Проблемы и достижения естественных наук

1. Клонирование животных. В 1996 г. появилась на свет клонированная овечка Долли. В полном соответствии с образным выражением: «Нужда рождает изобретение, изобретение – две нужды» – появился ряд проблем, связанных с продолжительностью жизни и здоровьем клонированных животных. 250 других клонированных животных погибли сразу после рождения, а овечка Долли была усыплена в 1996 г. в связи с заболеваниями костей.

В 2004 г. в США появился клон животного, произведенного на коммерческой основе. Это был Литтл Ники, по всей видимости самый дорогой котенок в мире. Он стоил хозяйке 50 тыс. долларов.

2. Клонирование отдельных органов.

Хирург-трансплантолог доктор Джей Ваканти из Массачусетского госпиталя в Бостоне вырастил в 1997 году на спине у мыши человеческую ушную раковину.

В 2002 г. доктор Джей Ваканти представил проект создания искусственной печени, пронизанной кровеносными сосудами, и уже опробовал на крысах.

3. Расшифровка генотипа человека.

Число генов в генотипе человека составляет около 32 ¸ 35 тыс., расшифровано только около 500, которые обеспечивают все важные процессы организма. Непонятно: зачем такое большое количество генов?

Фото 7. Молекула ДНК

ДНК– представляет собой двухцепочечный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие одно из азотистых оснований, дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны и соединены друг с другом водородными связями по принципу комплементарности. Двойная спираль, открытая в 1953 г. Уотсоном и Криком, содержит шаг размером 3,4 нм, включающем 10 пар комплементарно связанных оснований.

В 2006 году Эндрю Файер и Крейг Меллоу получили Нобелевскую премию за открытие РНК-интерференции – глушение генов «с помощью двухцепочечной РНК». Интерференция – наложение когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение световой энергии в пространстве. В результате в одних местах получается усиление освещенности поверхности (увеличение световой энергии, в других – уменьшение (гашение)). В данном случае использована аналогия гашения световой энергии при интерференции и «глушения» отдельных генов РНК с помощью привносимой РНК.

Механизм РНК-интерференции, то есть «глушения» информационной РНК, мешает синтезированию кодируемого ДНК-белка. Этот механизм является защитным, предохраняющим клетку от РНК-вирусов и мобильных генетических элементов. Он может быть использован для блокирования нежелательных генетических проявлений. Так, недавние эксперименты на животных показали, что с помощью двухцепочечной РНК можно «погасить» ген, обусловливающий, например, высокий уровень холестерина в крови.

4. Генетически модифицированные продукты. Выращены генетически модифицированные растения: огурцы, помидоры, пшеница и т.д. (GM – генетически модифицированный продукт). Обнаружено вредное воздействие на человека этих продуктов. В России принят закон о необходимости обязательной маркировки GM-продуктов.

5. Академик, В.Л. Гинзбург Нобелевский лауреат, в 1999 году указал тридцать наиболее важных и интересных проблем физики и астрономии. Мы укажем те из них, с которыми в какой-то степени связан информационный материал данного курса:

1. Управляемый ядерный синтез.

2. Высокотемпературная и комнатно-температурная сверхпроводимость.

3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.

4. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.

5. Фуллерены. Нанотрубки.

6. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.

7. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.

8. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W^±- и Z⁰-бозоны.

9. Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.

10. Экспериментальная проверка общей теории относительности.

11. Гравитационные волны, их детектирование.

12. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.

13. Черные дыры. Космические струны.

14. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

15. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирование.

Что касается термоядерного синтеза, то в ноябре 2006 года достигнута договоренность о начале строительства международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor).

Соглашение о создании международной организации ИТЭР подписали представители России, Европейского союза, Китая, Индии, Республики Корея, США и Японии («Поск», № 47 (913), 24 ноября 2006 г.).

Реактор будет сооружен в Кадараше (Франция) через 10 лет. Расчетная термодинамическая мощность ИТЭР составляет 500 МВт.

Как известно, термоядерный реактор использует энергию синтеза ядер изотопов водорода. Изотопы выгорают, не оставляя радиоактивных отходов. Реакция идет в высокотемпературной плазме (~ 10⁸ К). При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.

Сложность в создании реактора, работающего на термоядерном управляемом синтезе, заключается в удержании плазмы в рабочей области. Это осуществляется сильными магнитными полями специальной формы. Наибольшая энергия выделяется в реакциях:

(Q = 17,6 МэВ),

(Q = 22,4 МэВ),

1 МэВ (мегаэлектронвольт) = 1,6×10^–13 Дж.

6. Открытие десятой планеты.

В Солнечной системе открыта новая планета, которая названа Седна. Она движется вокруг Солнца по своеобразной орбите, отличной от других орбит планет Солнечной системы. Радиус ее невелик, порядка 2000 км. Происхождение ее пока неизвестно. Предполагают, что Седна могла образоваться в Солнечной системе, либо оказалась захваченной из другой Системы.

Фото 8.

7. Открытие антивещества. В 1998 г. в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований, г. Женева) в ускорителе было получено 9 антиядер водорода. При аннигиляции вещества и антивещества выделяется огромное количество энергии, и это может служить новым источником энергии на Земле (оружием огромной разрушительной силы).

8. Под руководством академика Басова и Прохорова созданы оптические квантовые генераторы (лазеры). Они являются мощным источником излучения, способным осуществить термоядерную реакцию.

9. Под руководством академика Курчатова создана атомная энергетика. Благодаря этому, Россия получает заказы на строительство атомных электростанций в других странах.

10. Открыты жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы – это промежуточное состояние вещества между жидким и твердым состоянием. Широко применяются в компьютерной технике.

11. Открытие фуллеренов. Фуллерены представляют собой полые внутри кластеры, замкнутая поверхность которых образована правильными многогранниками из атомов. Фуллерены – это новая форма углеродов. Молекулы их состоят из 28 ¸ 240 атомов углерода С₁₂. Свое название они получили в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, создавшего геодезические дома-куполы из пяти-, шестиугольников.

Ричард Бакминстер Фуллер получил 25 американских патентов и множество почетных докторских научных степеней, был лауреатом 47 международных и американских почетных премий в области архитектуры, дизайна, инженерии, изящных искусств и литературы. В 1970-е он являлся признанным гуру дизайна и архитектуры.

С их помощью можно выращивать новые кристаллы, создавать новые органические молекулы и материалы с заданными электронными, магнитными, оптическими свойствами. Например, новые катализаторы, высокоселективные адсорбенты, классы сверхпроводников, полупроводников, магнетиков и т.д. Фуллерены могут быть использованы для сверхплотной записи информации, покрытия поверхностей. Самолеты с покрытой фуллереном поверхностью становятся практически невидимыми для лазерных радаров (самолеты «Стелс»).

Самая поразительная способность фуллеренов – это целенаправленное выращивание химическими методами микрочипов размером с нейрон (в пробирке). В перспективе это означает создание карманных суперкомпьютеров. Кроме того, фуллерены используются для создания лекарств против некоторых форм рака.

12. Унификация информационных технологий. Сотовая связь. Информационная технология включает процессы: сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей информации, необходимой для информационного обеспечения деятельности.

Современные технические средства информационных технологий включают широкий спектр вычислительных устройств – от многочисленных персональных компьютеров с оперативной памятью в десятки Гбайт до уникальных мощных суперкомпьютеров с оперативной памятью более 600 Гбайт и общей производительностью, превышающей 3000 млрд операций в секунду.

Создание современных типов компьютеров стало возможным благодаря достижениям естественных наук в области микроэлектроники и нанотехнологий (электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов).

Основу электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры. В узлах объединено большое число миниатюрных, связанных между собой элементов. По мере развития микроэлектроники уменьшаются размеры содержащихся в интегральной схеме элементов, повышается степень интеграции.

В последнее время разрабатываются интегральные схемы, размеры элементов которых определяются нанометрами (10^–9 м), то есть зарождается наноэлектроника.

Достижения в микроэлектронике используются при создании космических кораблей, управляемых ядерных реакторов, аудио- и видеоаппаратуры и др. С помощью компьютерных сетей, объединяющих набор соединительных между собой компьютеров, коммуникационных устройств и каналов связи, создается глобальная компьютерная сеть – Интернет.

Развитие микроэлектроники позволило создать мобильные телефоны и сотовую связь.

Принцип действия сотовой связи. Основные составляющие сотовой связи – это мобильные телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включенным, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу или по цифровому. Если телефон выходит из поля действия базовой станции, он налаживает связь с другой (handover – англ.).

Большинство современных сотовых телефонов могут работать в нескольких стандартах, что позволяет пользоваться услугами роуминга в разных сотовых сетях. Сотовые сети также могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить ее покрытие.

Зона покрытия одной базовой станции называется сотой. Сотовая связь есть лишь в тех местах, где есть связь с базовой станцией.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

В 2002 году выпущен первый сотовый телефон с поддержкой EDGE – Nokia 6200 (Nokia 6220).

В 2002 году выпущен первый сотовый телефон с встроенной цифровой камерой – Samsung V200.

Первый сотовый телефон с внутренним OLED-дисплеем был выпущен фирмой Sanyo.

Первый сотовый телефон с внешним OLED-дисплеем Fujitsu F504i.

Устройство сотового телефона. В пластмассовом корпусе маленького телефона, кроме аккумулятора, держателя карточки SIM и дисплея, деталей немного. Печатная плата, несколько распаянных на ней микросхем, встроенная приемно-передающая антенна, клавиатура (самая обычная «резинка» с пластмассовыми клавишами), световые индикаторы, еще крошечный фотомодуль в камерофонах – с пластмассовыми линзочками объектива и очень маленькой светочувствительной матрицей, спрятанной в корпусе модуля (сенсор намного меньше, чем в самом дешевом цифровом фотоаппарате, размером с рисовое зерно).

Впрочем, не будем забывать, что сотовая связь одна из последних (вместе с персональным компьютером и Интернетом) великих технологий прошлого века. Люди уже побывали на Луне, посадили на Венеру автоматический зонд, опустились на дно глубочайшей в мире Марианской впадины, создали огромные воздушные и автомобильные транспортные системы, открыли строение атома и взорвали ядерную бомбу, а маленький радиотелефон с неограниченной зоной действия оставался лишь мечтой.

13. Открытие плазменных кристаллов. Открыты плазменные кристаллы, которые можно получить только в Космосе. На Международной космической станции (МКС) из радиоактивной пыли получают особый вид кристаллов, который может быть использован для ликвидации ядерных отходов. В земных условиях получение этих кристаллов невозможно из-за действия силы гравитационного притяжения.

14. Прототип «шапки-невидимки». Группе британских и американских ученых удалось создать приспособление, которое как само может быть невидимым, так и скрывать находящиеся под ним предметы и даже людей. Приспособление состоит из десяти стекловолоконных колец, покрытых специально обработанной при помощи нанотехнологий медью. Благодаря использованию явления полного внутреннего отражения, прибор обладает способностью изменять направление светового потока и тем самым лишать наблюдателей возможности видеть находящиеся в поле зрения объекты. Явление полного внутреннего отражения заключается в следующем: если направить свет из среды с большим показателем преломления n₁ (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n₂ под углом, равным предельному углу падения i_пред (рис. 41), то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего.

Таким образом, при углах падения в пределах от i_пред до p/2 падающий луч не преломляется, а полностью отражается обратно в первую среду.

15. Полеты к другим планетам. На другие планеты были направлены космические корабли: на спутник Юпитера – Титан, на Венеру и Марс. Несколько марсоходов исследуют поверхность Марса. Найден минерал, который создается только при наличии воды. Отсюда делается вывод о том, что на Марсе когда-то была вода.

Фото 11. Межпланетный космический корабль

16.Изменение генофонда в Китае.В китайском г.Чунцин методом генетических проб отберут 50 самых талантливых подростков, из которых будут растить гениев. Принятие заявок на участие в генетическом конкурсе началось в 2009 году.

Пробы возьмут у тысячи подростков и направят в Шанхай, где специалисты оценят конкурсантов по 13 параметрам – в том числе по уровню интеллекта, эмоций и спортивных возможностей. Победители конкурса будут обучаться в специальном «Детском дворце».

17. Телескоп «Гершель» и обсерватория «Планк» запущены в космос. Крупнейший из когда-либо запускавшихся за пределы Земли телескоп «Гершель» отправился в космос в 2009 году с космодрома Куру во французской Гвиане. На орбиту «Гершель» выведет ракета-носитель Ariane-5. Помимо телескопа на борту ракеты находится космическая обсерватория «Планк». Орбиты аппаратов будут проходить на высоте 1,5 млн. километров.

Диаметр главного зеркала «Гершель» составляет 3,5 метра. Это в 1,5 раза больше, чем у самого знаменитого орбитального телескопа «Хаббл». «Гершель» будет работать в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, что позволит телескопу «видеть сквозь облака пыли и газа», которые осложняют обзор неба в оптическом диапазоне. Одна из основных задач миссии «Гершель» – изучение «новорожденных» звезд.

Орбитальная обсерватория «Планк» будет работать в микромиллиметровом диапазоне. Этот аппарат предназначен для изучения космического микроволнового фонового или реликтового излучения. Считается, что реликтовое излучение сохранилось во Вселенной со времен Большого взрыва, как это уже указывалось ранее.

Финальная орбита аппарата «Гершель» будет расположена на расстоянии 800 тысяч километров от второй точки Лагранжа, а аппарат «Планк» планируется вывести на так называемую орбиту Лиссажу с амплитудой в 400 тысяч километров. Радиус обращения «Планка» вдвое меньше, чем радиус орбиты «Гершеля», поэтому инженеры проведут ряд действий, чтобы сократить радиус вращения аппарата.