средний размер земных млекопитающих составляет чуть более 30 см. По этим меркам и человек — большое существо. Какие выгоды дает большой размер?

Во-первых, иначе строится обмен веществ и система питания. Помните, в детских книжках рассказывается, как много по отношению к своему весу должны есть маленькие птички и как мал промежуток времени, в течение которого они могут не есть? Крупное животное свободно от этой зависимости. Так повышается его мобильность.

Во-вторых, крупное существо меньше подвергается нападению хищников.

В-третьих, растет продолжительность жизни при одновременном уменьшении плодовитости. От этого усиливается забота о потомстве, а также взаимодействие и взаимо­по­мощь между животными. Развивается социальная органи­зация их жизни.

В-четвертых, вместе с размером тела растет мозг.

Перечисленных преимуществ оказывается достаточно для благополучного выживания. Казалось бы, надо увеличивать и увеличивать размер.

Однако механического увеличения размеров животного быть не может. При большом росте сильно усложняются и упрочиваются скелет и суставы, развивается мышечная система, совершенствуется управление движениями. Из-за ограничений, диктуемых законами физики и химии, эти усовершенствования не могут быть беспредельными. При этом все эти конструкции приходится специализировать по отношению к тому образу жизни, который ведет животное. Формируются и ограничения в поведении и образе жизни, а это уже обратная сторона полученных преимуществ. Так в результате отбора согласуются размеры и формы животного вида со способами его выживания в окружающей среде.

Самое мелкое существо на Земле — микоплазма — имеет массу 10–13 г, а самое крупное — голубой кит — весит около 100 т (108 г). Разница составляет 21 порядок. Это поистине космическая величина. Она, собственно, и предопределяет богатство форм жизни.

Так наука отвечает на вопрос о связи между размерами животного, устройством, работой его организма и способами выживания в окружающей среде. Примерно так и называется одна из классических книг крупнейшего американского физиолога норвежского происхождения Кнута Шмидта-Нильсена «Размеры животных: почему они так важны?».

Житейский же вопрос о том, почему слоны большие, мы задаем потому, что слоны больше нас. Но и мы, оказывается, довольно крупные млекопитающие. И наш размер, так же как и размер слонов, соответствует найденной нами нише выживания.

Зачем собакам нужен хозяин?

Убеждение, что собакам нужен хозяин, основано на часто (но не всегда!) наблюдаемой привязанности и преданности собак, а также на том, что сам человек воспринимает себя как хозяина. Но хозяин — это чисто человеческая, социально-психологическая категория, и она не может быть автоматически перенесена на собак, поскольку социально-психологическая жизнь собак сильно отличается от человеческой. Точный ответ на этот вопрос дают науки, называемые зоопсихологией и этологией.

Основоположником зоопсихологии стал знаменитый русский дрессировщик Владимир Дуров. Он создал совершенно новый метод дрессировки, основанный на развитии способностей и склонностей животного к различным действиям. Для этого Дуров изучал психологию разных животных и способы их поощрения. Потом из этих действий конструировал сценки, которые зрители интерпретировали в своих привычных понятиях и обычно смеялись или умилялись. Со временем Дуров начал читать лекции по зоопсихологии.

Этологию же, науку о поведении животных, создал австрийский ученый Конрад Лоренц, лауреат Нобелевской премии 1973 года. Основы этологии Лоренц заложил в работах, выполненных незадолго до Второй мировой войны. Он продолжал работать над ними и во время службы в армии, и даже в советском плену. Там ему приходилось писать гвоздем, смоченным в растворе марганцовки, на бумаге от цементных мешков. Но самое поразительное, что эти записи ему (в такое-то время!) позволили вывезти из Советского Союза.

Вот как Лоренц объясняет все многообразие собачьих характеров, основанных на двух разных источниках преданности. В истории было два периода одомашнивания собак. Древние домашние собаки восходят к шакальим. Их приручение привело к тому, что зависимость щенка от матери, характерная для детства, стала распространяться на всю собачью жизнь. Собака из шакальих воспринимает своего хозяина как родителя.

Второй, более поздний период одомашнивания связан с продвижением человека на север. В это время его уже сопровождают зависимые от него домашние собаки. За счет скрещивания в их жилы попадает кровь волчьих. Это многое меняет.

