<< Пред.           стр. 11 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу

 24. Каковы основные свойства мозга человека?
 25. Существуют ли возрастные ограничения в развитии человека?
 26. В чем сущность социологической идеи Гегеля?
 27. Чем обусловливается эстетическое восприятие человека?
 28. Охарактеризуйте кратко проблему роста населения и обеспечения продовольствием.
 29. Назовите основные способы увеличения продовольственных ресурсов.
 30. Как можно улучшить плодородие почвы?
 31. Что такое фиксация азота?
 32. Какова роль белков в питании?
 33. Охарактеризуйте роль фотосинтеза в жизнеобеспечении человека.
 34. Какова специфика современных средств сохранения здоровья?
 35. Чем обусловливается процесс старения организма?
 36. Как зависит продолжительность жизни от интенсивности обмена веществ?
 37. В чем заключаются основные современные способы продления жизни организма?
 38. Что такое ноосфера и как она формируется?
 
 Блажен человек, который снискал мудрость, и человек, который приобрел разум.
 Библия (Книга притчей Соломоновых, гл.3, ст. 13, 14)
 ЧАСТЬ
 IV
 ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ
 ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ
 ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ
 И ЭКОЛОГИИ
 
 
 *
 Естественно-научные аспекты технологий
 *
 Естественно-научные проблемы энергетики
 *
 Естественно-научные аспекты экологии
 *
 Гармония природы и человека
 *
 
 8. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИЙ
 8.1. РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
  Технологии и естествознание. Технология - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или полуфабрикатов, осуществленных в процессе производства продукции. Слово "технология" означает, кроме того, научную дисциплину, изучающую физические, химические, механические и другие закономерности различных производственных процессов. В последнее время это слово стало ключевым. Часто говорят о технологиях: информационных, микроэлектронных, химических, генных, биотехнологиях и др. Ощущается некое "засилье технологий".
  Следует различать естественно-научные знания, которые что-то объясняют, и знания, которые вооружают стратегией и тактикой действий: одно дело - "я знаю", - другое - "я умею". Вот если "я знаю", то это фундаментальная наука, если "я умею" - это уже технология, некая совокупность действий, процессов, а также процедура управления действиями, процессами, регламент, направленный на достижение заранее предопределенного результата.
  Рождение той или иной технологии говорит о высоком уровне зрелости соответствующей ей отрасли естествознания, когда она начинает развиваться быстро и оказывается полезной обществу, становится прикладной. В современном обществе развиваются многие виды технологий, среди которых большое внимание уделяется информационным технологиям.
  Унификация информационных технологий. Удовлетворение все возрастающих потребностей общества при неуклонном росте народонаселения земного шара требует резкого повышения эффективности всех сфер деятельности человека, непременным условием которого выступает адекватное повышение эффективности информационного обеспечения. Под информационным обеспечением понимается представление необхо-
 331
 
 димой информации с соблюдением требований ее своевременности и актуальности. Представление необходимой информации - одна из важнейших составляющих информатизации общества. Концепция информатизации включает прежде всего создание унифицированной в широком спектре приложений и полностью структурированной информационной технологии, включающей процессы сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей информации, необходимой для информационного обеспечения деятельности.
  Чтобы информационная технология была унифицированной в широком спектре приложений, должны быть унифицированы:
  - представление об информации, т.е. ее классификация и описание
 параметров основных видов, выделенных в классификационной струк
 туре;
  - структура и общее содержание информационного потока, т. е. про
 цессов генерирования, фиксации и циркуляции информации в целях ин
 формационного обеспечения деятельности;
  - перечень и содержание процедур обработки информации во все
 время и на всех этапах информационного обеспечения деятельности;
  - перечень и содержание методов решения задач и обработки ин
 формации.
  Возможности унификации информационных технологий открывают широкие перспективы развития как самих технологий, так и информатики в целом. На основе естественно-научных знаний уже в настоящее время можно создать и реализовать информационные технологии, унифицированные до такой степени, что, с одной стороны, информация может использоваться в различных сферах деятельности без дополнительной трансформации и адаптации, а с другой - она может быть стабильной, не нуждаться в принципиальном совершенствовании достаточно продолжительное время.
  При любом подходе к постановке целей и задач информационных технологий вычислительные средства в разнообразных формах, начиная от мини-ЭВМ, персональных компьютеров и кончая суперЭВМ и сложнейшими вычислительными системами и комплексами, играют первостепенную, основную роль в информационном обеспечении и развитии общества. Информационные технологии прямо или косвенно касаются каждого из нас. Информация стала постоянным спутником человека. Она помогает нам не только ориентироваться в окружающей среде, но и активно воздействовать на нее, выбирая при этом наиболее рациональные и оптимальные способы и применяя при этом современные вычислительные средства.
  История развития вычислительных средств. Для облегчения физического труда еще с древних времен изобретались разнообразные при-332
 
 способления, механизмы и машины. Однако лишь немногие из них помогали человеку выполнять работу, похожую на умственную, хотя потребность в ней возникла давно. Вначале в течение длительного времени использовались примитивные средства счета: счетные палочки, камешки и т.д., а затем - счеты. Если раньше подавляющее большинство людей занималось физическим трудом, то в XX в. во многих развитых странах стал преобладать умственный труд и, следовательно, возросла потребность в машинах, облегчающих такой труд. Совершенно ясно, что без машин, способных расширить умственные возможности человека, теперь просто не обойтись.
  Первые машины, выполняющие арифметические операции, появились в XVII в.: в 1642 г. французский математик и физик Блез Паскаль изобрел устройство для сложения чисел, а в 1673 г. немецкий ученый Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, производящий четыре арифметических действия. Изобретение арифмометра - важный шаг в развитии вычислительных средств. Однако производимые с его помощью расчеты требовали много времени.
  В первой половине XIX в. сделана попытка построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, выполнявшую вычисления самостоятельно, без участия человека, т.е. машину, которая работала бы по заданной программе и накапливала бы информацию. Однако технологические возможности того времени не позволили реализовать идею создания подобной машины. Только спустя почти столетие, в 1943 г., когда появились электромеханические реле, удалось сконструировать первую аналитическую машину.
  Новая модификация вычислительных машин на базе электронных ламп работала в тысячу раз быстрее. В основу разработки следующей модификации аналитических машин легли общие принципы функционирования универсальных вычислительных средств, предложенные в 1945 г. американским математиком и физиком Джоном Нейманом (1903-1957). Одна из таких модификаций создана в 1949 г. С того времени вычислительные машины стали гораздо совершеннее, но большинство из них построено на тех же общих принципах функционирования: для универсальности и эффективности работы вычислительная машина должна содержать арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции, устройство управления для организации процесса исполнения программ, запоминающее устройство (или память для хранения программ и данных), внешние устройства для ввода-вывода информации. В современных вычислительных машинах, называемых компьютерами, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Для повышения быстродействия компьютера обработка информации производится одно-
 333
 
 временно на нескольких процессорах. Компьютер обрабатывает информацию только в цифровой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.), вводимая в компьютер, преобразуется в цифровую форму.
  В развитии вычислительных средств различают несколько поколений, непосредственно связанных с открытиями в физике XX в. ЭВМ первого поколения (40-е - начало 50-х годов XX в.) базировались на электронных лампах. С применением полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х - начало 60-х годов). В конце 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных схемах. В 70-е годы разработаны ЭВМ четвертого поколения с элементной базой на больших интегральных схемах. В последнее время для создания ЭВМ следующих поколений модернизируется их элементная база, разрабатываются принципиально новые средства накопления, хранения и обработки информации.
  ЭВМ 40-х и 50-х годов XX в. представляли собой крупногабаритные и дорогостоящие устройства, поэтому они были доступны только лишь крупным учреждениям и компаниям. По мере развития технологий ЭВМ становились компактнее и дешевле. Современные персональные компьютеры стоят от нескольких сотен до 10 тыс. долл. По сравнению с большими ЭВМ и мини-ЭВМ персональные компьютеры весьма удобны для многих сфер применений.
  Суперкомпьютеры. Высокопроизводительные вычислительные системы, суперЭВМ принято считать форпостом компьютерной техники. Они в значительной степени определяют экономическую независимость и национальную безопасность государства. Развитие отечественной высокопроизводительной техники начиналось с разработки в 1953 г. самой быстродействующей в Европе ЭВМ. Ее производительность 8000- 10 000 операций в секунду (оп/с). Эта машина создана под руководством нашего соотечественника, академика АН СССР С.А. Лебедева (1902- 1974). Производительность более совершенной модификации такой машины составляла 1 млн. оп/с. Более высокой производительностью - 125 млн. оп/с - обладал отечественный многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус-2", созданный в 1985 г. В разработку отечественных вычислительных и управляющих систем существенный вклад внесли российские ученые С.В. Емельянов (р. 1929), B.C. Бурцев (р. 1927), С.К. Коровин (р. 1945), Г.И. Савин (р. 1948) и др.
  Мощные компьютеры разрабатываются и по сей день. В 2002 г. японская фирма NEC демонстрировала самый мощный в мире суперкомпьютер, производительность которого достигает 40 трлн. оп/с. Современные суперкомпьютеры позволяют решать довольно сложные задачи, связанные с прогнозированием погоды, оптимальным распределением энергии, мо-334
 
 делированием сложных естественных процессов, синтезом новых материалов и т.п.
  Интернет. Возможности персонального компьютера существенно расширяются с применением компьютерных сетей. Компьютерная сеть представляет собой набор соединенных между собой компьютеров с периферийными и коммуникационными устройствами. Подавляющее большинство компьютеров образует ту или иную сеть. Опыт эксплуатации сетей показывает, что преобладающая часть объема пересылаемой по сети информации замыкается в пределах одного офиса. Соединенные между собой компьютеры в одном учебном классе либо в одном учебном учреждении, или в каком-то административном районе и т.д. образуют локальную сеть.
  Существует два типа компьютерных сетей. В одном из них выделяется специальный компьютер (сервер) для организации работы сети, а в другом - нет. Сервер осуществляет централизованное управление компьютерной сетью. В сети без сервера каждый подключенный к сети пользователь имеет доступ к ресурсам (дисковое пространство, принтер), предоставленным другими пользователями.
  Для подключения к удаленным компьютерным сетям либо отдельным компьютерам используются телефонные линии. Передача информации производится с помощью устройства, преобразующего цифровую информацию, хранимую в компьютере, в аналоговую (в виде модулированных электрических сигналов), передаваемую по телефонной линии и производящего обратные преобразования сигнала на входе принимающего компьютера. Такое устройство называется модемом (от первых слогов слов: "модулятор" и "демодулятор").
  Локальные сети образуют узлы. Сеть, состоящая из равноправных и независимых узлов, объединенных между собой каналами связи, носит название Интернет. Узлом интернета может быть не только локальная сеть, но и любое вычислительное устройство, в том числе и персональный компьютер, подключенный к сети и имеющий свой индивидуальный адрес. Узел оснащен коммуникационным устройством для переключения каналов связи. Для связи используются обычные и оптоволоконные кабели, радиоканалы и каналы спутниковой связи. Интернет образует своеобразную паутину, в которой связь между двумя любыми узлами обеспечивается либо по прямому каналу, либо через ряд промежуточных каналов. Узлы обмениваются между собой информацией. Любая информация разбивается на пакеты и отправляется по доступным каналам связи.
  Интернет - глобальная компьютерная сеть, охватывающая весь мир и образующая систему, которая обеспечивает связь информационных сетей, принадлежащих различным пользователям во всем мире. История развития Интернета начинается с 1961 г., когда в США была созда-
 335
 
 на экспериментальная сеть для оперативной передачи информации. Масштабы внедрения Интернета резко возросли после введения в 1982 г. протокола - совокупности принципов, правил и форматов данных, регламентирующих взаимодействие субъектов сети. В середине 90-х годов XX в. особую популярность и новую волну притока в Интернет принес новый сервис - World Wide Web (WWW, всемирная паутина). Именно этот способ организации информации в Интернете сделал его понятным и доступным широкому кругу пользователей. Например, в 1995 г. число пользователей удваивалось каждые 50 дней. К концу 90-х годов XX в. их общее число составляло более 15 млн. примерно в 150 странах мира.
  Широко распространенным сервисом Интернета является электронная почта. Для обмена письмами по электронной почте каждому абоненту на одном из сетевых компьютеров выделяется область памяти - электронный почтовый ящик, доступ к которому осуществляется по адресу абонента и его паролю.
  Интернет обеспечивает доступ ко многим видам информации - не выходя из дома можно получить сведения о последних событиях в мире, публикуемых в научных журналах материалах, посмотреть ту или иную телепередачу, понравившийся фильм и вести переписку с абонентом, находящимся в любой точке земного шара. В этом смысле возможности Интернета кажутся неограниченными. Однако следует помнить, что некоторые виды предоставляемой почти бесплатно информации не всегда являются достоверными и полезными, а в ряде случаев носят деструктивный, безнравственный характер, направленный на деградацию личности. Тем не менее не следует огорчаться: огонь может быть огромной разрушающей силой, но в руках разумного человека он приносит только неоценимую пользу. Конечно же, при разумном, взвешенном подходе в выборе необходимой информации Интернет способствует всестороннему развитию личности.
  Применение вычислительных средств. Возможность сочетания ЭВМ с уже существующими и вновь создаваемыми машинами и системами машин освобождает человека от физического труда, связанного с тяжелыми, а иногда вредными и опасными условиями, а также с монотонными, однообразными, утомительными и нетворческими действиями.
  Рассмотрим некоторые характерные примеры применения современных вычислительных средств. Самое широкое распространение получили микропроцессорные системы для станков с программным управлением. Более сложные микропроцессорные системы - промышленные роботы - снабжены простейшими "органами чувств", способными своевременно реагировать на изменение ситуации. Применение роботов позволяет полностью автоматизировать работу производственных участков, цехов и целых заводов. Однако всегда останутся области деятельно-336
 
 сти, где ЭВМ не может полностью заменить человека. Это прежде всего области, связанные с неформальным творческим подходом к делу. Но ЭВМ может облегчить творческий труд. Для этого создаются автоматизированные рабочие места (АРМ). Например, программное обеспечение АРМ директора предприятия содержит автоматизированную систему управления (АСУ), которая быстро выдает на экран дисплея или на бумагу оперативную сводку о положении дел на предприятии (наличие ресурсов, ход выполнения плана, сведения о работниках предприятия и т. п.), помогает в выборе смежников, а также экономической стратегии и тактики. Создаются АСУ, предназначенные для обеспечения оптимального взаимодействия уже не отдельных станков и автоматических линий, а цехов, производственных объединений в масштабах целой отрасли.
  Область применения ЭВМ расширяется в результате не только увеличения числа механизмов, машин и других устройств, к которым подсоединяется ЭВМ, но и роста ее "интеллектуальных" способностей. Так, информационно-поисковые системы и базы данных перерастают в базы знаний, развитию которых способствует Интернет. В базах знаний хранятся не только данные, но и правила вывода новых утверждений из уже имеющихся. А это означает, что база данных способна порождать новые знания.
 8.2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА НАКОПЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
  Общие сведения. Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, а примерно два тысячелетия назад появился и поныне самый распространенный носитель информации - бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку - ЭВМ - своеобразный кладезь премудрости человека. Бумага, верой и правдой служившая человеку долгое время, начинает постепенно сдавать некоторые области своей абсолютной монополии. Сейчас важнейшее место в развитии цивилизации отводится электронной вычислительной технике, в первую очередь получившим широкое распространение персональным компьютерам.
  Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие объем
 информации, накапливаемой человечеством. Одна книга среднего фор
 мата содержит около 1 млн. байт информации. Крупнейшая в мире биб
 лиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн. книг и 3,5 млн. единиц
 звукозаписи, что вместе составляет приблизительно 2 Петабайта
 (1 Пбайт = 10l5 байт). По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается
 около 100 терабайт (100 • 1012 байт) нового текста (без учета переизда-
 22 - 3290 337
 
 ний), в том числе 10 тыс. газет, издающихся в разных странах. Ежегодно в мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен братьев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 1895 г. первый киноаппарат, в виде кинофильмов выпущено около 1 Пбайта информации. Профессионалы и любители делают ежегодно 50 млрд. фотоснимков, что составляет примерно 0,5 Пбайт. На телевизионные передачи приходится 100 Пбайт. Информация, передаваемая по телефону во всем мире, оценивается в несколько тысяч петабайт. Приведенные цифры впечатляют - человечество оказалось в колоссальном информационном океане. Чтобы свободно плавать в таком безбрежном океане, создаются локальные и глобальные сети, объединяющие множество персональных компьютеров.
  По объему накапливаемой информации и скорости ее обработки возможности персональных компьютеров все же ограничены: на современном персональном компьютере можно хранить всего лишь десятки гигабайт информации. Во многих отраслях - банковское дело, системы резервирования и реализации авиа- и железнодорожных билетов, метеослужба и компьютерное производство видеофильмов - требуется обрабатывать сравнительно большие объемы информации с высокой скоростью и, следовательно, нужны большие компьютеры и суперкомпьютеры.
  В последнее время наряду с суперкомпьютерами разрабатываются сравнительно небольшие компьютеры с миниатюрными накопителями информации. Самый маленький в мире накопитель информации в виде жесткого диска памяти производит американская фирма IBM. По размерам он сравним с отечественной пятирублевой монетой, однако объем его памяти достаточно большой - 340 Мбайт. Этот миниатюрный диск очень удобен для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно записать несколько сотен цветных фотографий, а затем распечатать на принтере или перевести в память большего компьютера.
  Все виды ЭВМ, в том числе большие и малые компьютеры, содержат запоминающее устройство - тот или иной накопитель информации, или память. Память - это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.
  Память человека и память ЭВМ. Память - несомненно, один из важнейших атрибутов человека. Развитый, утонченный и вместе с тем изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет человека среди других представителей живого мира. Не только запоминание окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание, логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный момент, - на это способен лишь человек, наделенный разумом. 338
 
  Совокупная память всех людей, коллективная память человечества, материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-многом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеугольных камней фундамента человеческой цивилизации. За последние десятилетия разнообразные технические средства накопления и хранения информации пополнились еще одним - наиболее универсальным и гибким - памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится постоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следовательно, в развитии общества в целом.
  Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого осуществляется управление информационными потоками. Так в общих чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной деятельности. Надпись "Познай самого себя", начертанная у входа в дельфийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обладает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей частью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что "для ясности памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои способности в этом направлении, следует держать в уме картину каких-нибудь мест и по этим местам располагать воображаемые образы запоминаемых предметов". Примерно по такому принципу построена и память ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно "должны учиться у природы и следовать ее законам", как утверждал Н. Бор.
  И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды, часто объединяемые одним словом "чувство", применительно к памяти ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, привлекающему внимание многих исследователей.
  Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного и ассоциативного поисков, объединение последовательного и параллельного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически перемещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хранения - вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разрабатываемые долговременные запоминающие устройства.
  Технологические возможности реализации высокой информаци
 онной плотности. Запоминающие устройства большинства моделей
 ЭВМ основаны на магнитной записи. Прогнозы специалистов показыва-
  339
 
 ют, что в ближайшем будущем устройства магнитной записи останутся доминирующими на мировом рынке информационной техники.
  С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи - одна из важнейших в совершенствовании запоминающих устройств большой емкости.
  В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе, где основное - это накопление информации, фактором первостепенной важности является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная информационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль одной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу длины в поперечном относительно движения носителя направлении (поперечной плотности). Из теоретических расчетов следует, что продольная плотность записи информации на магнитном носителе может достигать 20 000 бит/мм. Если в настоящее время в лучших магнитных накопителях продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным, какие возможности еще не реализованы.
  Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда пе-ремагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже достигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм. Для этого применяется записывающий элемент толщиной 0,1 мкм. При его ширине 0,1 мкм поверхностная плотность записи информации равна 100 бит/мкм2, что примерно на два порядка больше предельно возможной плотности в оптических накопителях. Воспроизведение информации, записанной с такой высокой плотностью, производится с помощью высокочувствительных магниторезистивных преобразователей.
  Голографическая память. Быстродействие памяти зависит от длительности процессов записи, поиска и воспроизведения информации. Увеличение емкости памяти требует и роста скорости обмена информацией. Существенно повысить быстродействие в результате модернизации дисковых накопителей информации - задача довольно трудная. Нужна другая идейная концепция. Оказывается, такая концепция известна и уже привела к некоторым результатам. Речь идет о голографической памяти. Она основана на применении лазерного излучения и позволяет реализовать многие свойства, присущие памяти человека.
  Однако прошли десятки лет с начала разработки голографической памяти, а реальных, конкурентоспособных устройств, которые можно было
 340
 
 бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и элементной базы. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор - элементы, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и идеологию научно-технического прогресса. Появился лазер - и возникли новые отрасли естествознания: квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя идейные основы данных отраслей предложены гораздо раньше, но только лазер дал им жизнь. С применением полупроводниковых лазеров созданы оптические дисковые накопители.
  С голографической памятью ситуация, увы, иная. Используемые в лабораторных разработках ее элементы - газовые лазеры, разнообразные оптические затворы и др. - пока еще несовершенны: как правило, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, в них используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что элементная база голографической памяти для промышленного производства еще не создана.
  Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений опто-электроники достигнуты определенные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяются тонкопленочными. Например, тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения менее 1 нс.
  Нейронные сети. В 80-90-е годы XX в. прогресс в развитии вычислительной техники многие связывают с созданием искусственных нейронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров определяются их принципиально новым свойством - возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По своей сути нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга человека.
  Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии, которое изменяется в результате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами нейронов, их взаимным состоянием. Каждый нейрон в большей или меньшей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в
 341
 
 сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью.
  К настоящему времени производится моделирование нейронных сетей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать высококачественный массив информации, скорость обработки которого по алгоритму нейронной сети существенно превосходит возможности человеческого мозга.
 8.3. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СИСТЕМЫ И ВИРТУАЛЬНЫЙ МИР
  Мультимедиа - это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже - движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь - действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий улучшить стереофоническое восприятие звука и изображения.
  А теперь попытаемся разобраться в диалектике двуединого начала мультимедийной системы. Но прежде вспомним, чем люди занимались долгие тысячелетия по изгнании их за грехи из рая. Они создавали все необходимое для защиты от холода и жары, изобретали средства передвижения по земле, в воде и в воздухе и т.п. В результате вокруг человека формировалась искусственная среда, отделяющая его от реальной природы. Люди стали пренебрегать естественной средой обитания, активно вторгаясь в нее и засоряя ее бытовыми и промышленными отходами. Плата за все это - приближение глобальной экологической катастрофы, предотвращение которой требует региональных и глобальных мер экологической защиты.
  Создание искусственной мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью - виртуальным миром - влечет за собой подобные последствия. Основная функция искусственной среды, как изначально предполагалось, заключалась в повышении эффективности автоматического управления машинами. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления. В настоящее время создаются устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими процессами. Программирование их работы требует знания не только возможностей технических 342
 
 средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также психологии восприятия визуальных и акустических образов. Конечно, развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается в более общую проблему совершенствования мультимедийных систем - именно в этом их положительное качество.
  Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно начинает появляться желание избавиться от внешнего информационного воздействия. Люди нашего поколения, как никогда ранее, почувствовали усталость от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио- и видеотехники, позволяющей в определенной степени изолироваться от внешнего информационного потока. Не нужно забывать, что многие видео- и аудиосюжеты выбираются из общего идеологического "корыта", заполняемого чаще всего зарубежными "доброжелателями", преследующими вполне определенные политические цели. При этом наиболее удобны мультимедийные игры.
  Сущность их заключается в создании для играющего искусственного информационного пространства - от несложных операций укладки кубиков или сбора яиц в лукошко до почти натуральных вылетов на боевых машинах, когда пробуждается присущее каждому человеку естественное желание обогнать, поразить, победить и т.п. Монотонные и однообразные движения и ритмы усыпляют человека, позволяют легко воздействовать на него, гипнотизировать, парализовать его волю и подспудно вдалбливать в его сознание любую (в том числе вредную и опасную!) информацию. Что-то подобное происходит на некоторых кино- и телепредставлениях, дискотеках и концертах с чрезмерно шумной, одурманивающей музыкой.
  Отгораживаясь таким образом от реальной жизни людей с ее голодом, холодом, болезнями, войнами, страданиями и оказавшись в виртуальном пространстве, где нажатием кнопки можно взорвать инопланетный космический корабль, сжечь город, наслать повальные болезни, насладиться интимом с "любимым человеком", наконец, быть "убитому" самому игроку в этих виртуальных видео-аудиотактических мирах, человек теряет ощущение реальности жизни. Он начинает пренебрегать реальными информационными потоками, жить своими интересами в выдуманном мире, где ему хорошо и удобно только одному. Такой человек вряд ли сможет восхищаться ранним восходом солнца с его золотистыми, скользящими по земле лучами. Для него окажутся ненужными ни классическая музыка, ни классические произведения искусства и литературы, на кото-
 343
 
 рых воспитывались многие поколения людей с высокими нравственными качествами.
  В той или иной мере всем понятна опасность и страшная губительная сила ядерного, химического и бактериологического оружия, поражающего тело, но остается пока незамеченным другое оружие также массового поражения, которое поражает душу человека, делая его одиноким и беззащитным в придуманном им виртуальном мире. Следует ли ограничивать новые возможности мультимедийных систем? Конечно, нет. Известно, что нож в руках хирурга - добро, а в руках бандита - зло. Полезно помнить, что мультимедийные системы только при разумном их использовании могут непременно способствовать развитию личности и общества. Наиболее полезное использование мультимедийных систем будет не игровым и развлекательным, а научным и учебным, способствующим упрощению и облегчению сложного процесса познания окружающего мира.
 8.4. МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИИ
  Общие сведения. Характерная особенность современного естествознания - рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний. К одной из них относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику. У микроэлектроники и наноэлектроники один общий корень - электроника. В современном представлении электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод и т.д.). В 50-х годов XX в. родилась твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая, а в следующем десятилетии родилась микроэлектроника - наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.
  Основу элементной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых 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), т.е. зарождается наноэлектроника. 344
 
