<< Пред. стр. 5 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу
Вторая мировая война замедлила поступь циклотронов. Но стоило ей отгреметь, как новшества позволили существенно нарастить мощь установок. Появился синхротрон, где изменением магнитного поля частицы разгонялись по орбитам с неизменным радиусом. Это позволяло уменьшить пространство, где поддерживался вакуум, и тем самым упрощалось управление пучком.
Рис. 1.2. Эрнест Лоуренс с макетом циклотрона
Затем стали удерживать частицы на круговой орбите, компенсируя потери на излучение. Это обеспечивало так называемое накопительное кольцо. Наконец поставили два таких кольца, так что пучки частиц направляли друг на друга. Такое перекрестное расположение накопительных колец позволило получить много важнейших сведений об элементарных частицах. В Соединенных Штатах крупнейший ускоритель принадлежит Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс), близ Чикаго. Созданная в 1968 году лаборатория располагает самым мощным в мире ускорителем частиц "Tevatron", способным обеспечивать встречные пучки энергией порядка 0,980 трлн. эВ (ТэВ): разгоняющихся по часовой стрелке протонов и против часовой стрелки - антипротонов. Протон-антипротонное столкновение в точках взаимодействия частиц создает энергию 1,96 ТэВ.
Для более подробного ознакомления с проблемой см. узел Всемирной Паутины www.fnal.gov
Фундаментальными изысканиями занят CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям), расположенный на границе Франции и Швейцарии. CERN располагает десятью ускорителями. Там ведут исследования ученые 80 национальностей из 500 университетов. Более подробные сведения о CERN'e см. на узле Всемирной Паутины
http://public.web.cern.ch/Publiс
Крупнейший ускоритель в CERN'e, электрон-позитронный коллайдер (LEP) имел самую длинную в мире траекторию разгона пучка 27 км. LEP теперь в прошлом; его тоннель переоборудуется для использования уже в качестве большого адронного коллайдера (LHC), где протоны будут сталкиваться с протонами при энергии 7 ТэВ. Со вступлением в строй в 2005 году он станет крупнейшим в мире.
Для более подробного ознакомления с LHC см. узел Всемирной Паутины http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/
Некоторые теоретики считают, что новый LHC сможет создавать крохотные черные дыры со скоростью одной такой дыры в секунду, называя его производителем черных дыр. Эти черные дыры будут исчезать в течение долей секунды, но при этом возможно возникновение всеми разыскиваемой частицы - бозона Хиггса, о которой шла речь в гл. 2. По словам сотрудника Мэрилендского университета Грегори Ландсберга, все это вполне может случиться "за один час работы" в "черных дырах на большом адронном коллайдере" (S. Dimopoulos, G. Landsberg, Physical Review Letters 87 (2001): 161602).
Узлы Всемирной Паутины:
www.aip.org/history/lawrence/first.htm ;
www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/early-years.html
3. Фермионы и бозоны
Все частицы, составляющие Вселенную, распадаются на две группы: фермионы и бозоны. Подобное различение ввели аспиранты Лейденского университета (Голландия) Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Уленбек. Гаудсмит, больше занятый исследованиями, заметил дополнительное расщепление спектра излучения атомов гелия. Уленбек, лучше знавший классическую физику, усмотрел причину такого расщепления в некоем внутреннем свойстве электрона. Вместе они пришли к заключению, что электрон изначально обладает определенным угловым моментом - спином [статья 1925 года в Die Naturwissenschaften. № 13. S. 953-954].
Основы квантовой механики тогда только закладывались, так что данное представление привело к добавлению четвертого квантового числа (помимо главного, орбитального и магнитного), названного спиновым квантовым. Электрон изображают в виде крошечного, стремительно вращающегося волчка, однако подобное описание не надо воспринимать буквально. Внутренний угловой момент электрона, спин, равен ±1/2(h/2р)где h - постоянная Планка. Понятие "спин" связано с привычным взглядом на электрон, поскольку спиновое квантовое число имеет два значения +1/2(h/2р)и -1/2(h/2р)соответствуя как бы вращению [ускоряющемуся] "вверх" и вращению [падающему] "вниз". В 1928 году разработка британским физиком П. Дираком релятивистской квантовой механики подвела теоретическую базу под спин электрона; догадка Гаудсмита и Уленбека оказалась весьма удачной.
В 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули заключил, что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии на одном и том же месте. Этот принцип запрета Паули лежит в основе Периодической таблицы химических элементов.
При изучении статистического поведения электронов итальянско-американский физик Энрико Ферми и Дирак разработали теорию статистики Ферми-Дирака. Ее положения в дальнейшем были распространены и на другие частицы с полуцелым спином h/2р. Эти частицы, названные фермионами, охватывают собой все лептоны и кварки. Таким образом, массу Вселенной составляют фермионы.
Изучением частиц с нулевым или целым спином h/2р в 1924 году занимался индийский физик Шатьендранат Бозе. Работая в университете г. Дакка (Бангладеш), Бозе послал результаты своих изысканий для отзыва Эйнштейну. Тот перевел его труд на немецкий язык и настоятельно посоветовал издать [Bose S. N. Plancks Gesetz und Lichtquanten Hypo-these // Zeitschrift fur Physik. 1924. № 26; на рус. яз.: Бозе Ш. Закон Планка и гипотеза световых квантов // Эйнштейн А. Собр. научных трудов. М., 1966]. На следующий год Эйнштейн расширил результаты Бозе с учетом всех частиц, не являющихся фермионами [Einstein A. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases // Sitzungsberichte der PreuBischen Akademie der Wissenschaften, Phys-math. Kl. 1924; 1925; на рус. яз.: Эйнштейн А. Квантовая теория одноатомного идеального газа // Собр. научных трудов. Т. 3]. Статистическое поведение таких частиц стали именовать статистикой Бозе- Эйнштейна. Подчиняющиеся этой статистике частицы Дирак назвал бозонами. Переносчики всех взаимодействий - фотон у электромагнитного, глюоны у сильного, и W- и Z-частицы у слабого - относятся к бозонам.
Если два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, то для бозонов такого ограничения не существует. И действительно, чем больше бозонов находится в определенном энергетическом состоянии, тем больше вероятность уподобления им всех прочих бозонов. Данное явление лежит в основе вынужденного излучения в лазерах, когда фотоны приводятся в одно и то же энергетическое состояние. Такого рода "стадность" помогает объяснить сверхтекучесть гелия и даже сверхпроводимость, когда электроны сбиваются в пары и действуют уже как бозоны. В 1995 году удалось так снизить температуру газообразного рубидия, что все атомы обрели одно и то же квантовое состояние. Подобное скопление называют конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Склонность к "одиночеству" у фермионов и "общительность" бозонов делают их столь непохожими. Но это различие оказывается определяющим для природы Вселенной. Например, если бы фермионы объединялись подобно бозонам, все электроны в атоме собирались бы на самом нижнем энергетическом уровне, и тогда не могло бы быть и речи о химических реакциях, а стало быть, и о жизни.
4. Внеземная жизнь
Я говорил о летающих тарелках со множеством людей. Мне было любопытно: они настаивали, что такое возможно. И это так. Подобное возможно. Но они не понимают, что вопрос-то не в показе того, возможно такое или нет, а в том, существует это или нет.
Ричард Ф. Фейнман, физик, Нобелевский лауреат
Ученых, как и всех, будоражит возможность существования внеземной жизни. Однако действительность такова, что, помимо представлений на кино- и телеэкране, на страницах книг, на сайтах Всемирной Паутины и бесчисленного числа рассказов "очевидцев", нет ни одного научного свидетельства наличия жизни вне Земли. Тем не менее научные поиски ведутся на обоих фронтах, теоретическом и экспериментальном.
Теоретические поиски
Какие формы жизни возможны?
¦ Жизнь на углеродной основе, подобно нашей. Выражая мнение большинства, покойный химик Сирил Поннамперума из Мэрилендского университета полагал, что химия живого на Земле может быть обобщена на всю Вселенную. По его словам, данные "свидетельствуют, что создание и соединение кирпичиков жизни (аминокислот и нуклеотидов), похоже, было неизбежным, стоило лишь заработать химической печи земного "первичного бульона"", и "в случае существования жизни где-то еще на просторах Вселенной в химическом от ношении она была бы крайне схожей с жизнью на Земле".
Большинство ученых соглашаются, что, несмотря на образ пучеглазых зеленых пришельцев, насаждаемый производителями игрушек, любая внеземная форма жизни будет существенно разниться от людей. Однако некоторые структурные и функциональные составляющие могут оказаться общими. Например, подобные глазам датчики для восприятия фотонов (возможно, в невидимой области спектра), два подобных глазам датчика для определения расстояния и кратчайший путь к устройству обработки данных от датчиков (мозгу) представляются схожими. Далее, вполне уместно компактное телесное устройство, включающее конечности для управления окружающими предметами и отдельные приспособления для передвижения. В некотором отношении голливудский образ пришельца может оказаться не столь далеким от действительности.
¦ Жизнь не на углеродной основе. Помимо углерода остовом жизни может вполне послужить расположенный в таблице Менделеева как раз под ним кремний. После того как эту связь заметили в 1890-е годы, романист Г. Уэллс писал: "Какие фантастические картины предстают при подобном предположении: образы кремнеалюминиевых организмов - а почему бы и не кремнеалюминиевых людей, бродящих посреди атмосферы из газообразной серы, скажем, вдоль моря, где плещется жидкое железо при температуре доменной печи в несколько тысяч градусов".
Действительно, химические свойства кремния и углерода во многом сходны. Например, углерод при соединении с четырьмя атомами водорода образует метан (СН4), тогда как кремний дает в этом случае силан (SiH4). Химическое взаимодействие кремния с кислородом тоже роднит их (СО2 и SiO2), но наблюдается и существенное различие. Двуокись кремния образует трехмерную решетку, ее крепкие связи делают SiO2 твердым (песок), даже при высоких температурах.
В биохимии углеродной жизни энергия черпается из длинных углеводных цепей, которые разрываются посредством белковых ферментов-катализаторов. Отходами при этом являются вода и углекислый газ, которые легко выводятся из организма, поскольку находятся соответственно в жидком и газообразном состоянии. Кремниевой жизни пришлось бы иметь дело с твердыми отходами, удаление которых сопряжено с трудностями.
К тому же углеродные биологически важные молекулы обладают таким свойством, как хиральность (см. гл. 3), иначе говоря, трехмерность связей заставляет их при образовании спирали закручиваться либо вправо, либо влево. Данное свойство обеспечивает метаболизму гибкость, чего будет лишена кремниевая жизнь, у которой склонность к хиральности проявляется значительно слабее.
Наконец, распространенность. В 2002 году в космосе удалось обнаружить 113 углеродных молекул, тогда как кремниевых оказалось всего 10. Если и существуют формы жизни на основе кремния, похоже, они будут занимать значительно меньшую нишу по сравнению с углеродной жизнью.
Итак, насколько вероятно существование внеземных цивилизаций? В ноябре 1961 года Национальная академия наук организовала неофициальную встречу в местечке Грин- Банк, штат Западная Виргиния, по вопросу внеземной жизни. Радиоастроном из Национальной радиоастрономической обсерватории Фрэнк Дрейк привел уравнение, ставящее вероятность существования внеземной жизни в зависимость от ряда сомножителей, определяемых отдельно. Данное уравнение, названное Дрейком уравнением Грин-Банк, стало общепризнанным и было переименовано в уравнение Дрейка:
Число внеземных цивилизаций = (рождаемые за год звезды) х
х (f планет) х (f жизненной зоны) х (f жизни) х (f разума) х
х (f межзвездной связи) х (время жизни).
Для оценки количества "сообщающихся" цивилизаций (которые посылают и принимают послания) в галактике Млечный Путь необходимо прежде оценить семь сомножителей, где/принимают значения от 0 до 1.
1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет ?
Большие звезды слишком недолговечны, а малые чересчур холодны, так что остаются лишь звезды средней величины.
2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты ?
Согласно нынешнему уровню понимания процесса образования звезд, вполне вероятно, что вокруг большинства таких звезд могли бы обращаться планеты.
3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни ?
На Земле решающее значение имеет наличие свободной воды в жидком состоянии. Венера для этого слишком жаркая, а Марс слишком холоден, так что в нашей Солнечной системе лишь одна планета находится в жизненной зоне - Земля. Большое значение могла иметь и Луна. Приливно-отливные явления способны повлиять на зарождение жизни, заставляя то наполняться, то высыхать водоемы, приводя к образованию "первичного бульона" нужной концентрации.
Неведомую пока роль в становлении жизни могли сыграть большие внешние планеты, особенно Юпитер, отводя идущие к внутренним планетам астероиды или кометы. Такой "громоотвод" защитил Землю от нежелательных воздействий, которые могли замедлить или даже прервать ход жизни.
4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?
Оценка данного множителя делит людей на пессимистов и оптимистов. Некоторые, например Нобелевский лауреат бельгийский биохимик Кристиан Де Дюва, полагают, что при достаточном количестве углерода и воды в жидком состоянии, соответствующей температуре и достаточном сроке зарождение жизни неизбежно. Другие приводят массу примеров всевозможных тонкостей в устройстве даже одноклеточного организма и говорят, что жизнь - крайне редкое событие, возможно, даже единственное в своем роде. Ученые расходятся в оценках данного множителя. Некоторые вообще сомневаются в целесообразности подобного подхода ввиду столь больших разногласий. И все же в отсутствие свидетельств это лишь предположение, которое не стоит воспринимать слишком уж всерьез.
5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума ?
На Земле многие виды выказывают разумное поведение, порой это относится и к людям. Поскольку разум показывает незаурядную способность к выживанию, то, пожалуй, при достаточном сроке он может развиться у многих форм жизни.
6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?
И люди, и дельфины представляют разумные формы жизни на Земле, но только разработанные человеком технические средства издают поддающиеся обнаружению сигналы, так что для данной оценки обычно берут величину от 0,05 до 0,5.
7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?
Данная оценка может служить очередным пробным камнем для выявления оптимистов и пессимистов. Оптимисту видится цивилизация в миллионы лет, тогда как пессимист, глядя на нашу цивилизацию, говорит о близком конце. Не забывайте, что уравнение Дрейка составлялось для радиоастрономии. Цивилизация могла оставить радиопозывные, создав более действенные средства, или же вообще забросить радио, найдя более интересные занятия. Что касается нас, мы стали передавать радиопозывные чуть более 100 лет назад, так что самые ранние из этих посланий углубились в космос на расстояние 100 световых лет.
Перемножение всех этих сомножителей дает оценку общего числа "сообщающихся" цивилизаций в галактике Млечный Путь, которая колеблется от миллиардов (у оптимистов) до одной - нашей с вами. У Дрейка эта величина составляла 10 тыс. Современные оценки часто сводятся к числу "сообщающихся" цивилизаций, примерно равному количеству лет, в течение которых цивилизация передает поддающиеся обнаружению сигналы.
Некоторые считают, что уравнение Дрейка - лишь краткое выражение нашего неведения, однако полезно поразмышлять над каждым из сомножителей. К тому же уравнение позволяет получить еще одну оценку: среднего расстояния между "сообщающимися" цивилизациями. При всех пессимистичных или оптимистичных оценках семи перечисленных сомножителей среднее расстояние между "сообщающимися" цивилизациями в галактике Млечный Путь составляет от сотен до тысяч световых лет. Если путешествие света от одной цивилизации к другой займет несколько сотен лет, то связь между ними займет больше времени, чем выход скрипучих старых модемов в Интернет, если вы еще это помните. И все же для насчитывающей миллионы лет технически развитой, ширящейся цивилизации с ее стремлением заселить Галактику путешествие в тысячу лет к новому миру - не такое уж и безрассудство.
С учетом того, что Солнечная система существует лишь последнюю треть жизни Галактики, многие звезды имеют довольно большую фору. Возможно, там уже достигли нужного технического уровня развития и принялись заселять Галактику. Принимая в расчет размеры Галактики и допустимую скорость тамошних космических кораблей, вполне вероятно, что подобный план можно было бы осуществить за 2 млн лет. Такой срок велик в отношении жизни отдельного человека, но мал по сравнению с возрастом Галактики. Иначе говоря, технически передовые цивилизации вполне могли бы заселить Галактику в духе "звездного пути", "звездных войн" или иных научно-фантастических произведений.
В 1950 году ученые трудились в Лос-Аламосе над созданием водородной бомбы. Тон их застольным беседам часто задавал Энрико Ферми своими каверзными вопросами. Размышляя над временем, отпущенным инопланетянам на заселение Галактики, Ферми заметил: "Вы никогда не задумывались, где все они находятся?" Вопрос впоследствии стал звучать иначе: "Где они?" - и получил название парадокса Ферми. Любой теории о внеземной жизни приходится иметь дело с этим простым, но веским доводом.
Экспериментальные поиски
Об оценках, необходимых для решения уравнения Дрейка, физик Филип Моррисон заметил: "Неправильная постановка вопроса. На самом деле вопрос таков: надо ли нам что-то предпринимать для уяснения существа дела?.. А уяснение требует практических шагов".
Первые практические шаги в этом направлении предпринял не кто иной, как Фрэнк Дрейк. Ежедневно в течение шести часов с апреля по июль 1960 года 25-метровая параболическая антенна Национальной радиоастрономической обсерватории на частоте 1420 МГц наблюдала за двумя звездами примерно одного возраста с нашим Солнцем.
Сигналы со звезд Тау Кита и Эпсилон Эридана оказывались радиопомехами, и лишь однажды донеслись некие послания, но это были сигналы с секретного военного объекта. Проект "Озма", названный по имени королевы Оз придуманной американским писателем Лайменом Фрэнком Баумом (1856- 1919) страны с "удивительными и необычными существами" [более известной у нас по пересказам писателя Волкова ("Волшебник Изумрудного города")], не дал положительных результатов, но начало поиску внеземного разума было положено.
Для прослушивания внеземных сообщений и даже отправки собственных, в случае если "там" нас прослушивают, был разработан ряд других проектов. Самый крупный под названием SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence - "Поиск внеземного разума") начался в 1984 году. (Для более подробного ознакомления см. узел Всемирной Паутины www.seti.org.) Фильм "Контакт", снятый по роману астронома Карла Сагана, довольно точно воспроизводит многие стороны проекта SET1, где Джоди Фостер играет героиню, во многом похожую на Джилл Корнер Тарнер, соучредителя SETI (см. очерк о ней "An Ear to the Stars" в ноябрьском номере журнала Scientific American, 2002). Естественно, голливудские поиски оказываются более удачными по сравнению с действительностью.
Другие направления связаны с поиском оптических сигналов от лазеро⇇‡‡‡‡‡‡‡ и проектом SERENDIP§§§§§§§§§ ("Поиск внеземных радиосигналов от близлежащих развитых разумных миров"), поддержанным писателем-фантастом Артуром Кларком.
Недавно вышедшие книги и статьи на эту тему: Shostak S. Sharing the Universe: Perspectives on Extraterrestrial life. Berkeley Hills Books, 1998; McDonald K. Life in Outer Space: The Search for Extraterrestrials, Raintree/Steck-Vaughn, 2000; Hazen R. M. Why Aren't black Holes Black? Anchor, 1997; Crawford I. Where They Are? // Scientific American. 2000. July; Greenwald J. Who's Out There? // Discover. 1999. April; Davies P. Are We Alone? Basic Books, 1996.
Если вы пожелаете участвовать в проекте SETI, можете загрузить в свой компьютер программу, которая будет получать данные через Интернет и обрабатывать их на вашем компьютере, когда он будет находиться в режиме ожидания с появлением заставки, отображать сигналы и посылать их обратно SETI. Для получения программы обращайтесь на сайт по адресу: http://setiathome.ssl.berkeley.edu/download.htm l
Но есть еще одна будоражащая воображение возможность: жизнь на основе темной материи (темной энергии). Ввиду отсутствия взаимодействия темной материи (темной энергии) и обычного вещества (обычной энергии) мы не можем воспринимать их, как и они нас. А если учесть преобладание темной энергии (темной материи) над обычным веществом, то основанные на них формы жизни могут оказаться столь огромными по величине или по численности, что мы окажемся букашками, совершенно неведомыми истинным формам жизни Вселенной или не замечаемыми ими.
5. Аминокислоты
Аминокислоты состоят из углерода (обозначаемого альфа-углерод) и связанных с ним четырех групп (рис. 1.3). Группы таковы: карбоксильная (СОО--), представляющая собой кислоту; аминогруппа (H3N+) - основание; водород (Н) и обозначаемая знаком R группа - боковая цепь, своя для каждой аминокислоты.
При ковалентной связи углерода карбоксильной группы аминокислоты с азотом аминогруппы другой аминокислоты выделяется молекула воды и образуется пептидная связь. Белковые молекулы состоят из большой цепи аминокислот, соединенных пептидной связью.
В пищеварительной системе животных аминокислоты выделяются при переваривании белковых молекул, после чего кровотоком доставляются к клеткам организма, где повторно используются.
Аминокислоты идут на "сборку" белков в соответствии с "чертежом", хранящимся в клеточной ДНК и претворяемым в жизнь РНК при содействии белковых катализаторов (ферментов). Таким образом, большинство необходимых организму аминокислот можно собрать из имеющихся в нем аминокислот. Это так называемые заменимые аминокислоты. Те же, которые должны поступать с пищей, относятся к незаменимым аминокислотам.
Более 100 аминокислот встречаются у растений и бактерий, у животных же их 20. В приведенной таблице даны названия, принятые сокращенные обозначения и химические формулы (линейная запись) 20 аминокислот животных.
Аминокислота
Обозначение
Молекулярная формула
Алании
alaA
CHrCH(NH2)-COOH
Аринин
arg R
HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-CH(NH,)-COOH
Аспарагин
asn N
H2N-CO-CH2-CH(NH2)-COOH
Аспарагиновая кислота
asp D
HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH
Цистеин
cysC
HS-CH2-CH(NH2)-COOH
Глутаминовая кислота
glu E
HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH
Глутамин
glnQ
H2N-CO-(CH2)2-CH(NH2)-COOH
ГЛИЦИН
gly G
NH2-CH2-COOH
ГИСТИДИН
his H
NH-CH=N-CH=C-CHrCH(NH2)- COOH
Изолейцин
ile I
CH3-CH2-CH(CH3)-CH(NH2)-COOH
Лейцин
leu L
(CH3)2-CH-CH?-CH(NH2)-COOH
Лизин
lysK
H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH
Метионин
met M
CH3-S-(CH2)2-CH(NH2)-COOH
Фенилаланин
phe F
Ph-CH2-CH(NH2)-COOH
Пролин
pro P
NH-(CH2)3-CH-COOH
Серии
ser S
HO-CH2-CH(NH2)-COOH
Треонин
thr T
CH3-CH(OH)-CH(NH2)-COOH
Триптофан
trp W
Ph-NH-CH=C-CH2-CH(NH2)- COOH
Тирозин
tyr Y
HO-Ph-CH2-CH(NH2)-COOH
Валин
val V
(CH3)2-CH-CH(NH2)-COOH
Источник: http://chemistry.about.com/library/weekly/aa080801a.htm
6. Построение модели ДНК
Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.
Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K'NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.
Данная модель собрана на основе набора K'NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com ).
Рис. 1.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)
Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://c3.biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html
По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.
Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона-Крика.
При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря "подгонке" этих ферментов к молекулам.
7. Кодоны
Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген - последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.
Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.
¦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.
¦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.
Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?
¦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.
¦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 42 = 16 аминокислот.
¦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 43 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет - три идущих вместе основания.
Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.
Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.
Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.
В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.
У
Ц
А
Г
У
УУУ = фен УУЦ = фен УУА = лей УУГ = лей
УЦУ = сер УЦЦ = сер УЦА = сер УЦГ = сер
УАУ = тир УАЦ = тир УАА = стоп УАГ = стоп
УГУ = цис
УГЦ = цис
УГА = стоп
УГЦ = трп
У
Ц
А
Г
Ц
ЦУУ = лей ЦУЦ = лей ЦУА = лей ЦУГ = лей
ЦЦУ =про ЦЦЦ = про ЦЦА = про ЦЦГ = про
ЦАУ = хиз ЦАЦ = хиз ЦЦА = глн ЦАГ = глн
ЦГУ = арг ЦГЦ = арг ЦГА = арг ЦГГ = арг
У
Ц
А
Г
A
АУУ = иле
АУЦ = иле
АУА = иле
АУГ = мет
АЦУ = тре
АЦЦ = тре
АЦА = тре
АЦГ = тре
ААУ = асн
ААЦ = асн
ААА = лиз
ААГ = лиз
АГУ = сер
АГЦ = сер
АГА = арг
АГГ = арг
У
Ц
А
Г
Г
ГУУ = вал
ГУЦ = вал
ГУА = вал
ГУГ = вал
ГЦУ = ала
ГЦЦ = ала
ГЦА = ала
ГЦГ = ала
ГАУ - асп
ГАЦ = асп
ГАА = гл
ГАГ = глу
ГГУ = гли
ГЦЦ = гли
ГГА = гли
ГГГ - гли
У
Ц
А
Г
Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.
СТАРТ
АУГ,
ГУГ
Лей
УУА,
УУГ,
ЦУУ,
ЦУЦ,
ЦУА,
ЦУГ
Ала
ГЦУ, ГЦЦ,
ГЦА, ГЦГ
Лиз
ААА,
ААГ
Apr
ЦГУ, ЦГЦ,
ЦГА, ЦГГ,
Мет
АУГ
АГА, АГГ
Асн
ААУ, ААЦ
Фен
УУУ,
УУЦ
Асп
ГАУ, ГАЦ
Про
ЦЦУ,
ЦЦЦ,
ЦЦА,
ццг
Цис
УГУ, УГЦ
Сер
УЦУ,
УЦЦ,
УЦА,
УЦГ,
АГУ,
АГЦ
Глн
ЦАА, ЦАГ
Тре
АЦУ,
АЦЦ,
АЦА,
АЦГ
Глу
ГАА, ГАГ
Три
УГГ
Гли
ГГУ, ГГЦ,
ГГА, ГГГ
Тип
УАУ,
УАЦ
Хиз
ЦАУ, ЦАЦ
Вал
ГУУ,
ГУЦ,
ГУА,
ГУ1
Иле
АУУ, АУЦ,
АУА
СТОП
УАГ,
УГА,
УАА
8. Укладка белков
Белки, плод усилий ДНК, РНК и белковых ферментов, несут на себе бремя жизни - в буквальном и переносном смысле. На два вида белков, из-за своего строения названных глобулярными [округлыми] и фибриллярными********** [вытянутыми], возложены многочисленные обязанности:
¦ Ферментный катализ. Глобулярные белки точно подлаживаются под определенные молекулы, вызывая жизненно необходимые химические реакции.
¦ Защита. Различные глобулярные белки берегут от определенных молекул, которые "подстраиваются" под облик белков.
¦ Транспортировка. Другая разновидность глобулярных белков занимается доставкой небольших молекул, опять же исходя из облика белка. Например, гемоглобин имеет полость, подстроенную под молекулу кислорода, переносит кислород через кровь и при необходимости "сгружает". Представьте, что случится, если молекула угарного газа займет полость в гемоглобине и "застрянет" там и гемоглобин уже не сможет доставлять кислород.
¦ Обеспечение волокнами. Коллаген - самый распространенный фибриллярный белок у позвоночных животных. Это молекулярная основа костей, связок, сухожилий и кожи.
¦ Движение. Молекулы актина и миозина обладают способностью скользить, обеспечивая сокращение мышц.
¦ Регуляция. Белки выступают в качестве поверхностных рецепторов клетки и внутренних регуляторов поведения гена вроде lac-репрессоров (см. гл. 4).
Внешний облик белка имеет решающее значение при выполнении многих задач, и он далеко не прост. Если длинную нить аминокислот, составляющих белок, уподобить волокну, то функциональный облик белка можно уподобить замысловатой корзине, сплетенной из этого волокна.
Сложное, трехмерное устройство белков впервые заметили в 1930-е годы, когда У. Т. Астбури получил различные рентгенограммы дифракционных полос натянутого человеческого волоса. Американский химик Лайнус Полинг, работая с Робертом Кори в 1951 году, основываясь на знании химических связей, предположил, что самые простые белковые молекулы имеют спиралевидное (а) или складчатое (Р) строение.
(В Англии Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик боялись, как бы Полинг раньше их не открыл строение ДНК. Оказалось, что Полинг работал с неверными данными и в итоге предпочел тройную спираль для ДНК вместо двойной, которую предложили Уотсон и Крик в 1953 году, имея на руках блестящие данные рентгенограмм Розалинды Франклин.)
Вскоре после выступления Полинга и Кори датский биохимик К. Линдерстрем-Ланг предложил четырехуровневое строение белка, исходя из теоретических соображений (см. рис. 3.6). Современный уровень знаний позволил добавить еще два уровня, о которых мы поговорим, рассмотрев вначале некоторые опытные данные.
В 1957 году химик Джон Кендрю после завершения в Кембриджском университете (Великобритания) большой работы с использованием методов рентгеноструктурного анализа определил точное трехмерное строение белка миоглобина, доставляющего кислород к мышцам. Посмотрев на итоговые результаты, Кендрю заметил: "Пожалуй, более всего эту молекулу отличают упорядоченность и отсутствие всякой симметрии". Все дело в том, что белки обычно имеют скрученное, витое трехмерное строение. Даже опытным исследователям нужно приложить немало усилий, чтобы усмотреть в моделях белков некие закономерности. Вот почему столь ценно знание многоуровневой организации белков.
Первичная структура белка определяется цепью аминокислот, собираемых РНК согласно "чертежу" ДНК. У белка со 100 аминокислотами каждое место может занимать любая из 20 аминокислот, так что в итоге можно получить 20100 совершенно различных белков. Столь огромная величина (10130), превышающая число атомов обычного вещества во Вселенной, свидетельствует о невероятном многообразии белков.
Вторичную структуру представляет а-спираль и складчатый (?-слой [?-тяж], как и предполагал Полинг. Эти структуры возникают вследствие притягивания положительно заряженных участков молекулы к отрицательным участкам той же молекулы и иных электрических воздействий.
Надвторичная структура (не показана) сочетает в себе две вторичные структуры или более, именуемые мотивами. Лист или складка имеет обычно мотив (???; так называемая укладка Россманна†††††††††† представляет собой сочетание ?????; другой распространенный мотив - ?-бочонок (образующий трубку ?-тяж).
Третичная структура часто образуется при реакции молекулы с водой, когда [гидрофобные, т. е. лишенные сродства с водой] участки молекулы плотно свертываются внутри ее, так что почти не остается свободного пространству. Такое плотное свертывание объясняет, почему некоторые мутации, связанные с замещением аминокислоты различной величины, могут изменять облик белка настолько, что он уже не в состоянии играть отведенную ему роль в метаболизме организма.
Домен (не показан) представляет собой участок белка, нередко из сотен аминокислот, имеющий своеобразный вид независимо от облика остальной молекулы. Домены можно уподобить узлам на длинной веревке.
Четвертичная структура описывает положение, когда две цепи аминокислот или более, именуемые подгруппами, соединяются, образуя один функциональный белок. Например, гемоглобин состоит из двух подгрупп: ?-цепи и ?-цепи. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией, замещающей аминокислоту в одном из углов кольца ?-подгруппы, образуя там "липучку", которая скрепляет одну молекулу гемоглобина с другой. В итоге молекулярная цепь оказывается слишком длинной, чтобы справляться со своими обязанностями.
Первичная структура белка, биологически неактивная, также подвержена воздействию других молекул, которые могут повлиять на ее строение и работоспособность. Поэтому белки от первичного состояния зачастую переходят к третичному или четвертичному за несколько минут или даже доли секунды. Данный процесс именуют укладкой (или сворачиванием). И наоборот, при изменении окружающих условий (температуры, кислотности, концентрации ионов) белок может изменить свой облик, или развернуться. Обратный процесс именуют денатурацией. Примером может служить добавление соли или уксуса в пищу, что сохраняет ее, разрушая белки микроорганизмов, которые в обычных условиях беспрепятственно размножались бы на пище.
Во многих случаях после денатурации белки возвращают свою биологически активную конформацию и продолжают функционировать как ни в чем не бывало.
Однако иногда возможна неправильная укладка. Например, когда вы варите яйцо, белки разворачиваются. Но при охлаждении яйца они не возвращаются к прежней укладке, а образуют нерастворимую массу (если яйцо сварено вкрутую).
На правильное и неправильное сворачивание белка влияют другие белки, именуемые шаперонинам臇‡‡‡‡‡‡‡‡, которые обычно помогают укладке, ускоряя ее и предотвращая неправильную укладку. Выявлено более 17 шаперонинов, некоторые из которых даже позволяют уже неправильно уложенному белку вернуться к правильной укладке. Ведутся обширные исследования по неправильной укладке, которая, возможно, является причиной болезни Альцгеймера и коровьего бешенства.
Ввиду огромного числа белков и еще большего количества всевозможных для них укладок изыскания в этой области требуют привлечения суперЭВМ для учета всех случаев. Подобно обработке данных, получаемых в рамках проекта SETI, вы можете загрузить на свой домашний компьютер программу по расчету белковых укладок, которая будет работать в виде экранной заставки при простое вашего компьютера. Если вас это заинтересовало, можете обратиться на узел Всемирной Паутины http://folding.stanford.edu / Уже на более чем 60 тыс. компьютеров запущена эта программа, что оказывает существенную поддержку проекту Folding@home.
Дополнительный источник информации:
www.faseb.org/opar/protfold/protein .htm
9. Генетические технологии
Поскольку операционные системы всех живых существ основаны на ДНК, возможность разрезать ДНК, перестраивать ее, а затем вновь собирать породила новую отрасль производства - генную технологию.
Многие растения и животные уже оказались подвержены действию данной технологии. Многие годы животноводы и растениеводы изменяли ДНК посредством селекционирования. Недавно стали прибегать к более прямым генетическим изменениям. Устойчивость к гербицидам, связывание азота и устойчивость к вредителям - вот немногие из подвергшихся изменению признаков. В итоге добились увеличения производства высокопитательных продуктов.
Обращение генетических технологий к человеку связано с этическими вопросами, которые необходимо решить, особенно в связи с отсутствием полной картины человеческого протеома, а значит, и неизвестным пока воздействием генетических изменений на человеческие признаки (см. гл. 4).
Косвенное использование генетических технологий уже существенно отразилось на жизни людей. Приводим перечень осуществляемых биотехнологических проектов.
Бактерии используются для получения прежде труднодоступных, нужных человеческому организму белков, таких как:
эритропоэтин (Erythropoietin), стимулирующий производство красных кровяных телец (эритроцитов);
гормон роста, способствующий нормальному росту;
инсулин, помогающий при диабете;
интерферон, применяемый при различных болезнях; механизм его действия еще не до конца понят;
профибринолизин (плазминоген), способствующий рассасыванию кровяных сгустков.
Теперь с помощью генной терапии лечат такие заболевания человека, как:
СПИД;
болезнь печени, вызванную а-1-антитрипсиновой недостаточностью; поражение печени может привести к хроническому гепатиту и циррозу;
некоторые разновидности рака;
хроническая гранулематозная болезнь (хронический семейный гранулематоз);
кистозный фиброз;
семейная гиперхолестеринемия;
болезнь Гоше, по имени французского дерматолога Филиппа Гоше (1854-1918), характеризуется накоплением глюкоцереброзидов в макрофагах главным образом селезенки, костей и печени; наследуется по аутосомно-доминантному типу;
гемофилия;
болезнь Хантера (мукополисахаридоз II типа), по имени канадского врача родом из Шотландии Чарльза Хантера (1873-1955), в 1917 году описавшего характерную симптоматику у двух мальчиков-братьев; характеризуется умеренно выраженной деформацией скелета, атрофией дисков зрительных нервов, пигментной дегенерацией сетчатки; наследуется по рецессивному, связанному с Х-хромосомой типу;
периферическая ангиопатия;
пуриннуклеозид-фосфорилазы недостаточность;
ревматоидный артрит;
тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН; англ. SCID - Severe Combined Immunodeficiency).
Подобные списки устаревают уже при их обнародовании, пополняясь болезнями чуть ли не ежедневно. Для получения самых свежих сведений обращайтесь к следующим узлам Всемирной Паутины, размещающих новости в сфере биотехнологий:
www.bioethics.net/news/html/biotech.php
http://life.bio.sunysb.edu/biotech/ntws/
www.mc.maricopa.edu/~tdclark/html/biotechnology_news.html
http://ucbiotech.org/~news/
Уяснение нами природы теломер - пример того, как знание работы генома (протеома) можно перевести на язык технологий. Повторяющийся участок в конце хромосомы, именуемый теломерой, часто состоит из повторяющейся много раз последовательности ТТАГГГ, которую можно было бы уподобить словам "и т. д., и т. д., и т. д."... В некотором смысле эти повторяющиеся последовательности можно рассматривать как "бросовую" ДНК, поскольку в них не кодируется сборка белков. При каждой репликации ДНК одна из повторяемых последовательностей физически отделяется от молекулы ДНК, укорачивая ее. После отбрасывания всех повторяющихся последовательностей при следующей репликации ДНК отпавшие основания оказываются уже не "шапочками" повторяющихся концов [хромосомы], а частью чертежа для специфичного белка. Данное явление, напрямую связываемое со старением клетки, именуют пределом Хейфлик১§§§§§§§§. Азотистых оснований, необходимых для сборки определенного белка, больше нет, поэтому белок не собирается должным образом, а значит, и не может выполнять возложенных на него обязанностей в полном объеме. Если этот белок играет жизненно важную роль в метаболизме организма, подобный сбой означает смерть.
Предположим, что организм использует данный белок для борьбы с определенным вирусом. Прежде белок собирался правильно и вирус одолевал.
Но с уходом всех повторяющихся ТТАГГГ последовательностей стало невозможным собирать стойкий к вирусу белок, и вирус безраздельно завладел организмом. Возможно, поэтому флавивирусы*********** вроде возбудителя лихорадки Западного Нила легче поражают пожилых людей.
Вместе с тем раковые клетки не старятся. Они безгранично воспроизводятся. Так что же происходит с их повторяющимися последовательностями ТТАГГГ, которые должны отпадать? Оказывается, существует фермент, именуемый теломеразой, который при активации восстанавливает на конце хромосомы недостающие последовательности ТТАГГГ, позволяя тем самым клетке размножаться вне отведенных ей пределов.
Защите против некоторых видов рака, возможно, помог бы поиск активированной теломеразы. Кроме того, ввод тело-меразы при нераковых заболеваниях, возможно, продлил бы жизнь. Или же деактивация теломеразы после прохождения курса лечения раковым больным предотвратила бы опасность рецидива.
Продолжающиеся исследования в данной области во многом влияют на фармакологию.
Наблюдающийся в биотехнологии бум стал возможен после картирования генома модельных организмов и человека. Однако из-за носившего урывочный характер картирования генома человека (когда сведения поступали от различных исследователей) подстраивание фармацевтической продукции или генной терапии под каждого человека пока еще невозможно.
Такое положение должно вот-вот измениться.
15 августа 2002 года Дж. Крейг Вентер объявил о своем намерении создать новый центр по секвенированию ДНК под эгидой Института исследований генома (TIGR), Центра содействия геномике и Института альтернативной биологической энергетики.
В задачу этих учреждений входит расшифровка полного генома конкретного человека, производимая за несколько часов или минут, а не в течение месяцев или лет, которая бы стоила 2-3 тыс. долларов, а не сотни миллионов, как это было в случае с международным консорциумом Human Genome Project. Хотя Вентер и оговаривается, что "существующие технические средства не способны решить подобной задачи", он рассчитывает справиться с ней за десять лет. С появлением этих новых технических средств Вентер планирует одновременное секвенирование ДНК всех микробов, содержащихся в пробе морской воды, в качестве способа слежения за состоянием экологии.
Пусть подобные планы и выглядят чересчур оптимистичными, достижения Вентера позволяют надеяться, что его прогнозы оправдаются.
10. Парниковые газы
Парник обеспечивает растения теплом, благодаря тому что стекло пропускает солнечный свет видимой, высокочастотной части спектра, задерживая при этом исходящее от растений низкочастотное, инфракрасное излучение. Тем самым стекло служит ловушкой для нагретого воздуха. Как уже говорилось в гл. 5, поверхность Венеры, Земли и Марса нагревается благодаря атмосфере, действующей в данном случае подобно стеклу парника.
На рис. 1.5 показано взаимодействие излучения с земной поверхностью. Видимый свет от Солнца (1) большей частью проходит сквозь земную атмосферу, и лишь незначительное его количество отражается облаками. Солнечная энергия отчасти поглощается земной поверхностью (2) и отражается от нее (3). Затем молекулы земной поверхности излучают энергию в низкочастотном инфракрасном диапазоне (4). Газы
Рис. 1.5. Взаимодействие излучения с Землей
в атмосфере Земли отражают значительную часть инфракрасного излучения обратно на поверхность (5), тогда как в космос возвращается лишь малая толика (6). В итоге земная поверхность нагревается подобно воздуху внутри парника.
Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, которые не отражают инфракрасного излучения обратно на поверхность планеты. Это делают другие атмосферные газы, называемые поэтому парниковыми. Образуемые в атмосфере естественным путем, парниковые газы включают водяные пары, двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Промышленность существенно пополняет их число, создавая к тому же не встречающиеся в природе парниковые газы.
На долю двуокиси углерода среди парниковых газов приходится 76%. Природными источниками углекислого газа служат извержения вулканов, гниющие растения и разлагающиеся трупы животных, морские испарения и дыхание животных. Из атмосферы двуокись углерода удаляется через морскую воду и благодаря фотосинтезу как океанического планктона, так и биомассы на суше, включая леса и луга (именуемые поглотителями - sink). Человеческая деятельность (именуемая антропогенной), сопряженная с выделением углекислого газа в атмосферу, включает сжигание твердых отходов, ископаемого топлива, древесины и деревянных изделий.
Метан, составляющий 13% парниковых газов, называют также болотным газом. Метан выделяется при гниении растений, особенно на рисовых полях, бактериями, разлагающими органическое вещество в увлажненной почве и в кишечнике многих животных (вспомним коровью отрыжку). Метан порождается человеческой деятельностью при ведении горных работ и транспортировке ископаемого топлива, разложении твердых отходов на свалках и разведении домашнего скота.
Закись азота составляет 6% парниковых газов и выделяется естественным путем океаном и в результате почвенной деятельности бактерий. Человек привносит закись азота посредством азотных удобрений, установок по очистке сточных вод и выхлопов легковых и грузовых автомобилей.
Примерно 5% парниковых газов поставляются источниками человеческой деятельности. Сюда относятся водород-но-фтористый углерод (HFC), перфторированный углерод (PFC) и шестифтористая сера (SF6) †††††††††††, используемые в различных промышленных производствах.
Недавние прогнозы по поводу повсеместного потепления пробудили интерес к парниковым газам. Как и в случае с любой общечеловеческой проблемой, здесь имеют место научная, техническая, экономическая и этическая составляющие. Поскольку рассмотрение большей их части выходит за рамки нашей книги, сосредоточим внимание лишь на некоторых научных аспектах, связанных с обсуждением темы погоды в гл. 5.
Сначала рассмотрим рис. 1.6, где приводятся показания температуры за прошлые годы.
На графике видно, что средняя температура у поверхности Земли за последние 100 лет поднялась примерно на 1°F [5/9°С].
Изменения температуры у поверхности Земли
Рис. 1.6. Средняя температура у поверхности Земли
Отступление ледников, таяние ледникового покрова на Северном и Южном полюсах, увеличение испарения и количества осадков и подъем уровня океана служат дополнительными свидетельствами повсеместного потепления в прошлом. Очевидно, Земля становится более теплой.
Но вызван ли такой рост температуры недавним увеличением количества парниковых газов? Взглянем на рис. 1.7.
Содержание в атмосфере трех широко распространенных парниковых газов
Рис. 1.7. Содержание в атмосфере парниковых газов
Финансируемая ООН и состоящая из 2500 ученых Межправительственная комиссия по вопросу изменения климата (1РСС) пришла к заключению, что виной всему парниковые газы (см. узел Всемирной Паутины www.ipcc.ch /).Исходя из значительно большего числа природных источников парниковых газов по сравнению с антропогенными источниками, можно подумать, что рост объемов самих газов обусловлен чем-то иным, помимо деятельности человека. Однако климатологи утверждают, что естественные источники и поглотители примерно уравновешивают друг друга, так что отмеченный рост, вероятно, вызван антропогенными источниками.
Помимо поставки углекислого газа сжиганием ископаемого топлива и древесины большое влияние на состав атмосферы оказывает другой вид человеческой деятельности - вырубка лесов. Заготовка леса и расчистка земли под пашню и пастбища в тропической зоне приводят ежечасно к потере 3500 акров [1 акр = 4046,86 м2] лесных угодий. Углекислый газ поступает в атмосферу при сжигании деревьев, тогда как обезлесение сокращает число имеющихся на Земле поглотителей этого углекислого газа.
Необходимо также изучить долговременный кругооборот атмосферных газов для ответа на вопрос, не носят ли нынешние колебания более длительного характера. На основе изучения осадочных пород выявляются большие циклические изменения в содержании углекислого газа в далеком прошлом, однако данных этих мало и пока неясны причины подобных изменений.
Если тенденция к потеплению продолжится, это приведет ко многим нежелательным последствиям. Помимо очевидного роста уровня океана, что сделает непригодными для обитания некоторые прибрежные районы, а также вызовет увеличение солености пресноводных озер и рек, климат станет более суровым, приведя к человеческим и материальным потерям. Все это отразится на здоровье людей: тропические насекомые и болезни переместятся в умеренную зону; существенно возрастет риск заболевания диабетом, малярией, тепловых ударов, тепловой прострации и одышки.
Как уже говорилось в гл. 5, машинные модели климата содержат много неясного, что связано с трудностями моделирования; изменением солнечной активности; переменчивым характером облачности; сложностью математического аппарата, обусловленной характеризующими климат взаимосвязанными нелинейными переменными, обратной связью; слишком большим размером ячеек [покрывающих синоптический район сетки] и крайне малым количеством данных. Как и в случае с погодой, заключение межправительственной комиссии IPCC основывалось на сборном прогнозе. Предсказывалось неблагоприятное воздействие на здоровье человека, природные экосистемы и земледельческое и приморское население, но с оговоркой ввиду большого числа неучтенных факторов.
Противоположная, достаточно аргументированная точка зрения состоит в том, что нынешнее повсеместное потепление выступает лишь частью некоего более длительного цикла, нам пока не ясного, и любая человеческая деятельность крайне мало отражается на нем.
Долгосрочные действия по уменьшению выброса парниковых газов пока только изучаются, однако неясности научного свойства рисуют перед теми, кто принимает решения, смутную картину - по крайней мере сегодня.
См. узел Американского геофизического общества
www.agu.org/eos_elec/991483.html Для получения самых свежих новостей проводите поиск в Интернете по ключевым словам "парниковые газы" (greenhouse gases) или "глобальное потепление".
В дальнейшем, если развитые страны уменьшат потребление ископаемого топлива и обратятся к возобновляемым источникам энергии типа водяных, ветряных и солнечных, остроту проблемы потепления удастся снять. В Европе используют ядерную энергию, но ее производство и потребление сопряжено с вопросами безопасности и утилизации отходов. Далее, странам третьего мира необходимо снизить уровень рождаемости. Прежде чем проводить в жизнь тот или иной план, следует учесть все этические, экономические и политические факторы.
11. Земля: история недр
В ходе формирования Земли тяготение сортировало первичный материал в соответствии с его плотностью: более плотные составляющие опускались к центру, а менее плотные плавали сверху, образовав в итоге кору. На рис. 1.8 представлена Земля в разрезе.
Кора - внешняя оболочка. Она обладает наименьшей плотностью и расколота на многочисленные тонкие и жесткие каменные плиты, медленно движущиеся ввиду перемещения нижележащей мантии.
Мантия - следующая оболочка. Она самая толстая из всех оболочек, относительно теплая и жидкая по сравнению с корой, имеет горячие точки, порождающие конвекционные потоки (представьте завихрения в закипающей воде, только значительно медленнее движущиеся). Потоки в мантии перемещают плиты, вызывая землетрясения, вулканические извержения, расширение морского дна и дрейф континентов.
Далее идет горячее жидкое внешнее ядро, состоящее из плотного железа и никеля и плещущееся ввиду вращения Земли. Земной магнетизм, возможно, вызван местным движением внутри этой оболочки.
Самая нижняя оболочка именуется внутренним ядром. Она хотя и состоит из расплавленного железа и никеля, из-за огромного давления оказывается твердой и самой плотной оболочкой.
За подробностями процесса создания этой модели и подтверждающими ее опытными данными обращайтесь к нашей книге Пять крупнейших представлений в науке (The Five Biggest Ideas in Science. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1997).
Следующие узлы Всемирной Паутины содержат свежую информацию и прекрасные иллюстративные материалы:
www.hartrao.ac.za/geodesy/tectonics.html http://pubs.usgs.gov/peubications/text/dynamic.html www.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/class/100/plate-tectonics.html http://scign.jpl.nasa.gov/lwarn/plate/htm
12. Теория хаоса
О тягость легкости, смысл пустоты! Бесформенный хаос прекрасных форм!
У. Шекспир. Ромео и Джульетта
Как уже говорилось в гл. 5, хаос не следует путать с произволом. Хаос означает скорее чрезвычайную восприимчивость конечного результата к малым изменениям в начальных условиях. Как поется в старой колыбельной:
Не было гвоздя -
Подкова пропала.
Не было подковы -
Лошадь захромала.
Лошадь захромала -
Командир убит.
Конница разбита,
Армия бежит.
Враг вступает
В город,
Пленных не щадя,
Оттого что в кузнице
Не было гвоздя!
[Гвоздь и подкова.
Пер. с англ. С. Маршака]
До 1960-х годов существовал некий сугубо математический метод, как оказалось, связанный с теорией хаоса. Гастон Морис Жулиа, математик из Алжира, после ранения в сражениях Первой мировой войны вынужден был носить на лице кожаную повязку, защищавшую сильно искалеченный нос. Из-за многочисленных операций ему приходилось долго скитаться по госпиталям, где, чтобы как-то скоротать время, он занимался математическими выкладками. В 25 лет он пишет "Записку о приближении рациональных функций". Работу он делал в связи с темой, объявленной в 1915 году Французской академией наук на соискание главной премии 1918 года, которой и удостоился; хотя французский математик и астроном Пьер Жозеф Луи Фату (1878-1929) опубликовал в декабре 1917 года работу на ту же тему, однако Жулиа отослал свою статью в Академию наук раньше. Функция представляет собой математическое правило вычисления наподобие следующего: f(x) = х2 + const. Если х = 2, а const = 3, то значение функции составит 7. Приближение (итерация) осуществляется использованием вычисленного для /значения в качестве следующего значения для х. Итак, если х = 7, то f (х) = 52, и т. д. Жулиа исследовал более сложные выражения. Особо его занимали функции и значения, при которых возможно многократное приближение без бесконечного роста итоговой величины [самой функции]. Значения х, для которых повторяющиеся итерации давали конечный результат, стали именоваться пленниками [обычно говорят о множестве точек притяжения, или аттракторах]. При стремлении к бесконечности итоговых величин их называют "беглецами" [обычно говорят о множестве точек отталкивания, или репеллерах]. Вычисления велись вручную и были крайне трудоемкими даже для простых функций. Хотя Жулиа и обрел некую славу в математических кругах, его труд был основательно забыт, и вспомнили о нем уже в 1970-е годы.
Бенуа Маидельброта, родившегося в Польше в 1924 году, со статьей Жулиа познакомил в 1945 году родной дядя, профессор математики. В то время идеи Жулиа его не заинтересовали. Но спустя 30 лет после головокружительной научной карьеры Мандельброт очутился в компании IBM и обратил мощь ЭВМ на итеративные вычисления Жулиа. Мандельброт первым разработал метод графического построения, когда ЭВМ выводит на экран образ схождения и расхождения приближаемой функции.
Рис. 1.9. Множество Мандельброта
Прекрасные образы, порождаемые методами итерации Мандельброта и Жулиа, способствовали одно время появлению бесчисленных книг и узлов Всемирной Паутины. Вот некоторые из них:
Gleick J. Making a New Science. N.Y.: Viking Penguin, 1987.
Exploring Chaos - A Guide to the New Science of Disorder / Nina Hall (Ed.). N.Y.: W. W. Norton & Company, 1991.
http://hypertextbook.com/chaos
www.wfu.edu/~petrejh4/chaosind.htm
В 2002 году Стивен Вулфрем издал книгу по смежной тематике A New Kind of Science (см. www.Wolfram.com ). Его труд основан на собственных исследованиях в области клеточных автоматов, представляющих собой ряд одинаково запрограммированных автоматов, иначе "клеток", взаимодействующих друг с другом по определенным правилам. С помощью очень простых правил можно создать очень сложные образы. Некоторые из этих образов очень похожи на природные объекты, однако установление связи между математикой хаоса и пригодным описанием реального мира все еще ждет своего часа.
13 .Предсказание землетрясений
Предсказаний землетрясений сегодня много. Поисковые машины в Интернете на запрос "Предсказание землетрясений" выдадут вам более 50 тыс. узлов Всемирной Паутины. Некоторые предсказания делаются на основе "данных" экстрасенсов (см.: Wynn Charles М., Wiggins Arthur W., Harris Sidney. Quantum Leaps in the Wrong Direction: Where Real Science Ends... and Pseudoscience Begins. Washington, 2001). Другие усилия связаны с соотнесением землетрясений с земным электричеством, поведением животных, расположением планет или иными явлениями. Несмотря на ошибочность большинства прогнозов, хотя бы один непременно оказывается верным.
Предположим, приятель предлагает вам пари: "Ставлю 20 долларов на то, что в следующем месяце произойдет крупное землетрясение в помеченной точками вот здесь на карте области".
Рис. I.10. Зоны землетрясений
Не принимайте вызова. Ваш приятель наверняка выиграет. Помеченная точками область на карте (рис. 1.10) соответствует границам плит, составляющих земную кору. Когда конвенционные потоки в мантии (см.: Список идей, 11. Земля: история недр) увлекают за собой плиты, происходят землетрясения. Хотя некоторые землетрясения случаются и в иных местах, помимо оконечностей плит, именно на оконечности и приходится подавляющая часть таких событий. Статистические данные о землетрясениях различной силы за год таковы:
Сила землетрясения по шкале Рихтера (чем больше величина, тем разрушительнее землетрясение)
Количество землетрясений в год
4-4,9
6200
5-5,9
800
6-6,9
120
7-7,9
18
Заметим, что условия пари были довольно туманны. Что такое крупное землетрясение? Если речь идет о значениях по шкале Рихтера выше 6 баллов, то таких событий происходит более десятка в месяц и преимущественно в помеченной точками области. Выражения "за месяц" и в "помеченной области" довольно расплывчаты. Если вы живете в пределах данной области, подобно миллионам других людей, нужно ли вам уезжать отсюда? Данное предсказание сообщает слишком мало сведений, чтобы представлять хоть какую-то ценность. В 1970-е годы некоторые геологи были настроены оптимистично в отношении точного и надежного предсказания землетрясений. Появилась даже разновидность теории хаоса, названная теорией катастроф, которая представлялась пригодной для предсказания таких неожиданных событий, как потеря устойчивости у балок, растрескивание асбестоцементных плит, а также землетрясения.
Однако выяснилось, что построение математических моделей поведения внутренних оболочек Земли столь же трудно, как и построение моделей поведения земной атмосферы. Нелегко составить уравнение, точно описывающее поведение модели, и даже приближенные уравнения оказываются на редкость нелинейными, выказывая крайнюю чувствительность к начальным условиям, свойственным хаотическим системам. К тому же получение сведений о текущем состоянии пород внутри коры и мантии сложнее, чем измерение параметров атмосферы, ввиду недоступности недр коры и мантии.
В статье 1997 года (журнал Science: [Geller R. J., Jackson D. D., Kagan Y. Y, Mulargia F. Earthquakes cannot be predicted // Science, 1997. Vol. 275]) известные геологи Роберт Геллер из Токийского, Дэвид Джексон и Ян Каган из Калифорнийского университетов и Франческо Муларджа из Университета Болоньи (Италия) утверждают, что "конкретные землетрясения, похоже, изначально непредсказуемы". За подробностями обращайтесь на сайт Всемирной Паутины:
http://scec.ess.ucla.edu/~ykagan/perspective.html
Вот еще неплохие источники:
<< Пред. стр. 5 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу