Панорама современного естествознания

I. Панорама современного естествознания.

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Мощным стимулятором для развития науки и техники стали мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США. Развитые промышленные страны начали выделять большие средства на развитие системы образования, подготовку и воспроизводство научных кадров. Существенно расширилась сеть научно-исследовательских учреждений, финансируемых как государством, так и частными компаниями.

Наука в XX столетии перестала быть частным делом, каковой она была в XVIII—XIX вв., когда ее развивали любознательные самоучки: адвокаты, священники, медики, ремесленники и т. д. Наука становится профессией огромного числа людей. Современные исследования показывают, что развитие науки может быть выражено экспоненциальным законом. Объем научной деятельности удваивается каждые 10−15 лет. Это проявляется в ускорении роста количества научных открытий и объема научной информации, а также числа людей, занятых в науке. В результате — феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

1. ФИЗИКА МИКРОМИРА И МЕГАМИРА

1.1. Атомная физика

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали, что:

химические атомы каждого элемента неизменны, и существуют столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время — примерно 70);

атомы данного элемента одинаковы;

атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса;

взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона (1897 г.), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становит-ся важнейшей задачей физики XX в.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона, было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны — нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны — нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22— 10 -24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино — античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие.

Различают четыре вида взаимодействия.

Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около (10 -13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.

Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10 -15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.

Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие классы:

1. Фотоны — кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos — легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают силь-ным взаимодействием, но учасвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд — также и в электромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Барионы (от греч. berys — тяжелый), в состав которых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.

Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыс-кивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».

Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе.

Приблизительно в 1963;1964 гг. появилась гипотеза о существовании кварков — частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента.

2. У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы).

3. Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Таким образом, физика XX в. давала все более глубокое обоснование идеи развития.

1.2. Астрофизика. Релятивистская космология

Современная космология начала складываться в 20-е гг. XX в. на основе созданной Эйнштейном общей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская. Еще в 1922 г. советский математик и геофизик А. А. Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Уравнения Фридмана теоретически обосновали нестационарность Вселенной. На этот вывод ученые не обращали внимание вплоть до открытия американским астроном Эдвином Хабблом (1889—1953) в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело в том, что еще в XIX веке австрийский физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил, что если источ-ник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется — в сторону более длинных (красных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких источников света. Красное смещение оказалось пропорциональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расширении видимой части Вселенной. Тем самым теоретически построенные Фридманом модели нестационарной Вселенной были обоснованы результатами наблюдений.

Существует два различных типа моделей Фридмана.

Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той лее критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае конечна, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расши-рение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности.

В 1965 г. американские ученые-астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон сделали с помощью радиотелескопа — устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, — открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное советским ученым И. С. Шкловским ре-ликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд лет.

Два экспериментально установленных положения — расширение Вселенной и реликтовое излучение — являются убедительными доводами в пользу так называемой теории «большого взрыва», ставшей теперь общепризнанной.

До утверждения этой теории существовала теория стационарного состояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII—XIX вв. и даже в первой половине XX в. в астрономии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто статическое, не изменяющееся.

Основываясь на теории расширяющейся Вселенной, оказалось возможным проследить развитие Вселенной в «обратную сторону», т. е. попробовать вернуться возможно дальше назад. Хотя осуществить такую реконструкцию было далеко не просто, но все же она оказалась успешной.

По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд. градусов К (1011 К). При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной, в 4000 млн. раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (109 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Как следует из сказанного, за последние примерно 50 лет достигнуты значительные результаты в изучении звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции.

2. ДОСТИЖЕНИЯ В ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлением электронных схем.

Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Органическая химия — наиболее крупный раздел химической науки. Если число известных неорганических веществ исчисляется тысячами, то органических веществ известно несколько миллионов. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году СВ. Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1936 г. У. Карозерс синтезирует «найден», открыв новый тип синтетических полимеров — полиамиды. В 1938 г. Р. Планкет случайно открывает тефлон, создавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной термостабильностью, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химической и электротехнической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полимеров).

Начавшиеся в 30−40-е гг. широкие исследования фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологически активных соединений — лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений и др.

Химия красителей практически дала начало химической индустрии. Например, химия ароматических и гетероциклических соединений создала первую отрасль химической про-мышленности, продукция которой ныне превосходит 1 млрд. тонн, и породила новые отрасли — производство душистых и лекарственных веществ.

Проникновение органической химии в смежные области — биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство — привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредителями.

Ощутимые результаты дает применение математического моделирования. Если нахождение какого-либо фармацевтического препарата или инсектицида требовало синтеза 10— 20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается, лишь в результате синтеза нескольких десятков соединений.