В детстве их преданность имеет ту же природу, что и у шакальих, — зависимость от родителя. Когда наступает взросление, эта зависимость проходит, и вот уже время вписаться в стаю. Волки, в отличие от шакалов, не едят падаль, они охотники и вне стаи выжить не могут. Поэтому волк должен либо стать вожаком, либо подчиниться и стать беззаветно преданным вожаку и безоговорочно поддерживать членов стаи, соблюдая, однако, иерархию. Собака с преобладанием волчьей крови воспринимает хозяина либо как вожака (если он сумеет занять такую позицию в переходном возрасте собаки), либо как члена стаи с иерархией выше или ниже собачьей.

Когда мы решаем завести собаку, должны задуматься, какую роль нам предстоит играть. Сможем ли быть заботливым, терпеливым родителем? Сможем ли стать вожаком? Справимся ли с этой ролью? Какое место в иерархии достанется нашим близким?

Таким образом, точный ответ на вопрос, зачем собаке нужен хозяин, таков: ей нужен либо заботливый родитель, либо вожак. В этом случае и человек сможет чувствовать себя хозяином собаки. Если же ему достанется лишь статус члена стаи, то почувствовать себя хозяином вряд ли получится.

Почему спички горят?

Вообще-то, горят не только спички. Мы знаем, что горят и толстые поленья, и тоненькие нитки. Но нитка легко гаснет. Правда, и толстое полено легко гаснет, но причины этому совсем разные.

Дело в том, что горение — это химическая реакция соединения вещества (в данном случае — органического) с кислородом. И чтобы реакция началась, нужно, чтобы горючее вещество было подогрето до определенной температуры. Например, бумага загорается при температуре примерно 260°С. Если мы поджигаем ниточку, она легко гаснет, потому что дуновение ветра уносит тепло и соседний участок не успевает нагреться до температуры воспламенения. Из-за этого реакция горения прекращается. И толстое полено не горит потому, что собственного тепла не хватает для его прогрева, так как отношение площади его поверхности к объему недостаточно велико. И лишь в определенном диапазоне размеров и свойств горючего вещества пламя может непрерывно поддерживаться и распространяться вокруг горючего стержня.

Спички были изобретены во Франции в 1805 году. Главной проблемой оказалось подобрать удобную химическую реакцию, при которой выделяется достаточно тепла для воспламенения деревянной палочки. Поначалу головку спички, сделанную из бертолетовой соли и сахара с камедью, предлагалось макать в пузырек с концентрированным раствором серной кислоты. Это было неудобно и опасно. Потом в 1827 году английский аптекарь Джон Уолкер придумал серные спички, которые зажигались о наждачную бумагу, а в 1866 году появились безопасные «шведские» спички, использующие красный фосфор.

О пропорциях деревянной палочки никто особенно не задумывался. А между тем процесс горения не так прост. Если мы повернем спичку так, чтобы пламя было внизу, оно будет продвигаться быстрее, чем на спичке пламенем вверх. Это связано с тем, что кислород по-разному поступает в зону горения.

Теоретическое исследование процессов горения сделал академик Яков Зельдович во время работы над атомной бомбой. Он был выдающимся и многосторонним ученым, хотя и не имел официального высшего образования. За работы по атомной тематике он получил три звезды Героя Социалистического Труда.

Примерно в то же время английские биофизики Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, отслужившие всю войну в армии, работали над изучением распространения нервного импульса в гигантском аксоне кальмара. Они получили очень похожие уравнения. Это открытие в 1963 году было удостоено Нобелевской премии.

С физической точки зрения процессы горения и распространения нервного импульса оказались очень близкими: нерв­ный электрический импульс распространяется по нервному волокну, как огонек по спичке или бикфордову шнуру. Но главное чудо оказалось в том, что работа ансамблей нервных клеток в мозгу также подчиняется похожим, хотя и несколько более сложным уравнениям. Оказалось, что процессы, определяющие переработку информации в мозгу, имеют много общего с процессами горения.

Мы задумались о такой простой вещи, как горение спички. Чтобы спичка горела, необходимо соблюдать определенные пропорции между ее диаметром, концентрацией кислорода в окружающей среде, теплотворностью горючего материала и общей теплопроводностью воздуха и материала спички. Но оказалось, что эти сведения важны и для понимания процессов переработки информации в нервной системе и мозге. Так уж удивительно устроен мир, и такая вот не­ожиданная вещь — наука.