Наука превращений

Неделю назад Лента.Ру представила девять крупнейших научных проектов по версии Discovery Channel. Все списки такого рода очень зависят от того, какими критериями отбора пользуется автор: количеством вложенных средств, пользой для экологии, сложностью теоретических разработок. Лента.Ру решила отобрать девять проектов, каждый из которых изменил жизнь людей или представления об окружающем мире.

Большинство отобранных нами научных прорывов было совершено в XX веке. Тем не менее, одно из самых величайших открытий, которое перевернуло представление о медицине и заболеваниях, было сделано существенно раньше – в конце XVIII века. Логично начать обзор именно с него.

Вакцинация

В 1796 году британский врач Эдвард Дженнер втер в царапину на коже восьмилетнего мальчика жидкость из папулы женщины, больной коровьей оспой – заболеванием, не вызывающим летального исхода у человека. У мальчика появилось легкое недомогание, которое прошло спустя несколько дней. Через полгода Дженнер привил мальчику смертельно опасную черную оспу, эпидемии которой уносили сотни тысяч жизней. Мальчик не заболел. У него появился иммунитет к этой болезни.

Иммунитет – способность организма распознавать и бороться с различными инфекциями. Когда болезнетворные агенты очень сильны – как в случае с черной оспой – то иммунная система не успевает дать им отпор, и человек погибает. Если предварительно "показать" организму возбудителей – он успеет выработать защиту, которая позволит иммунным клеткам сразу узнавать возбудителей и начинать немедленную борьбу. Во многих случаях вакцинация помогает вообще не заболевать теми или иными инфекциями; в случае заражения заболевание протекает значительно легче.

Дженнер очень рисковал, вводя мальчику "здоровые" вирусы оспы. Современные вакцины содержат обезвреженных возбудителей или даже их отдельные фрагменты. Для формирования иммунитета часто достаточно отдельных молекул, например, определенных полисахаридов бактериальной оболочки.

Преувеличить значение вакцинации трудно. Она спасла жизни миллионов людей и способствовала практически полному истреблению некоторых опасных заболеваний, например, той самой черной оспы, с которой все началось.

Ядерное оружие и атомная энергетика

Человечество узнало о мощи ядерного оружия шестого августа 1945 года, когда американский бомбардировщик В-29 "Энола Гей" (названный так в честь матери пилота) сбросил на японский город Хиросиму ядерную бомбу "Малыш", массой чуть больше четырех тонн. Радиус зоны полного разрушения составил около 1,6 километра, еще на десятки километров все строения были уничтожены пожарами. Около 240 тысяч человек погибли практически сразу от взрыва и от радиационных поражений. Еще 160 тысяч умерли от лучевой болезни спустя некоторое время. "Малыш" был крайне неэффективной бомбой, и со временем технологии производства ядерного оружия стали куда более совершенными.

Первые бомбы были разработаны в рамках Манхэттенского проекта, стартовавшего в США в 1942 году. В СССР аналогичными разработками занимались участники атомного проекта. Первое советское ядерное оружие было испытано 29 августа 1949 года. За годы "холодной войны" эффективность ядерных боеголовок была заметно улучшена. В настоящее время существуют бомбы, мощность которых превышает одну мегатонну в тротиловом эквиваленте.

Однако мир изменила уже самая первая бомба. У людей появилось оружие, способное за несколько минут уничтожить мир. Ядерное оружие стало самой большой угрозой и одновременно фактором сдерживания, препятствующим развитию конфликтов. Кроме того, военные разработки в этой сфере способствовали созданию атомной энергетики.

Ядерный взрыв обусловлен цепной реакцией расщепления ядер тяжелых изотопов. Образующиеся при распаде ядра нейтроны вызывают расщепления соседних ядер, которое также сопровождается выбросом нейтронов. В ядерном реакторе поддерживается управляемая реакция распада. Выделяющееся при реакции тепло нагревает воду, которая, превратившись в пар, вращает турбины генератора. Современные АЭС являются относительно безопасным и экологически чистым способом производства энергии. Значение атомной энергетики может существенно возрасти в условиях прогнозируемого топливного кризиса.

Полет человека на Луну

21 июля 1969 года Нил Армстронг произнес, наверное, самую знаменитую после "Быть или не быть" фразу: "Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества" ("That's one small step for a man, one giant leap for mankind"). Астронавт произнес эти слова, стоя на поверхности единственного естественного спутника Земли - Луны.

Пилотируемый космический корабль "Аполлон 11" доставил экипаж из трех человек к Луне, сел на ее поверхность, взлетел, и затем вернулся на Землю. Миссия "Аполлона 11" продемонстрировала возможность межпланетных полетов, подстегнула активное изучение космоса, способствовала разработке множества технологий. Кроме того, нельзя отрицать, что высадка и передвижения людей на Луне – чрезвычайно эффектное зрелище, от которого до сих пор захватывает дух.

Man On Moon !!! - Click here for more blooper videos

Существует теория о том, что полет на Луну был невероятной по масштабам фальсификацией, созданной Соединенными Штатами, чтобы продемонстрировать лидерство в области технологий и утвердить свое превосходство над СССР. Сторонники этой теории приводят множество фактов, подтверждающих, что американцы никогда не высаживались на Луне, а все фотографии, видеозаписи и радиотрансляции были сфабрикованы. NASA несколько раз опровергала выдвинутые обвинения, однако приверженцы теории "лунного заговора" настаивают, что единственной проверкой станет повторная высадка человека на Луне или же запуск к спутнику аппарата, оснащенного камерами высокого разрешения, которые смогут "разглядеть" следы пребывания американских астронавтов.

Искусственные спутники Земли (ИСЗ)

Первый искусственный спутник был запущен СССР четвертого октября 1957 года. Фактически, он представлял собой вращающийся вокруг Земли радиопередатчик. Запуск спутника произвел фурор, однако истинное значение этих аппаратов человечество оценило только сейчас. Установленное на искусственных спутниках научное оборудование позволяет проводить множество экспериментов. Например, с помощью ИСЗ были обнаружены радиационные пояса Земли, ИСЗ помогают изучать магнитосферу нашей планеты, изменения климата, характеристики солнечного излучения.

ИСЗ производят разведку полезных ископаемых, они используются для предсказания погоды и отслеживания изменений климата. Навигационные спутники служат для ориентации кораблей и подводных лодок. Спутники позволили автомобилистам забыть о картах: GPS-навигаторы, ориентирующиеся по ИСЗ, прокладывают маршрут, определяя местонахождение автомобиля с точностью до нескольких метров. Понятия спутниковой связи и спутникового телевидения уже давно никого не удивляют.

Компьютер

Перед тем, как написать этот абзац, автор несколько минут сидел в недоумении. Сегодня рассуждать о компьютерах – значит рассуждать обо всем. В том или ином виде эти машины используются везде: от научных лабораторий и офисов, до телефонов и автомобилей. Компьютеры больше не являются прикладным инструментом для познания окружающего мира и решения сложных технических задач, как это было на заре их изобретения. Компьютеры превратились в составляющую часть мира, универсальный орган его восприятия и инструмент для его создания. Вероятно, по-настоящему оценить, что компьютеры значат для человека, удастся только через несколько десятков лет, когда докомпьютерная эра окончательно станет прошлым и на нее можно будет взглянуть в историческом контексте.

Интернет

Прародителем интернета стала созданная в 1969 году сеть из нескольких компьютеров, расположенных далеко друг от друга в научных центрах США - APRANET. Исходно идея объединения нескольких машин в сеть должна была обеспечивать их бесперебойную работу, обмен данными и сохранность информации в случае ядерного удара. Постепенно принцип децентрализации получил распространение, стали развиваться альтернативные сети. В ноябре 1977 года была продемонстрирована работа сети интернет, состоящей из трех сетей, в которых использовался единый протокол приема/передачи данных TCP/IP, который применяется до сих пор.

По мере того, как увеличивалось количество компьютеров, составляющих интернет, у этой сети стали появляться новые функции. Сейчас интернет является огромным хранилищем информации, которая находится на отдельных серверах по всему миру, но может стать доступной пользователям по запросу в течение нескольких секунд или даже долей секунды. Благодаря интернету многократно возросла оперативность поступления информации, что привело к изменению темпа жизни вообще. Так как подобного способа коммуникации раньше не существовало, интернет породил новую культуру общения. Благодаря всемирной паутине люди, живущие в разных концах света, получают возможность полноценно взаимодействовать и даже вступать в деловые и торговые отношения. Интернет способствовал развитию новых направлений и концепций бизнеса. С появлением Сети человечество вступило в новую фазу развития – фазу информационного общества.

Помимо информационной и социальной функций у интернета есть еще ряд областей применения. Он является сетью, объединяющей огромное количество мощных вычислительных машин. Фактически, интернет – это невероятных размеров суперкомпьютер. В настоящее время уже запущено несколько проектов, которые используют возможности интернета для проведения сложных математических вычислений. Так, в рамках проекта SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), компьютеры его участников анализируют данные, полученные радиотелескопами (в основном это шум), и пытаются выделить из них упорядоченные сигналы, которые могли бы являться признаком деятельности разумной цивилизации.

Проект "Геном человека"

В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубликовали короткую статью в журнале Nature, в которой сообщили о создании модели двойной спирали ДНК. В 1958 году Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии – правило, которое определяет направление передачи и реализации генетической информации в клетке. В классическом виде центральная догма выглядит так: ДНК --> РНК --> белок. Центральная догма утвердила роль ДНК как основного носителя всей информации о живых существах, в которой содержится ключ ко всему: старению, болезням, способностям, внешности. С 1958 года одной из основных задач молекулярной биологии стала расшифровка ДНК человека.

Эта задача поначалу казалось невыполнимой. Довольно долго ученые не могли разработать надежного способа, который бы позволял достоверно расшифровать – то есть определить последовательность - большого числа "букв" за один подход. Появление такого метода было критически важным, потому что в геноме человека содержится три миллиарда "букв" – нуклеотидов. А так как большинство клеток содержат две копии всех молекул ДНК, всего необходимо было определить последовательность шести миллиардов нуклеотидов (6 000 000 000).

Постепенно стало понятно, что решение такой глобальной задачи невозможно силами отдельных ученых и лабораторий. Одним из первых необходимость объединения мощностей сотен лабораторий осознал Джеймс Уотсон, ставший главным идеологом проекта "Геном человека", разработка которого началась в 1986 году в США. В 1989 году была создана международная организация HUGO (Human Genome Organization). В проекте приняли участие лаборатории, институты и научные центры из 23 стран мира: Австралии, Австрии, Бельгии, Великобритании, Голландии, Восточной и Западной Германий, Греции, Дании, Израиля, Исландии, Испании, Италии, Канады, Норвегии, СССР, США, Финляндии, Франции, Швейцарии, Швеции, Южной Африки и Японии. HUGO стал самым крупным объединением ученых.

В 1999 году была расшифрована первая – точнее, 22-я – хромосома человека. В 2001 году было объявлено о завершении чернового варианта генома человека. Правда, существенную роль в этом сыграла биотехнологическая компания Celera Genomics (подробнее о расшифровке генома человека здесь), но так или иначе, невероятная по своей сложности задача была решена.

Получение полной последовательности нуклеотидов генома человека полностью изменило подход к научным исследованиям. Если "догеномная" наука исследовала отдельные частные явления, то наука "после генома" стала рассматривать системные процессы, строить карты происходящих событий и геномные сети. Во многом благодаря расшифровке генома человека и других организмов родилась целая отрасль биологии, получившая название биоинформатики. Биоинформатики работают с огромными массивами данных, сравнивают их, выводят закономерности, "вытаскивают" из них новые процессы, которые видны только при взгляде на картину в целом. Проект HUGO поделил биологию на то, что было "до" и то, что стало "после".

Телескоп "Хаббл"

Телескоп "Хаббл" передал на Землю беспрецедентное количество научной информации. За 18 лет его работы было сделано свыше 700 тысяч изображений различных научных объектов. Данные, полученные с помощью этого телескопа, позволили уточнить возраст Вселенной, составить карты поверхности некоторых планет Солнечной системы, доказать существование экзопланет, подтвердить теорию о механизмах рождения звезд и наличии в центре галактик сверхмассивных черных дыр, а также многое другое. Перефразируя известный афоризм, можно сказать, что если бы "Хаббла" не существовало, то его необходимо было бы изобрести. Невозможно представить себе современную астрономию без этого телескопа.

Уникальность "Хаббла" объясняется, во-первых, очень точной оптикой, а во-вторых, тем, что он находится на орбите. Земная атмосфера искажает сигнал и, кроме того, поглощает электромагнитное излучение определенных длин волн (например, ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение). А многие космические объекты можно "разглядеть", только используя именно такое излучение.

Интересно, что телескоп, так много сделавший для развития науки, изначально был создан с дефектом. Форма главного зеркала – важнейшей оптической детали телескопа – оказалась искривленной. Отклонение составило всего два микрометра, однако этого было достаточно, чтобы свести на нет всю задумку с выводом телескопа на орбиту: разрешение "близорукого" "Хаббла" было сравнимо с разрешением телескопов на Земле. Тогда руководители проекта ("Хаббл" был совместно создан NASA и ESA) приняли решение одеть телескопу "очки". Была создана специальная корректирующая система, которую астронавты установили на телескоп через три года после начала его работы. Для исправления ошибки техника, монтировавшего зеркало, потребовалось провести пять длительных выходов в открытый космос.

Космические программы

Исследования космоса можно причислить к проектам, изменившим наше представление о мире, как говорят, "по совокупности". Сюда относятся советские и американские луноходы, изучавшие наш естественный спутник еще в 1970-е годы, марсоходы "Оппортьюнити" ("Opportunity") и "Спирит" ("Spirit"), сделавшие огромное количество снимков поверхности Марса и собравшие некоторую информацию о химическом составе грунта Марса, аппараты "Венера-1"-"Венера-15", изучавшие нашу космическую соседку и часть которых спускалась на поверхность планеты, "Вояджеры", исследовавшие дальние планеты Солнечной системы, станция "Кассини", изучавшая Сатурн и его кольца, зонд "Гюйгенс", севший на поверхность спутника Сатурна под названием Титан и многие другие.

Сейчас на Марсе находится космический зонд "Феникс" – нашпигованная сложными приборами космическая лаборатория. "Феникс" проводит химические и масс-спектрометрические исследования грунта Красной планеты, делает снимки его поверхности и собирает метеорологические данные. С помощью "Феникса" ученые надеются обнаружить на Марсе органические молекулы, которые могут стать подтверждением того, что на Марсе когда-то была – или зарождалась – жизнь.

Show must go on

Возможно, кто-то не согласится с предложенным выбором научных достижений, захочет добавить к нему что-то или вообще переписать. Автор не ставил себе цель выбрать самые лучшие или самые главные проекты. В этом небольшом обзоре была сделана попытка показать, что мир вокруг нас меняется, причем не просто приобретает новые черты, а превращается во что-то совсем иное. Добро пожаловать.