Роль органической химии в биохимии трудно переоценить. Так, в 1963 г. В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действием), брадикикин (обладает сосудорасширяющим действием). Разработаны полуавтоматические методы синтеза полипептидов (Р. Мерифилд, 1962).

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Корана, 1976). В 1977 г. синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 78-м — ген соматостатина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).

Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая химия последних десятилетий характеризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (использует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов; наряду с этим широко используются физические методы исследования — рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других материалов высокой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химико-спектральный анализ и др.

Современная химия предстает перед нами как исключительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важнейшим стратегическим ориентиром этого процесса является все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.

3. БИОЛОГИЯ XX в.: ПОЗНАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО УРОВНЯ ЖИЗНИ

3.1. Предпосылки развития современной биологии

Современная биология основывается на тех достижениях, которые были сделаны в этой науке во второй половине XIX в.: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И. И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И. М. Сеченова и И. И. Павлова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала XX в., но уже выполненные их выдающимся автором.

XX в. явился продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. В 1900 г. голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848−1935), немецким ученым-ботаником К. Э. Корренсом (1864−1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871−1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857−1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК)

— высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК — носитель всей наследственной информации организма.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866— 1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т. е. их клетки (за исключением по-ловых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно назы-вают естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуциро-ванные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867—1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890—1967), работавший в течение 1933—1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность, которым Дарвин придавал большое значение, получили более глубокое толкование.

Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволюции живо-го мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.

3.2. Молекулярная биология

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, скорость его резко возросла.

У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е г. почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 г. О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеи-новой кислоте).

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разработанную в 1951 г. Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плоской, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены.

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих ви-русов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики — исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е гг. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как неживой.

В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию и связанные с этим нравственные, правовые и религиозные проблемы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим образом.

1973 г. — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали катего-рические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США.

1978 г. — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».

1997 г. — 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — знаменитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.

1997 г. — в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести овец, полученных по рослинскому методу. Три из них, в том числе и овечка Долли, несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанавливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несвертываемостью крови.

1997 г. — чикагский физик Сиди объявляет о создании лаборатории по клонированию людей: он утверждает, что отбоя от клиентов у него не будет.

1998 г., начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной телочки.

Все это открывает уникальные перспективы для человечества.

Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции отторжения и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь из-за заболеваний пожилого возраста (изношенное сердце, больная печень и т. д.).

Самый наглядный эффект клонирования — дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обреченными оставаться без потомков.

3.3. Расшифровка генома человека

Первоначально (в 1988 г.) средства на изучение генома человека выделило министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.

В 1990 г. Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здоровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Национальный институт исследования генома человека (NHGRI, директор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 г. ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил, о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно — TIGR, или ТИГР).

Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гонка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 г. британский «Белком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный благотворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн. фунтов стерлингов (примерно 167 млн. долларов) нескольким английским лабораториям, за-нимающимся исследованиями генома человека, из них 77 млн. долларов было выделено на 1999 г. Сэнгеровскому центру в Кэмбридже.

При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 г. предполагалось, что точность исследования генома составит 99,99%. Потом сроки подвинули, основываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90% -ой точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 г.

2 декабря 1999 г. журнал «Nature» обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва в исследовании генома человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и американских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых маленьких) — хромосомы 22.

На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил журнал «Science» со ссылкой на газету «Ле Монд» от 14 мая 1999 г., французское правительство решило в этот момент «впрыснуть» дополнительно 330 млн. долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври.

В июне 1999 года Германия, которая до этого выделяла явно недостаточно средств на исследования генома человека (всего 23 млн. долларов в год, начиная с 1996 г.), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было отпущено 550 млн. долларов. В ноябре — декабре 1999 г. стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома человека до 280 млн. долларов.

13 июля 1999 г. об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило правительство Японии.

То, что участвовавшая в начале создания международного проекта «Геном человека» Россия фактически приостановила свой вклад в него, можно рассматривать однозначно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отношении на скатывание на уровень второстепенных государств, обреченных на экономическую зависимость в будущем от тех, кто вложил средства в эту перспективную научную область.

Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005—2010 гг.). Уже в канун нового, XXI в. были достигнуты сенсационные результаты в деле реализации указанного проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысячи).

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информацию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10−15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень трансплантология, получат развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.

Выводы

Научные исследования физических, химических, биологических явлений, проводившиеся в XX в., существенно расширили, углубили прежние представления о структуре и свойствах материи.

Если на рубеже XIX и XX вв. была известна лишь одна элементарная частица — электрон, то на рубеже XX и XXI вв. количество известных элементарных частиц исчисляется сотнями. Во второй половине XX в. было выяснено, что элементарные частицы, образующие ядра атомов, сами обладают внутренней структурой и состоят из «еще более элементарных» частиц — кварков.

Наряду с успехами в исследовании микромира современная наука имеет значительные достижения и в познании мегамира. В XVIII—XIX вв. и даже в первой половине XX в. господствовала теория стационарной Вселенной, которая представлялась статичной, не изменяющейся в пространстве. Такое понимание во второй половине XX в. было отброшено и заменено теорией расширяющейся Вселенной.

Современная астрофизика внесла много нового в понимание эволюции звезд, открыла совершенно новые, неизвестные ранее космические объекты (пульсары, квазары).

Крупнейшее достижение науки начала XX в. — создание теории относительности — явилось естественно-научным подтверждением важнейшего положения диалектико-материа-листической картины мира о единстве материи, движения, пространства и времени. Творцу теории относительности удалось показать не просто единство, но зависимость свойств пространства и времени от движущейся материи и друг от друга.

Существенно расширились в XX столетии представления и о структурных уровнях органической природы, которые включают молекулярный уровень жизни, клеточный уровень (микроорганизмов, тканей и органов), уровни целого живого организма, сообществ организмов, биологических видов, биогеоценозов (совокупности видов различных организмов в единстве с природными условиями их существования) и, нако-нец, биосферы в целом, т. е. области распространения жизни на Земле.

Если важнейшими доказательствами единства органического мира в XIX в. стали открытие клеточного строения организмов и эволюционная теория Дарвина, то в XX в. такими доказательствами явились открытия в области молекулярных основ наследственности в живой природе.

Прогресс в биологии еще в первой половине XX в. привел к введению понятий гена (как единицы наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака) и хромосомы (как структурного ядра клетки, обозначаемого ДНК и являющегося высокомолекулярным соединением — носителем наследственных признаков). Расшифровка молекулы ДНК в середине XX в. послужила началом интенсивных исследований в области молекулярной биологии, которые к концу XX в. вплотную подвели к расшифровке генома человека.

II. Атомная энергия в народном хозяйстве

Одной из самых замечательных ядерных реакций является реакция деления. Делением называется реакция расщепления атомного ядра на две примерно равные по массе части (осколки деления). Тяжелые ядра (Z? 90) делятся как самопроизвольно (спонтанное деление), так и принудительно (вынужденное деление). В отличие от спонтанного вынужденное деление происходит практически мгновенно (t < 10−14 с). Для вынужденного деления ядер с Z? 90 достаточно их предварительно слабо возбудить, например, облучая нейтронами с энергией около 1 МэВ. Некоторые ядра, например 235U, делятся даже под действием тепловых нейтронов. Масса (а значит, и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очень большая энергия Q = 200 МэВ, значительную часть которой (=170 МэВ) уносят осколки в виде кинетической энергии. Осколки деления имеют большой избыток нейтронов. Поэтому они обладают в-радиоактивными цепочками из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт урана) и запаздывающие (=1% мгновенных) нейтроны.

Большое энерговыделение, испускание нескольких нейтронов, возможность деления при небольшом возбуждении ядра позволяют осуществить цепную реакцию деления. Идея цепной реакции деления заключается в использовании вылетевших в процессе деления нейтронов для деления новых ядер с образованием новых нейтронов деления и т. д. Для нарастания цепного процесса необходимо, чтобы отношение числа нейтронов в двух последовательных положениях (так называемый коэффициент размножения нейтронов К больше единицы (К>1). Значения коэффициента размножения зависит от числа нейтронов, испускаемых в одном акте деления; от вероятности их разных энергиях; от конструкции и размеров реакторной установки. В частности, активная зона реактора (область, где развивается цепная реакция) должна иметь размеры не меньше некоторой критической величины. Цепная реакция, протекающая в уранграфитовом реакторе на тепловых нейтронах при К =1,005, относится к классу медленных управляемых цепных ядерных процессов. Естественный уран не пригоден для осуществления быстрого цепного ядерного процесса взрывного типа на быстрых нейтронах. Такой процесс был осуществлен в 1945 г. на чистом изотопе 235U и на обладающем аналогичными свойствами изотопе 239Рu трансуранового элемента плутония.

Принцип работы атомной бомбы заключается в очень быстром сближении нескольких порций ядерного горючего, общее количество которых после их объединения превосходит по массе и размерам критические значения. Энергетическая и эффективность атомной бомбы примерно в миллион раз повышает эффективность обычной бомбы.

После окончания Второй мировой войны основные усилия ученых-атомщиков были направлены на освоение атомной энергии в мирных целях. В 1954 г. у нас в стране была пущена первая в мире атомная электростанция, в 1957 г. был пущен на воду атомный ледокол. В настоящее время атомная энергия применяется практически во всех областях народного хозяйства и науки и вносит все больший вклад в мировую энергетику. Построено и работает много ядерных реакторов разных типов (на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах) с различными замедлителями (графит, вода, тяжелая вода, бериллий и др.) и совсем без замедлителя (на быстрых нейтронах), с разным ядерным горючим (естественный уран, обогащенный уран, плутоний и др). Они используются и для получения энергии (атомные электростанции, суда и др.), и для различных научных исследований. И хотя Чернобыльская трагедия умерила восторг от успехов атомной энергетики, ее развитие обещает в дальнейшем широкие возможности и электрификации, и теплофикации, и даже химизации. Проблемы надежности работы атомных электростанций и их безаварийности более всего связаны с решением вопросов защиты атомных реакторов от внешних экстремальных воздействий (например, в условиях пожара) и захоронения радиоактивных отходов. Но в ближайшей перспективе по мере развития ядерной энергетики и радиохимии хранилища изотопов, т. е. осколки ядерного деления, могут превратиться в очаги производства ценнейших элементов, в частности, платиноидов. Сегодня изотопы легких платиновых металлов, образующиеся в процессе деления ядер урана и плутония на атомных станциях, доставляют хлопоты: куда бы их подальше спрятать и изолировать. Но радиохимия, изучающая химические свойства и химические превращения радиоактивных веществ, уже ближайшее время должна решить задачу выделения этих ценных металлов и очищения их от радиоактивных примесей.

Один атом гелия легче, чем четыре атома водорода; дефект масс соответствует выделяющейся энергии излучения.

И все-таки современные электростанции нельзя считать верхом достижения атомной энергетики и энергетики вообще, хотя они сегодня вносят около 12% вклада в общий энергетический баланс. Их недостаток — не только в опасности типа Чернобыля, а еще и в том, что они работают, используя в качестве ядерного топлива изотоп 235U, доля которого в природном уране составляет всего-навсего 0,7%. Поэтому развитие атомной энергетики на основе современного поколения АЭС определяется ресурсами урана, которые по энергетическому запасу сравнимы с запасами нефти.

Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии — реакция синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большой концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно для возникновения цепной термоядерной peакции. В этом процессе быстрое тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сама реакция — за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очень высокой (107 — 108 К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомных ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:

1) медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд;

2) быстрая самоподдерживающая термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы;

3) управляемая термоядерная реакция.

Неуправляемая термоядерная реакция — это водородная бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:

Д + Д -> Не3 + n; Д + Д -> Т + р; Т + Д -> Не4 + n,

приводящего к синтезу изотопа гелия He3, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не4, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь n — это нейтрон, а р — протон, Д — дейтерий и Т — тритий.

При обеих реакциях Д + Д и Д + Т выделяется огромное количество тепла: один грамм газа, «сгорая», образует столько энергии, сколько получается при сгорании примерно 12 т угля! Реакции протекают при температуре 107—1011 К. Поэтому удерживать столь высоко разогретую массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (она получила название плазмы), невозможно ни в каком котле, изготовленном из сколь угодно жаропрочного материала. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.

Но уже в 1950;х гг. наши отечественные физики первыми выдвинули и экспериментально обосновали принцип магнитной изоляции ядерной плазмы, которая позволяет уменьшить теплопередачу от плазмы к стенкам реактора. Впоследствии была сконструирована установка токамак — тороидальная камера магнитного удержания ядерной плазмы как ступень к решению задачи — управлению термоядерной реакцией. Однако чем дальше углублялись в поиск решения этой задачи, тем больше появлялось новых трудностей. И хотя ученые-физики нашей страны, США, Англии и других государств продвинулись в этом направлении довольно далеко, конечная цель, как они теперь полагают, может быть достигнута не ранее чем через сто лет.

Но существуют и другие препятствия на пути термоядерной энергии, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земли в результате выделения тепла термоядерными реакторами. Собственно, речь идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерной энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемой Землей, однако даже и в этих пределах производство термоядерной энергии поднимает разогрев земной поверхности на 3,7°. Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может привести к существенному изменению климата всей нашей планеты, даже к всемирному потопу за счет таяния льдов Антарктиды и Гренландии. Так что нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии.

Самой рациональной из таких мер является использование солнечной энергии. Эта мера никогда не приведет к перегреву Земли и к загрязнению ее атмосферы, поверхности и океанов. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 трлн кал тепла. Около половины его рассеивается и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельно-жидких и пылевых облаках. И все же остающаяся доля доходящей до поверхности солнечной энергии оказывается грандиозной, в десятки раз превышающей предельно допустимое производство термоядерной энергии.

Известные в настоящее время способы преобразования солнечной энергии в те виды, которые можно использовать в энергетике, условно делят на четыре типа: теплотехнические, физические, химические и биологические. Сегодня самыми распространенными являются теплотехнические способы. Но они находятся в зависимости от климатических условий, а их КПД при превращении тепловой энергии в электрическую и механическую не превышает 5%. Физические преобразователи солнечной энергии, в основе которых находятся полупроводниковые фотоэлементы, пока не нашли широкого применения. Они используются в космических кораблях. А построенные на базе кремневых фотоэлементов в качестве опытных наземные электростанции выдают энергию, которая примерно в 100 раз дороже электроэнергии, получаемой на атомных станциях.

Биологическое преобразование солнечной энергии происходит в результате фотосинтеза, происходящего в растениях. Благодаря этому на Земле образовались ископаемые топлива. Хотя на фотосинтез расходуется менее одного процента всей солнечной энергии, падающей на Землю, урожай зеленой массы растений за год по своей калорийности примерно равен добываемым за год из недр Земли горючим ископаемым.

В настоящее время стала актуальной задача химического преобразования солнечной энергии, т. е. аккумулирование и запасание солнечной энергии методом фотосинтеза. В этом отношении представляет интерес получение на основе преобразования солнечной энергии водорода из воды. Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фотокаталитические системы все более приближаются к природным фотосинтезирующим объектам не только по принципу их действия, но и по самой организации систем. Поэтому, можно, в недалеком будущем удастся воспроизвести в искусственных условиях способность фотосинтезирующего аппарата растений запасать солнечную энергию в виде энергии химического топлива с одновременным выделением кислорода и КПД, близким к 40—50%. Во всяком случае, широкомасштабное преобразование солнечной энергии в энергию химического топлива поставлено на очередь дня. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, это — универсальное топливо энергетики будущего.

III. Основные этапы развития жизни на Земле.

Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является о происхождении жизни.

Жизнь — одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа — это естественные информационные системы, т. е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от него клеточным строением. В функциональном плане для некоторых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее, самовоспроизводство.

Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Однако, имеются переходные формы от нежизни к жизни. Например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь вне организма-хозяина, используя его ферментные системы. В современном естествознании существует пять основ концепций возникновения жизни:

1) креационизм — божественное сотворение живого;

2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;

3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

4) концепция панспермии — внеземного происхождения жизни;

5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся естественно-научным законам.

Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Хотя к нему близка концепция, по которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Основывается она на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлена против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в концепциях рассматривается положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, что приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами и для вечной, безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин жизни. Изложенная в ней временная и иерархическая последовательность событий содержит исходное представление об эволюции: первый день — появление света, второй день — звезд, третий день — создание Земли, четвертый день — Солнца и Луны, пятый день рыб в море и птиц в небе, шестой день — создание человека и, наконец, седьмой день — день отдыха. В пользуданной концепции авторы приводят следующие аргументы.

1) белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические соединения с их весьма сложной структурой могут быть созданы только живым существом, поскольку системы такой сложности не могут возникнуть в результате взаимодействия простых веществ в первичном океане;

2) в естественном объяснении происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов.

В конце прошлого века были распространены «теории», согласно которым жизнь возникает в болотах, гниющей массе и тому подобных местах. Именно там из неживой материи и возникают живые организмы — личинки мухи и даже мыши. Вторую концепцию опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. — Луи Пастер. Третья концепция из-за своей оригинальности всегда имела немного сторонников.

К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» — органических соединений, которые, возможно сыграли роль «семян». Во второй половине прошлого века шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул оригинальную гипотезу. По его мнению, жизнь возникла не на Земле, а занесена на нее из космоса. Наша планета была «заражена» микроорганизмами, прибывшими из глубин Вселенной. Этот процесс Аррениус назвал панспермией. Гипотеза шведского ученого не получила поддержки его коллег. Никто не видел возможности для микроорганизмов длительно путешествовать в космическом пространстве, не погибая от губительных излучений. В свое время эту гипотезу обсуждали очень бурно. Его сторонниками были выдающиеся умы своего времени. Но были противники. Так, А. И. Опарин показал, что эта теория, строго говоря, ничего не дает. Во всяком случае, она не имеет никакого отношения к происхождению жизни, ибо даже если удается доказать, что жизнь была занесена на нашу планету извне, то это не освобождает нас от необходимости объяснить, как же она возникла изначально. Теория панспермии позволяет разрешить лишь проблему происхождения земной жизни, одновременно увеличивая сложность основной проблемы во много раз.