Панорама современного естествознания

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 пользу -данной концепции авторы приводят следующие аргументы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6