  Разнообразные микроэлеюронные приборы и устройства находят широкое применение во многих технических средствах. Достижения в микроэлектронике способствовали созданию космических кораблей и управляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким качеством звучания и изображения - это тоже продукция микроэлектроники. На промышленной микроэлектронике базируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, также основана на микроэлектронике.
  Едва ли можно встретить такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлектронной аппаратурой, прежде всего как пользователь. Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлектронных средств зависит не только качество производимой продукции, но и темпы развития той или иной промышленной отрасли и государства в целом.
  Развитие твердотельной электроники. История развития твердотельной электроники начиналась с возникших и долгое время необъяснимых физических загадок, так называемых "плохих" проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону, что противоречило известному к тому времени представлению: электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время французский физик А.С. Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850-1918) сделал важное открытие: переменный ток, пропущенный через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.
  В дальнейшем к плохим проводникам были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, оксид меди и т.п. - вещества, получившие название полупроводников. Выпрямление электрического тока с помощью полупроводников и их фотопроводимость нашли практическое применение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент. В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855-1938) обнаружил новое явление - возникновение электрического поля в тонкой пластине золота с током, помещенной в магнитное поле, - названное эффектом Холла. Такой эффект наблюдается и в полупроводниках. Предполагалось, что направление электрического поля определяют электроны и какие-то неизвестные положительно заря-
 345
 
 женные частицы. Эффект Холла - четвертая загадка "плохих" проводников.
  Известная к тому времени теория электромагнитного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали отгадки, полупроводники находили применение. Так, контакты из полупроводниковых материалов и металла использовались в первых приемниках радиоволн. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не удавалось.
  Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О.В Лосев (1903-1942) обнаружил на вольтамперной характеристике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на основе чего он создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детектор, способный генерировать и усиливать электромагнитные колебания. В нем использовалась контактная пара металлическое острие - полупроводник (кристалл цинкита). Однако хотя открытие О.В. Лосева и вызвало большой интерес, оно не нашло промышленного внедрения, так как 30-40-е годы XX в. были порой расцвета электровакуумных ламп, нашедших широкое применение в различных устройствах радиосвязи. Ненадежные в то время полупроводниковые приборы не могли конкурировать с ними.
  Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводников. Исследования существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое состояние электронов характеризуется зонами. В верхней зоне находятся свободные заряды, она названа зоной проводимости. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если же она невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. Например, при нагревании твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они переходят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, и как следствие, сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводимости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и при освещении. 346
 
  Из анализа электропроводимости полупроводников следовало, что на освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону проводимости образуются вакансии или дырки, эквивалентные носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые названы донорными, вторые - акцепторными.
  В конце 30-х годов XX в. трое ученых-физиков - А. Давыдов (СССР), Н. Мотт (Англия) и В. Шоттки (Германия) - независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, согласно которой в полупроводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствующий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.
  В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так впервые был создан p-n-переход, ставший важнейшим элементом современной полупроводниковой электроники, и к сороковым годам удалось разгадать все четыре загадки "плохих" проводников.
  Первым твердотельным прибором, для усиления электрического тока, способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния n-типа. В конце 1947 г. был испытан первый транзистор. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908-1991), У. Браттейн (1902-1987) и У. Шокли (1910-1989) получили Нобелевскую премию.
  Истоки современной микроэлектронной технологии. Совершенствование различных полупроводниковых приборов способствовало развитию микроэлектронных технологий, позволивших создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем большие и сверхбольшие интегральные схемы, на базе ко-
 347
 
 торых производится разнообразная электронная техника, включая современную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т.п.
  Первое промышленное производство полупроводниковых приборов освоено в середине 50-х годов XX в. после разработки технологии зонной очистки для равномерного распределения примесей в кристаллах. В 1955 г. созданы транзисторы со сплавными и p-n-переходами, а затем - дрейфовые и сплавные с диффузией.
  Самая первая модификация транзистора - биполярный транзистор - имел форму цилиндра с тремя выводами соответственно от эмиттера (т.е. части транзистора, из которой поступает ток), коллектора (пункта назначения электронов) и от регулирующей части - базы. Будучи своеобразной "заслонкой", база либо способствовала, либо препятствовала потоку электронов.
  В 1957 г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал ге-тероструктурный транзистор, состоящий из нескольких слоев полупроводникового материала - соединения галлия с различными присадками. Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким быстродействием. Позднее тот же автор предложил идею гетероструктурно-го лазера. Одновременно и независимо от Г. Кремера эту же идею запатентовали российские ученые Ж. Алферов и Р. Казаринов из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе. В 1970 г. в этом же институте был создан гетероструктурный лазер, способный (в отличие от его аналогов) непрерывно работать при комнатной температуре.
  В 1958 г. американский инженер Д. Килби предложил конструкцию микросхемы, в которой весь набор электронных элементов в виде слоев различных материалов располагался на одной пластине из германия. Эта конструкция оказалась основополагающей для изготовления интегральных схем с многослойной структурой, включающей множество транзисторов и других элементов, которые компонуются на одной пластине с применением тонкопленочной групповой технологии, заключающейся в последовательном формировании элементов. Интегральные схемы составляют техническую базу информационных технологий. За их разработку группа ученых - Ж.И. Алферов, Г. Кремер и Д. Килби - удостоена Нобелевской премии по физике 2000 г.
  По мере освоения тонкопленочной технологии осаждались тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т.д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, позволившая создать многие высокочувствительные преобразователи и приборы. В нашей стране напыление тонких магнитных пленок и их экспериментальное исследование впервые производились в начале 60-х годов XX в. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного 348
 
 магнитолога Р.В. Телеснина (1905-1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материалов.
  При создании современной электронной аппаратуры различного назначения - от аудио- и видеоаппаратуры до сложнейших компьютерных, космических и других систем возникают непростые задачи измерений и контроля. Для решения таких задач на основании предложенных российскими учеными С.Х. Карпенковым и Н.И. Яковлевым магниторе-зистивных методов измерений созданы принципиально новые высокочувствительные преобразователи и приборы, позволяющие измерять магнитные параметры образцов толщиной до 0,01 мкм и массой менее 0,01 мг, контролировать биотоки в живых тканях и регистрировать сверхбольшие токи - до 300 000 А. За эту работу С.Х. Карпенков и Н.И. Яковлев удостоены Государственной премии Российской Федерации 1998 г. в области науки и техники. Дальнейшая модернизация различных микроэлектронных средств связана с освоением и внедрением нанотехнологий.
  Развитие нанотехнологий. В результате совершенствования тонкопленочной технологии в течение последних десятилетий удавалось размещать все большее число элементов на меньшей площади кристалла-подложки интегральной схемы, т.е. удавалось постоянно повышать степень интеграции. Еще в 1960 г., вскоре после изобретения микросхемы, американский инженер Гордон Мур предсказал темп роста числа компонентов интегральной схемы, сформулировав закономерность: число элементов интегральной схемы будет удваиваться каждые 1,5 года. Специалисты часто называют эту закономерность законом Мура. В течение последних сорока лет прогнозы Мура оправдывались. Например, в 1970 г. число компонентов в микросхеме модуля памяти составляло 103, в 2000 г. - 109. Действительно, темпы роста степени интеграции впечатляют.
  Известны три пути повышения степени интеграции. Первый из них связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование технологических процессов, особенно литографии, а также процессов травления позволяло ежегодно уменьшать размер элемента примерно на 11 %. В настоящее время достигнут топологический размер 0,3-0,5 мкм, а в ряде экспериментальных работ используется топографический рисунок с еще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение топологических размеров требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади кристалла - второй путь повышения степени интеграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших размеров - весьма сложная технологическая задача: наличие дефектов резко
 349
 
 снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость интегральной схемы. Третий путь заключается в оптимизации компоновки элементов.
  Тенденция к усложнению интегральных схем - от больших (БИС) в 70-х годах до ультрабольших (УБИС) в 90-х годах XX в. и гигантских (ГИС) после 2000 г. - выражается прежде всего в увеличении числа транзисторов на кристалле.
  При разработке транзисторов открывались новые направления в полупроводниковой электронике. Одно из них связано с разработкой полевого транзистора, выполняющего функцию резистора, управляемого напряжением. Типичный полевой транзистор имеет структуру металл-окисел-полупроводник и носит название МОП-транзистор. Предполагается, что модифицированная технология МОП-транзисторных схем будет применяться для создания гигантских интегральных схем.
  Переход к сравнительно малым размерам элементов требует принципиально нового подхода. С уменьшением размеров элементов приходится отказаться от традиционных технологических операций. Так как длина волны света препятствует миниатюризации, фотолитография заменяется электронной, ионной и рентгеновской литографией. На смену диффузионных процессов приходят ионная и электронно-стимулированная имплантация. Термическое испарение и отжиг материала вытесняются ион-но-лучевой, ионно-плазменной, электронно-лучевой обработкой. Появилась возможность локального воздействия на поверхность полупроводникового кристалла.
  Технологический процесс создания современного нанотранзистора весьма сложен: он начинается с операции осаждения тонкопленочных слоев кремния на изоляторе (КНИ), кремния и двуокиси кремния (рис. 8.1, а) и заканчивается формированием многослойной структуры (рис. 8.1, е).
  Цр недавнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки, подобно тому как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену ей постепенно приходит молекулярно-инженерная технология, позволяющая создавать электронные схемы из отдельных атомов по аналогии с тем, как дом складывают из кирпичиков. Уже сейчас такая технология применяется в производстве приборов на молекулярных пленках, в молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой, электронно-стимулированной управляемой имплантации и т.п. Использование лучевых методов (электронно-лучевого, ион-но-лучевого, рентгеновского) позволяет получать элементы с размерами до 10-25 нм. Переход в нанометровый диапазон требует решения фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процес-350
 
 
 сам. В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом можно направленно изменять их физико-химические свойства, что позволяет получать тонкопленочные элементы с заданными локальными характеристиками. Сфокусированные ионные потоки - это уникальный инструмент для прецизионной обработки различных материалов.
 351
 
  В настоящее время в качестве основного материала полупроводниковых приборов используется кремний. С развитием нанотехнологии будут применяться и другие материалы: арсенид галлия, фосфид индия, кадмий-ртуть-теллур и т.п. Изменится и архитектура полупроводниковых приборов. Все процессы, определяющие работу интегральной схемы, происходят в основном в тонкой приповерхностной области толщиной до одного атомного слоя, образующего одномерную архитектуру. Минимальными частицами, способными управлять электроном, являются атомы. Уже предложены элементы памяти на отдельных атомах, на которых можно создать суперкомпьютер площадью 200 мкм2, содержащий 10 логических элементов, 109 элементов памяти, и способный работать на частоте 1012 Гц.
 8.5. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
  Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров. Лазер - это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вызывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интересного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекательном, из которой выходит тоненький луч - зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить? Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направлению - нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер - источник необыкновенного света, который может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить движущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза, и т. д.
  В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним: для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от источника в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожектора луч становится раза в два шире. Лазеру же собирающие зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово "почти" означает, что пучок лазер-352
 
 ного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал - около 10-5 рад, и тем не менее на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, направленный с Земли, дает пятно диаметром примерно 3 км.
  Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Преломляясь в призме, луч белого света превращается в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазерный луч - в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Благодаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись информации с высокой плотностью - крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации - сотни мегабайт. В-третьих, лазер - самый мощный источник света. В узком интервале спектра кратковременно (КГ-11с) достигается мощность излучения 1012-1013 Вт с одного квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же площади равна только 7 • 103 Вт, причем суммарно по всему спектру.
  Названные удивительные свойства лазерного излучения придали свету новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: "Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер - это целая техническая эпоха".
  В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер - рубино
 вый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лам
 пы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит
 на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркального ко
 жуха. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а
 иногда и жидким азотом. Частота генерации импульсных лазеров может
 достигать более 10 млн. вспышек в секунду. Излучение таких лазеров
 воспринимается как непрерывное. Вспышка импульсного лазера имеет
 огромную мощность - тысячи ватт. Излучение, сфокусированное в кро
 шечное пятно, можно применять для многих целей, о некоторых из них
 рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно,
 им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и
 сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее
 было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или
 резки. Существует и такое излучение, его обеспечивают газовые лазеры.
 Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в том же
 23 - 3290 353
 
 1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры работают на многих газах и парах. Все они дают непрерывное излучение в очень широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного света.
  Но на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Проносясь между зеркалами, молекулы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч мощностью 150-200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.
  Не только газовые, но полупроводниковые лазеры дают непрерывное излучение. Полупроводниковый лазер создал в 1962 г. американский ученый Р. Холл. На нем основана оптическая запись, о которой знают многие пользователи персональных компьютеров, державшие в руках лазерный диск, привлекательный не только своим внешним видом, но и своей информационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни тысяч страниц текста.
  Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия - соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В настоящее время ведутся работы по созданию полупроводникового лазера, способного генерировать непрерывное излучение большой мощности.
  Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах. А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых, и газообразных материалов: плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.
  Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочей жидкостью являются растворы анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной длины волны (от ультрафиолетового до инфракрасного света) и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя. Разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в 354
 
 возбужденное состояние при действии энергии накачки химических реакций. Большое внимание уделяется разработке мощных химических лазеров, преобразующих энергию химической реакции в когерентное излучение, и атомному лазеру, излучающему не свет, а пучок атомов.
  Волоконно-оптическая связь. На пути использования лазерного луча встали трудности: как передать его? Возникла интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти вперед. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню - толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки: волоконный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.
  В настоящее время успешно развивается волоконная оптика - раздел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи, но и целые картины. Гибкие волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их. По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.
  И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства - белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.
  Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазер
 ным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных
 пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было
 нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно "пе
 рекачивать" энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.
 23* 355
 
  Развитие лазерных технологий. Лазерные технологии по многообразию применений едва ли уступают охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронной технологии. Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах, а во-вторых, при селективном воздействии на атомы, ионы и молекулы, вызывающем процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимической реакции. В этой связи возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии, такие, как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, закаливает, сверлит, проверяет качество обработки деталей и производит множество других не менее важных операций. Обо всем этом рассказать невозможно, но кое о чем попытаемся.
  Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инфракрасный луч, позволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя. Лучом лазера можно резать листовую сталь толщиной до 40 мм. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движением управляет ЭВМ. При этом экономится до 15% материала.
  Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной "скорлупой", твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хрупкой. Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Деталь, обработанная лазером, устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат - гордость русских оружейников.
  Лазер помогает сажать самолеты. Идеально прямые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по которой самолет может точно выйти на посадку. Но лазер способен не только облегчать жизнь здоровых людей, он может и лечить больных. Лазер - хирург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инструменте, которым можно делать бескровные разрезы. Хорошо бы также, чтобы он был "понежнее". Ведь сегодня хирурги делают операции на сетчатке глаза и вторгаются в святая святых организма - человеческий 356
 
 мозг. Орудовать там скальпелем - все равно что чинить часы топором. Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу, - световой луч.
  Что может быть нежнее прикосновения луча света? Лазерным лучом можно сделать разрез шириной в тысячную долю миллиметра. В зависимости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может "заварить" кровеносный сосуд (медики говорят "коагулировать" его) или, наоборот, пробить в нем отверстие. Даже цвет луча оказался важен в хирургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи, поглощая лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для "заваривания" сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезанный сосуд. Такой свет дает аргоновый лазер. Бывают случаи, когда нужно разрушить поврежденную ткань, не затрагивая близлежащих сосудов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер; луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, "не заметив их", не принося им вреда, прямо в нужное место с поврежденной тканью.
  Особенно удобен оказался лазер в офтальмологии - области медицины, ведающей зрением. Лазерный луч можно ввести в глаз прямо через зрачок. С его помощью можно отрезать ненужный сосуд, заварить тот, который протекает, и ликвидировать кровоизлияния. Сегодня после многолетней практики лечения с помощью лазерного луча можно твердо сказать, что лазерная хирургия глаза - на правильном пути.
  Неописуемой красоты картины, нарисованные лазерными лучами, широко используются для оформления эстрадных концертов и театральных постановок. По-видимому, в ближайшем будущем специалист по лазерной оптике станет в театре столь же привычной фигурой, как гример или декоратор.
  Голография и распознавание образов. Однажды в музей небольшого города привезли коллекцию старинных драгоценностей. В витринах, освещенных яркими лампами, стояли маленькие застекленные шкатулки, а в них драгоценными камнями и эмалями сверкали старинные ордена и броши, тускло отсвечивали золотые кольца и браслеты работы древних мастеров, золотые самородки причудливой формы. Маленькая комната скромного провинциального музея превратилась в сказочную пещеру, заваленную несметными сокровищами. Выставка была подготовлена Алмазным фондом. Посетители рассматривали драгоценности, восхищались мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволновались сотрудники, дежурившие в зале: рабочий день закончился, почему же никто не приходит убирать драгоценности в сейф?! Стоимость не под-
 357
 
 дается оценке, а на окнах нет даже решеток, мало ли что! И тут в зал вошел электрик и повернул выключатель... Погасли лампы, и сразу пропали сияющие бриллианты, драгоценные эмали и золото. В витринах лежали листы стекла, мутного и как будто грязноватого. На выставке были не настоящие драгоценности, а фотопластинки с их изображениями! Но изображения эти не обычные, как на фотографиях, а объемные. Их можно рассмотреть с разных сторон и простым глазом, и в лупу. Их можно фотографировать. Вот только потрогать и унести их с собой нельзя. Способ записи такого объемного изображения носит название голография, а сами изображения и пластинки с их записью называются голограммами. В переводе с греческого "голография" означает "полная запись": изображение на пластинке дает иллюзию настоящего предмета.
  Если для получения голограммы взять параллельный пучок света, а для ее восстановления - расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным. И тем сильнее, чем больше расходится луч. Осветив голограмму светом не той же длины волны, а в 2, 3, 7 раз более длинной, мы опять-таки получим изображение, увеличенное во столько раз, во сколько одна световая волна длиннее другой! Таким способом можно построить голографический микроскоп, к тому же дающий объемное изображение.
  Получать изображение можно, разумеется, не только с объемных предметов, но и с плоских - букв, цифр, рисунков, фотографий. Это не означает, правда, что обычная плоская фотография после голографирования приобретет объемность. Нет, это делается для того, чтобы можно было автоматизировать и другой, тоже важный процесс - распознавание образов. Распознать нужный образ среди других,значит,сравнить все их с эталоном, выбрать один-единственный, идентичный ему. Задача эта порой бывает очень сложна, требует опытного глаза и длительного навыка. Проверьте, например, сколько времени у вас уйдет, чтобы в толпе фигурок на рисунке опознать две одинаковые. Признаков, по которым они сравниваются, всего пять-шесть. А если их будет тридцать-сорок? Задача становится неизмеримо сложнее и кажется, что она не может быть решена при помощи машины. Но оказалось, что и в этом нелегком деле может помочь лазер.
  Поставим на пути лазерного луча проверяемый кадр с запечатленными на нем образами (например, микрофотографию с изображением двух-трех сотен микробов), затем голограмму эталона, потом - экран. Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий - экран остается темным. Но вдруг на нем справа, сверху появилось яркое пятно. Это означает, что в правом верхнем углу кадра находится искомый образ! Если он в кадре не один, то и точек на экране будет несколько. Проверяемый кадр может быть не только диапозитивом. Поиск образов можно вести и на ри-358
 
 сунке, и на экране телевизора, в поле зрения микроскопа и даже просто в пространстве, освещенном лазерным светом. Вместо экрана ставится светочувствительный датчик, который срабатывает при появлении светового пятна и отмечает найденное изображение. На поиск при помощи голографии затрачивают в десятки тысяч раз меньше времени, чем при поиске вручную. Таким способом можно вести поиск любых образов при любом их числе, и даже не по целому образу, а по его фрагменту, небольшому кусочку. Такое изображение, восстановленное по фрагменту, называется фантомным (от французского слова "привидение", "призрак").
  Лазер - это не только объемная фотография и библиотека в кармане, не только новые сверхточные методы измерения и новая технология. Лазер способен давать многое, что стало уже привычным. От него можно ожидать и много неожиданностей, которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые полезные дела.
 8.6. СОВРЕМЕННЫЕ БИОТЕХНОЛОГИИ
  Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества - гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.
  Для увеличения производства продуктов питания нужны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится множество искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.
  Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта - целлюлозы - и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов - дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок - высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.
 359
 
 
  Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м3 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель. Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и дрожжевые культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5-2,5 т птицы или 15-30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
  Некоторые виды биотехнологий включают процессы брожения. Спиртовое брожение известно еще в каменном веке - в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массовое производство алкогольных напитков. Еще одно важное достижение в микробиологии - разработка в 1947 г. пенициллина. Двумя годами позже на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза впервые получены аминокислоты. К настоящему времени налажено производство антибиотиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания, стимуляторов роста, бактериологических удобрений, средств защиты растений и др.
  С использованием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать ферменты и тем самым расширить их область применения в биотехнологии. Появилась возможность производить множество ферментов при сравни-
 360
 
 тельно невысокой их себестоимости. Под воздействием искусственных ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу, которая затем преобразуется в фруктозу. Так, в США ежегодно производится более 2 млн. т кукурузной патоки с высоким содержанием фруктозы. Процесс ферментации применяется в производстве этилового спирта. Кукурузный и пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (рис. 8.2). Однако чаще такое растительное сырье потребляется в качестве пищевых продуктов. Для ферментации можно использовать биомассу в виде отходов сельского и лесного хозяйств. Однако она содержит лигнин, препятствующий биокаталитическому расщеплению и ферментации целлюлозных компонентов. Поэтому природную биомассу необходимо предварительно очистить от лигнина.
  Дальнейшее развитие биотехнологий связано с модификацией генетического аппарата живых организмов.
 8.7. ГЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
  Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии зарождались в начале 70-х годов XX в. как методы рекомбинантных ДНК, названные генной инженерией. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный продукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого организма. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
  Основная цель генных технологий - видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которые введена нужная ДНК. Над биологическими объектами осуществляются целенаправленные химические операции, что и составляет основу генных технологий.
  Генные технологии привели к разработке современных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, - к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К
 361
 
 настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит "программировать" их на то, чтобы они приносили большой доход.
  Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов - переносчиков генов - используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.
  С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например внутри больницы или при эпидемиях.
  Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое - улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т.е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление - получение вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.
  За последние годы генные технологии значительно улучшили эффективность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцента антибиотика цефалоспоринаувеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15-40%.
  Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бактериям и улучшить качество конечного продукта.
  Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Вот примеры. В результате модификации тех или иных растений можно повысить их устойчивость к инфекционным болезням. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. 362
 
 
  В настоящее время трансгенные растения промышленно выращиваются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, Китае, Испании, Франции и других странах. С каждым годом увеличиваются площади под трансгенными растениями (рис. 8.3). Особенно важно использовать трансгенные растения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорняков, болезней и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.
 363
 
  Не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий? Практика показывает, что генные технологии с начала их развития по сей день, т.е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все ре-комбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т.е. менее болезнетворны, чем их исходные формы. Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Более правильно говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут как, безусловно, положительное, важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регламентированы, и цель такой регламентации - уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов. Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект.
 8.8. ПРОБЛЕМА КЛОНИРОВАНИЯ
  Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть, соматическая клетка человека способна породить новый полноценный организм. Клонирование человека - это шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном - воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997-1998 гг. были переполнены различные источники массовой информации во многих странах.
  По принятому в науке определению, клонирование - это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Воспроизведенные копии обладают идентичной наследственной информацией, т.е. имеют одинаковый набор генов.
  В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработанной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза - бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. В нашей стране блестящие работы по подобному клонированию выполняют на шелкопряде. 364
 
 Выведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.
  Однако речь идет о другом клонировании - о получении точных копий, например, коровы с рекордным надоем молока или гениального человека. Вот при таком клонировании и возникают весьма и весьма большие сложности.
  Еще в далекие 40-е годы XX в. российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 г. он отправил в "Журнал общей биологии" статью, написанную по материалам своих экспериментов. Однако, на его беду, в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердившая беспредельное господство в биологии агронома Т.Д. Лысенко (1898-1976), создателя псевдонаучного учения, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы XX в. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как иногда случалось в истории российской науки.
  В феврале 1997 г. сообщалось о том, что в лаборатории шотландского ученого Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих и на его основе родилась овца Долли. Говоря доступным языком, овца Долли не имеет отца - ей дала начало клетка матери, содержащая двойной набор генов. Известно, соматические клетки взрослых организмов содержат полный набор генов, а половые клетки - только половину. При зачатии обе половины - отцовская и материнская - соединяются и рождается новый организм.
  Как же производился опыт в лаборатории Яна Вильмута? Вначале выделялись ооциты, т.е. яйцеклетки. Их извлекли из овцы породы Шотландская черномордая, затем поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37 °С и провели операцию энуклеации - удаления собственных ядер. Следующая операция заключалась в обеспечении яйцеклетки генетической информацией от организма, который надлежало клонировать. Для этого наиболее удобными оказались диплоидные клетки донора, т.е. клетки, несущие полный генетический набор, которые были взяты из молочной железы взрослой беременной овцы. Из 236 опытов успешным оказался лишь один - и родилась овечка Долли, несущая генетический материал взрослой овцы. После этого в различных средствах информации стала обсуждаться проблема клонирования человека.
  Некоторые ученые считают, что фактически невозможно возвратить изменившиеся ядра соматических клеток в исходное состояние, чтобы
 365
 
 они могли обеспечить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть (хотя это маловероятно), клонирование человека нельзя считать научно обоснованным. Действительно, допустим, что трансплантировали развивающиеся яйцеклетки с чужеродными донорскими ядрами нескольким тысячам приемных матерей. Именно нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну-единственную рожденную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Представляете себе - тысячи искусственно полученных уродов! Это было бы преступлением, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные. Что касается млекопитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, генотерапии и т.п.

<< Пред.           стр. 11 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу