Перейти к содержимому


Фотография

Разные научные статьи


  • Авторизуйтесь для ответа в теме
Сообщений в теме: 128

#21 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 27.07.2009 - 13:33

Тайна происхождения рибосом разгадана? 27.02.09 | Молекулярная биология, Эволюция, Александр Марков | Комментарии (14)
Рис. 1. Рибосома в процессе синтеза белка. У этой красивой схемы есть один недостаток: непонятно, что имел в виду художник, изображая на мРНК между тройками нуклеотидов (триплетами), кодирующими аминокислоту, какие-то вставки, состоящие как будто из двух нуклеотидов. В действительности триплеты в мРНК идут подряд, без промежутков. Рис. с сайта en.wikipedia.org
Читать дальше:
Исследовав трехмерную структуру рибосомной РНК современных бактерий, канадские биохимики из Монреальского университета (Département de Biochimie, Université de Montréal) пришли к выводу, что рибосомы могли сформироваться в результате постепенной эволюции из очень простой маленькой молекулы РНК — «проторибосомы», способной катализировать реакцию соединения двух аминокислот. Все остальные структурные блоки рибосомы последовательно добавлялись к проторибосоме, не нарушая ее структуру и постепенно повышая эффективность ее работы.Рибосомы — сложные молекулярные комплексы, состоящие из рибосомных РНК (рРНК) и белков. Рибосомы играют ключевую роль в трансляции — синтезе белка по «инструкции», записанной при помощи генетического кода в молекуле матричной РНК (мРНК). Рибосомы у всех живых существ — от бактерий до человека — устроены очень похоже. По-видимому, это означает, что рибосомы в их «современном» виде имелись уже у общего предка всех нынешних форм жизни (см. LUCA, Last universal common ancestor). Рибосома состоит из двух субъединиц — большой (главной) и малой (вспомогательной). Основу обеих субъединиц составляют молекулы рибосомной РНК (рРНК). Снаружи к молекулам рРНК прилегают молекулы рибосомных белков. Согласно общепризнанной в настоящее время теории «РНК-мира», на ранних этапах развития жизни все основные функции, которые сегодня выполняются белками, выполнялись молекулами РНК. Появление системы синтеза белка на основе записанных в РНК «инструкций» стало ключевым событием, ознаменовавшим переход от «мира РНК» к привычному нам «белковому миру». Поскольку рибосомы являются центральным компонентом этой системы, вопрос о происхождении рибосом чрезвычайно важен для понимания того, как РНК-организмы превратились в первые прокариотические клетки. До сих пор многим экспертам казалось, что загадка происхождения рибосом вряд ли когда-нибудь будет разгадана. Ведь в природе не осталось никаких «переходных звеньев», то есть более простых молекулярных комплексов, которые могли бы претендовать на роль «предков» рибосом. Однако канадские биохимики, похоже, нашли ключик к этой тайне в самой структуре рибосом современных организмов. Они сосредоточились на самой главной части рибосомы — на молекуле 23S-рРНК, которая представляет собой основу большой субъединицы рибосомы кишечной палочки (Escherichia coli). Эта молекула весьма велика: она состоит почти из 3000 нуклеотидов. В клетке она сворачивается в сложный трехмерный «клубок». Разные петли, выступы и другие элементы структуры этого «клубка» обеспечивают выполнение разных функций: связь с рибосомными белками, присоединение малой субъединицы, присоединение и удерживание в нужных позициях молекул транспортных РНК (тРНК), которые несут на своих «хвостиках» (CCA-3'-концах) аминокислоты, необходимые для синтеза белка. Ранее уже было показано, что рибосомные белки играют в рибосоме вспомогательную роль: они делают ее более стабильной и повышают эффективность ее работы, однако все главные действия, необходимые для синтеза белка, осуществляются не белками, а рибосомными РНК. Это значит, что изначально рибосомы могли состоять только из рРНК, а белки добавились позже. Самый главный этап трансляции — присоединение аминокислот к синтезируемой белковой молекуле (реакция транспептидации) — осуществляется молекулой 23S-рРНК. Поэтому логично предположить, что всё началось именно с этой молекулы.
Рис. 2. «А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок двойной спирали с образованием четырех водородных связей. Рис. из лекции А. С. Спирина (взят из статьи: Poul Nissen et al. RNA tertiary interactions in the large ribosomal subunit: The A-minor motif // PNAS. 2001. V. 98. P. 4899–4903)
Однако молекула 23S-рРНК слишком велика и сложна, чтобы появиться в готовом виде в результате случайного комбинирования нуклеотидов. Таким образом, ключевой вопрос состоит в том, могла ли 23S-рРНК произойти от более простой молекулы-предшественницы в результате постепенной эволюции, то есть путем последовательного добавления новых фрагментов. Главный вывод обсуждаемой статьи заключается в том, что структура 23S-рРНК свидетельствует именно о таком ее происхождении. Молекула 23S-рРНК состоит из шести основных структурных блоков, или доменов. Каждый домен, в свою очередь, состоит из более мелких структурных единиц. Целостность трехмерной структуры молекулы поддерживается разнообразными связями (в основном водородными) между ее участками. Некоторые участки молекулы сворачиваются в двойные спирали на основе принципа комплементарности. Важную роль играют и так называемые «А-минорные» связи. А-минорная связь возникает между последовательностью из нескольких идущих подряд аденозинов (А) в одной части молекулы и двойной спиралью в другой ее части (см. рис. 2). Исследуя структуру 23S-рРНК, авторы обратили внимание на следующее странное обстоятельство. Двойные спирали и образующие с ними А-минорные связи «стопки» аденозинов (adenosine stacks) распределены по шести доменам молекулы более или менее хаотично, за единственным исключением: в пятом домене наблюдается необычное скопление двойных спиралей и практически нет аденозиновых «стопок». Таким образом, А-минорные связи, образуемые пятым доменом, являются однонаправленными (см. рис. 3). Это наблюдение навело авторов на мысль, что эволюция молекулы 23S-рРНК могла начаться с домена V или с какой-то его части. Дело в том, что А-минорные взаимодействия необходимы для поддержания стабильной трехмерной структуры той части молекулы, к которой принадлежит аденозиновая «стопка», но они не влияют на стабильность той ее части, к которой принадлежит двойная спираль. Иными словами, если мы разорвем какую-нибудь А-минорную связь, показанную на рис. 3 голубой линией, это нарушит структуру той части молекулы, где находится желтый кружок, но не причинит вреда той части, где расположен красный кружок. Таким образом, если 23S-рРНК развивалась постепенно из простой молекулы-предшественницы, то сначала должны были появляться двойные спирали (красные кружки), и только потом к ним могли «пристраиваться» аденозиновые стопки (желтые кружки).
Рис. 3. Вторичная структура молекулы 23S-рРНК. Голубыми линиями показаны А-минорные связи, желтыми кружками — «стопки» аденозинов, красными — двойные спирали, участвующие в А-минорных связях. Домены с первого по шестой обозначены римскими цифрами. 5', 3' — концы молекулы. Видно, что в домене V много красных кружков и почти нет желтых. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Но если пятый домен был той «затравкой», с которой началась эволюция 23S-рРНК, то следует ожидать, что именно в этом домене находится какой-то важный функциональный центр молекулы. Так ли это? Оказывается, это действительно так: именно пятый домен играют ключевую роль в транспептидации. Он удерживает в правильных позициях CCA'-хвосты двух молекул тРНК (той, что принесла предыдущую аминокислоту, уже присоединенную к синтезируемому белку, и той, что принесла следующую аминокислоту, см. рис. 1). Именно пятый домен 23S-рРНК обеспечивает сближение новой аминокислоты с предыдущей, уже присоединенной к белку, и катализирует соединение аминокислоты с белком. Обнаружив эти факты, исследователи перешли к более тонкому анализу структуры 23S-рРНК. Они подразделили молекулу на 60 относительно самостоятельных структурных блоков и детально проанализировали характер связей между ними. Фактически они рассматривали молекулу как сложный трехмерный «пазл» и пытались выяснить, поддается ли он сборке и разборке без поломки деталей. Оказалось, что молекулу действительно можно постепенно «разобрать», ни разу не нарушив структуру остающихся блоков. Сначала можно отделить 19 блоков, причем структура оставшихся блоков остается неповрежденной. После этого отделяются еще 11 блоков, затем еще 9, 5, 3, 3, 2, 2, 2; наконец, еще три блока можно отделить последовательно по одному. После этого остается «неразобранным» лишь маленький фрагмент молекулы, составляющий 7% от ее общей массы. Этот неразобранный фрагмент представляет собой участок пятого домена, содержащий в себе каталитический центр, ответственный за транспептидацию (пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre).
Рис. 4. Молекула 23S-рРНК как трехмерная головоломка: схема сборки/разборки. Можно удалить, не повреждая структуру остающихся частей, сначала синие блоки, затем красные, желтые, зеленые, розовые, сиреневые и, наконец, белые и серые. В итоге остается «неразобранным» центр транспептидации (PTC), состоящий из двух симметричных частей, показанных синими и красными линиями. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Возможность последовательной разборки молекулы без повреждения остающихся частей — факт весьма нетривиальный. Все блоки молекулы связаны друг с другом, причем связи эти имеют направленный характер: при их разрыве один блок повреждается, а другой нет. Можно представить систему блоков и связей между ними как множество точек, соединенных стрелками, причем стрелка будет указывать на тот блок, который повреждается при разрыве связи. Если бы эти стрелки образовали хотя бы одну кольцевую структуру (иными словами, если бы мы, двигаясь из какой-то точки по стрелкам, могли вернуться в ту же точку), то разобрать молекулу без повреждения остающихся частей было бы невозможно. Однако ни одной такой кольцевой структуры в молекуле 23S-рРНК не обнаружилось. Если бы направление связей было случайным, вероятность отсутствия кольцевых структур составляла бы менее одной миллиардной. Авторы делают вывод, что это вряд ли результат случайности. По-видимому, структура связей между блоками молекулы отражает последовательность добавления этих блоков в ходе постепенной эволюции молекулы. Получается, что исходной функциональной молекулой — «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, — был пептидил-трансферазный центр (PTC) пятого домена молекулы 23S-рРНК. Сам PTC состоит из двух симметричных лопастей. Каждая лопасть удерживает CCA'-хвостик одной молекулы тРНК. Логично предположить, что такая структура возникла в результате дупликации (удвоения) одной исходной лопасти. Могла ли такая «проторибосома», способная удерживать две молекулы тРНК и сближать в пространстве прикрепленные к ним аминокислоты, выполнять какую-то полезную функцию в РНК-организме? Эксперименты позволяют ответить на этот вопрос утвердительно. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК (рибозимы), способные катализировать транспептидацию (соединение аминокислот, прикрепленных к тРНК, в короткие белковые молекулы). Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую «вычислили» авторы обсуждаемой статьи. По-видимому, проторибосома была просто устроенным рибозимом, катализирующим синтез небольших белковых молекул в РНК-организме. Специфичность синтеза поначалу была очень низкой (аминокислоты выбирались более или менее случайно). В дальнейшем к проторибосоме добавлялись новые блоки, причем добавлялись они таким образом, чтобы не нарушить структуру активного центра молекулы, а также всех тех блоков, которые присоединились ранее. Если очередная мутация приводила к нарушению уже сложившихся структур, она отсеивалась отбором. Авторы детально реконструировали предполагаемый процесс постепенной эволюции 23S-рРНК. Первые восемь дополнительных блоков присоединились к проторибосоме таким образом, что образовали нечто вроде массивного «основания», благодаря которому структура проторибосомы стала гораздо более стабильной. Следующие 12 блоков еще более укрепили и расширили это «основание». Новые блоки образовали поверхность контакта с малой субъединицей, что позволило включить ее в состав рибосомы. В числе последних добавились блоки, образующие особые выросты (protuberances) на поверхности большой субъединицы. Функция этих выростов состоит в том, что они помогают рибосоме выбирать «правильную» тРНК, несущую нужную аминокислоту, а также выпускать из рибосомы «отработанные» тРНК. В итоге проторибосома оказалась окружена другими блоками со всех сторон, за исключением канала, который был оставлен для выхода образующейся белковой цепочки. Таким образом, 23S-рРНК, при всей ее кажущейся сложности, построена на основе довольно простого принципа. Ее блочная структура свидетельствует о том, что она могла довольно быстро развиться в ходе эволюции из проторибосомы под действием мутаций и отбора.
Рис. 5. Последовательные этапы эволюции рибосомы. Красным цветом выделена проторибосома, желтым — «выросты» (1–3), сиреневым — малая субъединица. 4 — выходной канал для синтезируемого белка. 5–9 — части рибосомы, показанные на рисунках a–e. 10 — «дополнительная» часть большой субъединицы, в состав которой не входит 23S-рРНК. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы предполагают, что переход от РНК-мира к «белковому миру» состоялся после этапа, обозначенного буквой b на рис. 5. Дело в том, что те блоки рибосомы, которые показаны на рис. 5b, не контактируют с рибосомными белками. Они могли развиться еще до того, как у РНК-организма появилась возможность синтезировать белки с такой точностью, чтобы некоторые из этих белков могли пригодиться для укрепления и усовершенствования рибосом. Все остальные блоки рибосомы (начиная с рис. 5c) уже находятся в тесном контакте с рибосомными белками и «нуждаются» в них для поддержания своей стабильности. Вероятно, они добавлялись уже в «белковом мире», и их эволюция была изначально сопряжена с эволюцией белков. Источник: Konstantin Bokov, Sergey V. Steinberg. A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA // Nature. 2009. V. 457. P. 977–980.

Сообщение отредактировал bot: 29.11.2009 - 16:28

  • 0

#22 T-bin

T-bin

    Зашкаливает

  • Участник
  • 347 сообщений
  • 8 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 28.07.2009 - 21:33

Демон позапрошлого века нарушил равновесие круглых молекулhttp://www.membrana....ire=mainsection Раньше считали, что демон Максвелла мог караулить только сообщающиеся сосуды с газом. Теперь оказалось, что его можно заставить работать и с хитрыми молекулами, надетыми на другие молекулы (иллюстрация Peter Macdonald, Edmonds UK).Мистика не чужда точной науке. Даже физики порой вынуждены прибегать к помощи оккультных сил. Набравшись смелости и начитавшись об одном таинственном существе почти полуторавекового возраста, учёные взялись за работу и — изумлённым исследователям явился демон! К счастью, ситуацию удалось удержать под контролем.
Читать дальше:
Природа горазда на всякие технологические чудеса. Она часто использует в важных биологических процессах механизмы, которые можно назвать молекулярными двигателями. Эти "естественные моторы" вдохновляют учёных на создание чего-то похожего в своих лабораториях.Однако сотворить такие устройства на молекулярном уровне не так просто. Тепловая энергия в микромире проявляет себя не так, как в привычных нам макроусловиях. На микроуровне тепло превращается в кинетическую энергию мельчайших частиц, которые постоянно дёргаются, находясь в непрерывном броуновском движении.Темп этих перемещений столь велик, траектория молекул из-за постоянных столкновений так непредсказуема, а их самих так много, что эти частички схватить не удастся никаким пинцетом. Однако контролировать движение молекул в некоторых случаях учёным очень хотелось бы. Проблема эта достаточно давняя и беспокоит умы с середины XIX века, хотя значительных прорывов в этой области было сделано мало. Максвелл придумал несколько разных режимов работы своего демона. A) Демон Максвелла устраивает жёсткий фейсконтроль для молекул. Пропускает только синие (предположим, что они холодные), красным (горячим) вход закрыт. Через некоторое время в одном сосуде остаются горячие, а во втором собираются холодные. В итоге – очевидный температурный дисбаланс. cool.gif Другой случай. На этот раз демон готов пропускать кого угодно. В одном сосуде молекул становится больше, чем в другом, но итог такой же, как в первом случае: один из сосудов (где молекул много) становится горячее (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).Скорость движения молекул связана с теплотой. Если у учёных появится возможность управлять ими, то, значит, они смогут управлять и температурой различных систем.Размышляя над такими проблемами, английский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) предложил простой способ "администрировать" поведение молекул. Речь идёт всего лишь о мысленном эксперименте, который, правда, оставил огромный след в науке и вошёл во все учебники физики.Придуманная Максвеллом система состоит из двух сосудов, наполненных газом и сообщающихся между собой. Отверстие, которое соединяет ёмкости, может закрываться и открываться с помощью очень лёгкой затворки, которой управляет демон (этого мистического субъекта пришлось допустить в теорию). Правда, что это за демон, откуда он и как его зовут — не уточнялось, поэтому впоследствии (для соблюдения научной последовательности) демона так и прозвали – демон Максвелла.Демон должен следить за тем, какие молекулы в результате своего хаотического движения подлетают к отверстию. В зависимости от их скорости демон открывает заслонку, "сортируя" молекулы так, чтобы в одном сосуде оставались "холодные" (медленные), а в другом – "горячие" (быстрые).Джеймс Клерк Максвелл (1831-1979 годы). Помимо прочих достижений в области физики и математики великий учёный описал принцип работы термодинамического демона. Но как его следует изображать на картинках – не уточнил. Поэтому в науке не сложилось единого мнения о том, красный демон или зелёный, и должны ли у него быть рога, хвост и трезубец (фото с сайта ifi.unicamp.br).Если бы такой демон мог существовать в реальности, то его работа привела бы к нарушению Второго закона термодинамики. Напомним, закон гласит, что тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему.А ведь, нарушив этот запрет, можно было создать тепловую машину, которая работала бы без потребления топлива и энергии…Разумеется, у Максвелла не было никаких планов насчёт разрушения термодинамики, да и строить вечных двигателей он не хотел. Физик всего-то задумал проиллюстрировать статистическую природу Второго закона. Однако впоследствии эта "демоническая модель" нередко вдохновляла многих – от изобретателей до философов, хотя и оставалась в стороне от практики "большой науки".Однако демон оказался живуч и заявил о себе спустя ровно 140 лет. Может быть, это даже не демон, а какой-нибудь джинн, способный томиться веками в безвестности, терпеливо ожидая своего часа. Жаль, что Максвелл в этом не признался.Но, так или иначе, химики университета Эдинбурга (University of Edinburgh) из исследовательской группы Дэвида Лея (David A. Leigh) создали молекулярную машину, принцип действия которой основан на работе такого демона.Профессор Дэвид Лей. Он смог приручить демона Максвелла для экспериментов в области термодинамики, хотя это и было непросто. Сможет ли он сделать то же самое в области карточных игр – пока неизвестно (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).Эта наномашина представляет собой ротаксан. Ротаксаны – это молекулярные структуры, состоящие из замкнутой циклической молекулы, нанизанной на линейную молекулу, у которой на концах имеются объёмные группы, которые не дают кольцевой молекуле соскочить. В последнее время эти структуры стали пользоваться большой популярностью в различных нанотехнологических экспериментах (например, мы рассказывали о солнечном моторе на основе ротаксана).Как правило, в предыдущих опытах использовались перемещения молекулы-кольца. Это движение имеет случайный характер, и теперь учёные решили придумать способ как-то им управлять. Для этого они сделали несколько модифицированный ротаксан.Во-первых, в линейную молекулу "вставлена" молекула углеводорода стильбена. Стильбен разделяет молекулу на две части и служит своего рода воротами (об этом дальше).Кроме того, в каждом отсеке линейной молекулы есть "липкое место" – область, к которой молекула "прилипает", то есть выше вероятность обнаружить её именно там. Причём в одном "куске" молекулы этот участок находится ближе к воротам, а в другом – ближе к концу.Плюс к этому, система способна реагировать на свет. Слева изображены изменения исследованного ротаксана, а справа – изменения, которые должны были бы происходить в результате действий демона над сосудами с газом. Красная окружность – круговая молекула, нанизанная на линейную, оттенками синего и зелёного показаны "липкие" участки. a) В первоначальном положении линейная молекула "закрыта" (ворота указаны стрелкой). cool.gif В результате освещения ворота открываются, и из-за теплового Колзабавния круговая молекула переходит на другую часть линейной (с) и прикрепляется к "липкому" месту, после чего (d) ворота закрываются. Равновесие сместилось. При облучении данной конфигурации круговая молекула, скорее всего, не откроет ворота и не перейдёт на прежнюю позицию (иллюстрация Viviana Serreli, Chin-Fa Lee, Euan R. Kay, David A. Leigh).В исходном состоянии ворота-стильбен закрыты. Если излучение падает на циклическую молекулу, то она сигнализирует об этом воротам. Это проявляется в том, что кольцо передаёт воротам некоторую энергию, которой хватает им, чтобы открыться и закрыться за короткий промежуток времени.Так как в одной части молекулы кольцо находится ближе к воротам, то выше вероятность того, что открытые ворота молекула пройдёт именно из этой части, и что энергетический сигнал от неё дойдёт до ворот.Работая с большим количеством таких систем, учёные увидели то, что и ожидали: в итоге большинство кольцевых молекул оказалось в одной части ротаксана. Равновесие оказалось смещённым.Циклические молекулы, как им и полагается, колеблются — так как обладают некой тепловой энергией (опыт проводился при 25 градусах по Цельсию). А это значит, что вместе со смещением молекул в пространстве произошло и смещение теплового равновесия.Если таким образом равновесие будет смещено, скажем, в большом количестве ротаксановых структур, то сдвиг будет очень заметен. А итог – тот самый, который Максвелл предсказал только теоретически – нарушение Второго закона термодинамики: одна часть системы станет холоднее другой.Впрочем, со столь скоропалительными выводами торопиться не будем. В формулировке закона говорится о невозможности перехода, происходящего спонтанно. То есть – без дополнительного подведения энергии.А в данном эксперименте некий расход энергии был – световое излучение. Так что за термодинамику можно быть спокойным – она осталась целой и невредимой.К тому же, реализованный проект даже не очень-то похож на вечный двигатель – как никак, достигнутое соотношение энергии между двумя частями ротаксанов в среднем составляло 7:3, не более. Это, конечно, очень впечатляющее значение для экспериментальной физики, но далёкое от всякой фантастики. Что ж, возрадуемся снова: и на этот раз никаких посягательств на классическую физику не случилось.При этом интересно, что поведение разработанной системы описывается моделью с демоном Максвелла. Пусть и не со всемогущим, но зато с тем самым, о котором великий физик рассказывал в XIX веке. А одна художница, вдохновившись демоном Максвелла-Лея, решила возложить на него ответственность не только за ворота, но и за кольца. Вот такой симпатяга (иллюстрация Regina Fernandes – Illugraphics). Выпрямитель тепла напоминает демона Максвелла http://www.membrana....ire=mainsection В будущем компьютеры станут работать не за счёт управления потоками электронов. И даже не на фотонах. Они смогут оперировать фононами — квантами тепловых Колзабавний атомарной решётки вещества. Во всяком случае, первый шаг в этом направлении уже сделан: физики построили фононный диод.Вопрос на знание физики школьного уровня. Если при разности температур в 10 градусов через слой некоего твёрдого материала толщиной в один сантиметр за секунду проходит 10 джоулей энергии, сколько пройдёт тепла в обратном направлении, если мы будем нагревать аналогичным образом не левую, а правую сторону этого же материала?Ответ кажется очевидным: ровно столько же. Ведь теплу всё равно, в какую сторону распространяться.А теперь представьте, что скорость теплопередачи у некоего объекта меняется в зависимости от направления потока энергии. Что получится? Получится тепловой аналог электрического диода.Надо отметить, что в последнем варианте электрическое сопротивление различается в зависимости от направления тока в тысячи и тысячи раз. А в реально построенном тепловом диоде соответствующая разница в теплопроводности пока несравненно скромнее. Но дело тут не в цифрах — важен сам факт.О создании первого в мире твердотельного термического выпрямителя (Solid-State Thermal Rectifier), или термического диода, отрапортовали в журнале Science профессор Алекс Зеттл (Alex Zettl) из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) и его соавторы.Кстати, читателям "Мембраны" Зеттл уже знаком: это он создал самый маленький в мире двигатель, поперечник которого составляет всего 200 нанометров.Четыре года назад Мишель Пейрар (Michel Peyrard) из Высшей школы Лиона (Йcole Normale Supйrieure de Lyon) первым предложил план построения теплового диода. Вот, кстати, одна из его свежих работ (PDF-документ), посвящённых физике этого удивительного устройства.Пейрар вспомнил, что разные материалы по-разному меняют свою теплопроводность в зависимости от температуры. И вместе с коллегами решил сделать тепловой выпрямитель, комбинируя тонкие слои определённых материалов. Но, несмотря на колоссальную сферу потенциального применения теплового выпрямителя (диода), Пейрар никогда не пробовал воплотить эти идеи в эксперименте.По другим теориям, тепловой выпрямитель можно было бы создать иным способом: построить одномерную проводящую систему, у которой на одном конце сосредоточено больше массы, чем на другом. Вот эту версию и предложил проверить на практике аспирант профессора Зеттла Чих Вэй Чан (Chih-Wei Chang).Зеттл и коллеги обратили своё внимание на нанотрубки: ведь из-за огромного соотношения между длиной и диаметром их практически можно считать одномерными объектами. Для тепловых потоков, во всяком случае.Упрощённая схема теплового диода. Решётку нанотрубки с одного конца закрывает конус из аморфного композита (иллюстрация с сайта sciencemag.org).Для опыта воспользовались нанотрубками двух видов — из углерода и из нитрида бора, диаметром 10 и 40 нанометров. Но как создать разницу в распределении массы?Учёные решили покрыть нанотрубки неравномерным слоем специально подобранного аморфного материала (C9H16Pt), который с одного конца был нанесён весьма щедро, а к другому плавно сходил на нет.Такую нанотрубку закрепляли между электродами на основе кремния и платины — они служили попеременно то нагревательным элементом (на одном конце трубки), то термодатчиком (на другом).Посылая тепло сначала от одного конца нанотрубки к другому, а потом — в противоположном направлении, исследователи каждый раз измеряли её теплопроводность.Они убедились, что при передаче тепла от конца с большой массой к более лёгкому краю этого устройства по трубке пробегало на 7% больше фононов, чем при передаче энергии в обратном направлении.Фотографии опытной установки. Нанотрубка до и после напыления конуса. Графики внизу показывают изменение в теплопроводности. Чёрные точки — параметры "голой" нанотрубки. Красные и синие — параметры готового теплового диода при прохождении тепла в одну и другую сторону соответственно (фото с сайта sciencemag.org).Эта невысокая эффективность ещё недостаточна для практического использования новинки. Однако, как справедливо заметил профессор Джулио Казати (Giulio Casati) из итальянского университета Инсубрии (Universitа degli studi dell'Insubria), который вместе с Пейраром первым предложил идею теплового выпрямителя, "это — первый шаг": "Когда учёные построили первый электрический диод, его эффективность также была очень низкой, — напомнил Казати, — таким образом, нужно ещё время".Но даже 7-процентное отличие в теплопроводности при протекании энергии в разных направлениях впечатляет. Авторы новой работы пишут, что его нельзя объяснить в рамках обычной теории распространения тепла и предлагают "приспособить" для этого гуляющие по нанотрубке солитоны.Арунава Маджумдар (Arunava Majumdar), ещё один соавтор эксперимента с нанотрубками, говорит, что, поскольку тепловые фононы не имеют заряда, ими нельзя управлять на манер электронов в микросхемах. Однако фононный выпрямитель — вот он, построен живьём. А это означает, что в будущем могут появиться и другие необычные системы, командующие потоками тепла.Это могут быть не только диковинные вычислительные устройства, но и, скажем, необычные системы охлаждения микросхем или новые энергосберегающие материалы для зданий.Маджумдар рассказывает, что следующим шагом научной группы будет изучение различных конфигураций нанотрубок и различных вариаций платинового покрытия. Учёные попробуют повысить разницу в теплопроводности "вправо" и "влево", меняя геометрию и химический состав устройства.Нам же остаётся помечтать, к примеру, о создании фононных транзисторов. Или о воплощении демона Максвелла.Напомним, этот демон — плод мысленного эксперимента знаменитого английского физика Джеймса Максвелла (James Clerk Maxwell). В этом эксперименте законы термодинамики нарушались путём быстрого открывания и закрывания дверей перед носом молекул, имевших разную скорость, из-за чего терялось тепловое равновесие без затрат энергии. Похоже на прибор, созданный физиками?

Сообщение отредактировал vladik_: 30.11.2009 - 00:32

  • 0

#23 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 29.07.2009 - 10:50

Хронология далекого прошлого Александр Марков, доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН
Я восхищаюсь геологическим, в особенности стратиграфическим гением.В невообразимо сложном переплетении горных пород,в бесчисленных и разнообразных наслоениях,разобраться во временной последовательности их,создать подробнейшую шкалу,и всё это — не имея даже подобия внешних часов... С. В. Мейен, «Время без часов, илиПохвальное слово создателям геохронологии»
В научно-популярных статьях по археологии, геологии, палеонтологии, эволюционной биологии и другим дисциплинам, так или иначе связанным с реконструкциями событий далекого прошлого, то и дело встречаются абсолютные датировки: что-то произошло 10 тысяч лет назад, что-то 10 миллионов, а что-то — 4 миллиарда лет назад. Откуда берутся эти цифры? Понять это не так-то просто, причем не только непосвященному читателю, но порой и специалисту. Более того, большинству геологов и палеонтологов, как ни странно, абсолютные датировки не очень-то и нужны. В серьезных научных статьях по палеонтологии точные даты в тысячах и миллионах лет встречаются на порядок (а то и на два) реже, чем в популярных пересказах. Неспециалисту абсолютные цифры говорят больше, чем названия периодов и эпох геохронологической шкалы. Специалисту — ровно наоборот. Спросите у палеонтолога, разглядывающего в бинокуляр окаменевшую ракушку: когда жил этот моллюск? Вы наверняка услышите в ответ что-то вроде «верхний мел, низы сантонского яруса». Попробуйте попросить разъяснений: «А это сколько лет назад?» Главное, внимательно следите за реакцией. В лучшем случае на вас посмотрят, как на «еще-одного-идиота-ничего-не-понимающего- в-палеонтологии- и-мешающего-работать». Можно провести и другой эксперимент, если уж у вас под рукой есть подходящий для таких опытов объект — живой палеонтолог. Расскажите ему, что недавно прочли на сайте «Элементы» о гигантских ракоскорпионах, ползавших по земле 330 миллионов лет назад. Результат, скорее всего, будет примерно такой. «Это, стало быть, когда?» — спросит палеонтолог, ставя вас в полный тупик и заставляя усомниться во вменяемости подопытного. Ясно же было сказано: 330 миллионов лет... «Это мне ни о чем не говорит, — скажет палеонтолог. — Какого года заметка, 2005-го? Значит, нужна последняя версия шкалы». Порывшись в бумагах, ученый извлечет на свет божий свежую геохронологическую шкалу (или найдет ее на сайте Международной статиграфической комиссии) и, взглянув, скажет с облегчением: «А, теперь ясно. Это ранний карбон, визейский век. Так бы сразу и сказали». Как же объяснить такое странное пренебрежение к абсолютным датировкам у специалистов, для которых геологическое время и хронология событий далекого прошлого — непосредственные объекты изучения? Всё дело в том, что относительное датирование в геологии имеет гораздо более давнюю историю, и, главное, оно гораздо надежнее и точнее абсолютного.
Читать дальше:
Александр Марков, доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН Относительная геохронология Стратиграфия — наука, изучающая последовательность слоев земной коры — развивается уже более 200 лет. За это время проделан колоссальный объем работы, суть которой заключается в двух основных действиях. Первое действие — расчленение, то есть выделение и описание слоев, залегающих в определенной последовательности в данной местности или даже в одной лишь точке. Например, последовательность слоев может быть хорошо видна на крутом горном склоне, прибрежном обрыве или в керне, извлеченном из пробуренной скважины. Априори считается, что нижние слои образовались раньше верхних, и те события (геологические или биологические), следы которых сохранились в этих слоях, соответственно, произошли раньше. Этот принцип, называемый «принципом суперпозиции», сформулировал датский натуралист Николаус Стенон более 300 лет назад. Он справедлив для пород, находящихся в ненарушенном состоянии. Иногда из-за тектонических процессов земные слои образуют складки; при этом кое-где слои могут опрокинуться набок или даже перевернуться «с ног на голову», так что более древние оказываются сверху. Креационисты (люди, отрицающие эволюцию жизни на Земле и настаивающие на библейской версии творения за шесть дней), очень любят приводить эти крайне редкие случаи перевернутого залегания в качестве аргумента против достоверности стратиграфии в целом. Подобные заявления у специалистов могут вызвать разве что улыбку. Достаточно проследить залегание соответствующих слоев на некоторой площади, чтобы выяснить причину аномалии (размер и форму соответствующей складки).
Результат работы стратиграфов: «стратиграфическая колонка» нижнепалеозойских отложений окрестностей Саблино (Ленинградская обл.). Сначала осуществляется расчленение геологического разреза и описание выделенных слоев (результаты этого этапа работы отражены в столбцах «колонка», «мощность», «характеристика пород»); затем производится корреляция, или привязка разреза к местной шкале (столбцы «горизонт», «свита») и к глобальной шкале (столбцы «ярус», «отдел»,«система»). Изображение с сайта www.sablino.ru
Второе действие — корреляция, то есть установление соответствия между слоями, описанными в разных районах Земли. Это крайне сложная задача, и далеко не всегда ее удается быстро и однозначно решить. Главными помощниками стратиграфов в этом нелегком деле являются ископаемые остатки древних организмов. Идентичные (или хотя бы похожие) комплексы ископаемых животных, растений и простейших в двух удаленных местонахождениях — весомый довод в пользу одновозрастности соответствующих слоев. Конечно, на деле всё гораздо сложнее. Сходные флоры и фауны могут сформироваться неодновременно в разных местах просто из-за того, что там в разное время сложились соответствующие условия среды. Какие-то виды организмов могут появиться (или вымереть) в одном регионе раньше, чем в других. Палеонтологи и стратиграфы мужественно борются со всеми этими трудностями, детально разбираясь с каждой конкретной ситуацией — в этом, собственно, и состоит их основная работа. Постепенно выкристаллизовывается список так называемых «руководящих форм» — это группы древних организмов, дающие самые надежные датировки для тех или иных отложений. Например, для мезозойских отложений важной руководящей группой являются аммониты, для среднего кембрия — мелкие слепые трилобиты—агностиды, и т. д. «Руководящие формы» должны удовлетворять нескольким требованиям, из которых можно выделить два главных: — глобальная (или хотя бы очень широкая) распространенность — иначе не удастся скоррелировать слои из удаленных регионов; — быстрая эволюция (от организмов, не меняющихся в течение десятков миллионов лет, стратиграфам нет никакого толку). Желательно также, чтобы представители данной группы встречались в отложениях разных типов. Например, как скоррелировать морские и континентальные отложения, если в море жили одни виды животных и растений, а на суше, естественно, совершенно другие? На помощь приходят пыльца и споры растений: они хорошо сохраняются в ископаемом состоянии, а главное, их носит ветром, и поэтому они встречаются как в морских, так и континентальных отложениях. Споро-пыльцевой анализ — один из наиболее эффективных палеонтологических методов датировки древних осадочных пород. Кроме палеонтологических данных, стратиграфы используют для корреляции слоев и маркеры небиологической природы. Удобным маркером может служить, например, прослойка вулканического пепла, образовавшаяся в результате извержения, или тонкий прослой с повышенной концентрацией редкого элемента иридия, который может образоваться в результате падения и взрыва крупного метеорита, в котором содержание иридия было намного выше, чем в земной коре. Для установления одновозрастности слоев в двух соседних геологических разрезах порой бывает достаточно идентичности литологических характеристик (цвет, структура, состав породы и т. п.).
Отложения вендского периода (по современным представлениям их возраст — около 600 млн лет) на Зимнем берегу Белого моря (Архангельская область). Источник: Я. Е. Малаховская, А. Ю. Иванцов. Вендские жители земли
Среди многочисленных трудностей, с которыми приходится сталкиваться палеонтологам и стратиграфам, можно упомянуть проблему перезахоронения (переотложения) более древних ископаемых в молодых породах. Разбивают волны прибрежную скалу, сложенную древними осадочными породами, и какая-нибудь доисторическая окаменевшая ракушка, вымытая из этой скалы, смешивается с современными ракушками на морском дне. А потом всё это «сообщество» может фоссилизироваться и попасть в палеонтологическую летопись, чтобы смущать умы будущих палеонтологов. Случается подобное и в археологии: например, из-за деятельности грызунов, роющих глубокие норы, могут перемешиваться предметы из разных слоев. В результате на стоянке палеолитического человека среди каменных орудий и костей животных мамонтовой фауны могут обнаружится окурки и банки из-под пива (подробнее см. в статье П. В. Пучкова Палеонтологические свидетельства: «летопись» потопа или «летопись» эволюции?). К счастью, все эти загадки обычно довольно легко и успешно решаются. Работа стратиграфов отнюдь не сводится к формальной регистрации формальных «маркеров» возраста. Переотложенные объекты обычно несут на себе множество свидетельств своей переотложенности, они отличаются от автохтонных («родных» для данного слоя) окаменелостей по своему литологическому составу, окатанности, прилипшим фрагментам породы и т. п.Александр Марков, доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН Палеомагнитные данные
Детальная палеомагнитная шкала кайнозойской эры. Черный цвет — прямая намагниченность, белый — обратная (изображение с сайта geo.web.ru)
Важным подспорьем для стратиграфов является палеомагнитный метод, основанный на том, что при переходе железосодержащих веществ из жидкого состояния в твердое (например, при застывании лавы) в образующихся минералах сохраняется так называемая остаточная намагниченность, причем ее вектор совпадает с ориентацией магнитного поля Земли в момент образования минерала. Представьте себе водную взвесь множества крошечных магнитных стрелок: пока вода жидкая, свободно плавающие стрелки обращены своим «северным» концом к Северному магнитному полюсу. Но стоит воде замерзнуть, и стрелки потеряют подвижность, зафиксировав положение магнитного полюса в момент замерзания. Магнитное поле Земли по не вполне понятным причинам время от времени претерпевает инверсии (Северный магнитный полюс меняется местами с Южным). Остаточная намагниченность горных пород позволяет определить, когда образовался данный слой: в эпоху «прямой» или «обратной» полярности. Палеомагнитные данные сами по себе не дают абсолютных датировок. Момент каждой конкретной инверсии магнитного поля Земли нужно «привязывать» к геохронологической шкале на основе других данных (палеонтологических, радиометрических и др.), но когда это уже сделано, «палеомагнитку» можно использовать для определения возраста отложений. Палеомагнитный метод особенно полезен для стратиграфии магматических пород, в которых нет ископаемых остатков живых организмов и к которым поэтому неприменим палеонтологический метод. Стратиграфы составили детальные палеомагнитные (или магнитостратиграфические) шкалы для Кайнозойской и Мезозойской эр. Чем глубже в прошлое, тем больше трудностей встает на пути применения этого метода. Одна из них связана с тем, что палеомагнитные интервалы отсчитывают от современности в глубь веков, причем каждая незамеченная, пропущенная или сомнительная инверсия магнитного поля ведет к наращиванию суммарной ошибки. Итоговым результатом усилий многочисленной и многонациональной армии стратиграфов является создание и постепенная детализация глобальной геохронологической шкалы. Наряду с глобальной шкалой по-прежнему в ходу местные (локальные) шкалы, которые далеко не всегда удается строго «привязать» к глобальной. Локальные шкалы могут быть разработаны гораздо детальнее, поскольку провести корреляцию слоев в пределах одного района намного легче, чем в масштабе всей планеты (например, при составлении локальных шкал можно не учитывать биогеографические различия регионов, разные условия осадконакопления и др.).
Глобальная геохронологическая шкала палеозойской эры. «Золотыми гвоздями» обозначены стратиграфические границы, для которых имеются официально признанные «типовые» геологические разрезы, на которых отмечена точка или пограничная линия между слоями, служащая глобальным эталоном данной границы (изображение с сайта stratigraphy.org)
Из сказанного понятно, каким образом геологи и палеонтологи определяют возраст своих находок: по ископаемой флоре и фауне, присутствующей в одном слое с интересующим нас образцом. Например, если в одном слое с вашей находкой присутствуют окаменевшие кубки правильных археоциат — можете не сомневаться: это ранний кембрий. А сколько это лет назад? Да какая, собственно, разница! Палеонтологу достаточно знать, что это позже докембрия и раньше среднего кембрия. Стратиграфия — это «время без часов». У специалистов не вызывает сомнений, что стратиграфические методы относительной датировки на сегодняшний день остаются самыми надежными и точными методами в геохронологии. Если вы читаете в современной научной статье, что такая-то находка происходит из верхнего кампана или, допустим, среднего фамена, этой информации безусловно можно доверять. Вероятность ошибки, конечно, всегда будет отличной от нуля. Однако если возраст отложений вызывает какие-то сомнения, в статье об этом наверняка будет сказано, и тогда будет идти речь, например, «о верхах кампана или, возможно, низах маастрихта». При сегодняшнем уровне развития стратиграфии морские отложения фанерозойского эона в большинстве случаев удается уверенно датировать с точностью до яруса (века) или подъяруса; континентальные отложения, где палеонтологическая летопись более фрагментарна и руководящих форм меньше, обычно датируются с несколько меньшей точностью — до отдела (эпохи) или яруса. Всё сказанное относится преимущественно к фанерозою — «эре явной жизни», которая началась около 542 млн лет назад (см. ниже). С более древними отложениями — протерозойскими и архейскими — дело обстоит значительно хуже, потому что в то время еще практически не было организмов с твердым минерализованным скелетом, которые можно использовать в качестве «руководящих ископаемых». Правда, эти древние отложения вовсе не являются «палеонтологически мертвыми»: там есть разнообразные микрофоссилии (остатки одноклеточных организмов), строматолиты — продукты жизнедеятельности микробных сообществ, а в протерозойских отложениях сравнительно недавно обнаружены разнообразные отпечатки мягкотелых многоклеточных животных и водорослей. Но в целом, чем дальше мы уходим вниз по геологическому разрезу от нижней границы фанерозоя, тем меньшее стратиграфическое «разрешение» дает палеонтологический метод и тем большую роль начинают играть методы абсолютной геохронологии.Александр Марков, доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН Абсолютная геохронология Абсолютные датировки были «подвешены» к геохронологической шкале много позже, когда появились радиометрические, а затем и другие методы определения абсолютного возраста. Эти методы относятся как бы к другой епархии — соответствующие анализы проделывают химики и физики, а вовсе не геологи с палеонтологами. Анализы эти дороги и сложны, и делают их достаточно редко. Да и не нужно делать их часто. Достаточно один раз точно датировать каждую стратиграфическую границу, чтобы затем легко переводить «нормальный», то есть относительный, определенный по флоре-фауне возраст в столь любимые читателями научно-популярных изданий миллионы лет. Проблема в том, что все эти физико-химические методы пока еще не очень точны. Вот что написал в 1986 году в журнале «Знание-Сила» один из крупнейших российских стратиграфов Сергей Викторович Мейен: «Еще в начале тридцатых годов в одном из авторитетных стратиграфических руководств было сказано, что по разным методам подсчета возраст земной коры получается от 40 миллионов до 7 миллиардов лет. Такой разброс цифр, конечно, обесценивает их». Но еще более показательна другая цитата: «Теперь мы знаем, что весь фанерозой продолжался примерно 570 миллионов лет... ошибка измерений для начала палеозоя составляет десять—пятнадцать миллионов лет». Действительно, по шкалам образца 80-х годов XX века абсолютный возраст границы протерозоя и палеозоя оценивался как 570 млн лет с ожидаемой ошибкой не более 15 млн лет, то есть 555–585 млн лет. Однако шкала образца 2004 года (см. в предыдущем разделе Глобальную геохронологическую шкалу палеозойской эры) дает датировку 542 плюс-минус 1 млн лет! Таким образом, если считать нынешнюю шкалу правильной, приходится признать, что в 1986 году ошибка составляла не 10-15, а целых 28 миллионов лет! За два десятилетия интенсивного развития абсолютной геохронологии нижняя граница раннего кембрия сместилась на величину, равную (по современным представлениям) продолжительности всей раннекембрийской эпохи! При этом, заметьте, изучение палеонтологии раннего кембрия шло своим чередом, кембрий оставался кембрием, археоциаты — археоциатами, и, если честно, специалистам по кембрию от всех этих пертурбаций ни жарко, ни холодно. Но теперь, я думаю, читателю легче понять, почему палеонтологи больше доверяют своим периодам, эпохам, векам, горизонтам и свитам, чем пресловутым «миллионам лет». И все-таки — откуда они берутся, эти миллионы?* Из методов определения абсолютного возраста наиболее широко применяются так называемые радиометрические методы, основанные на постоянстве скорости распада радиоактивных изотопов (см. таблицу). Пока вещество находится в жидком состоянии (жидкая магма, например) его химический состав переменчив: происходит перемешивание, диффузия, многие компоненты могут улетучиваться и т. д. Но когда минерал затвердевает, он начинает вести себя как относительно замкнутая система. Это значит, что присутствующие в нем радиоактивные изотопы не вымываются и не улетучиваются из него, и уменьшение их количества происходит только за счет распада, который идет с известной постоянной скоростью. Все продукты распада в идеале тоже остаются внутри минерала. К сожалению, такой «идеал» встречается в природе не намного чаще, чем идеальный газ или абсолютно черные тела. Если в новообразовавшейся горной породе изначально не было атомов — продуктов распада данного изотопа (или если нам известно, сколько их там было); если атомы изотопа и образующиеся продукты его распада действительно не вымывались, не улетучивались и не внедрялись извне, то мы и впрямь можем очень точно определить возраст породы, измерив соотношение масс изотопа и его продуктов. Знать изначальное содержание изотопа в породе для этого не нужно. Например, если в породе обнаружено соотношение изотопа и продуктов его распада 1:1, а период полураспада изотопа равен 1 млн лет, и если мы имеем основания полагать, что изначально продуктов распада в породе не было, значит, эта порода образовалась 1 млн лет назад.
Чем больше период полураспада, тем более давние геологические события датируются при помощи соответствующего радиометрического метода. Если изотоп распадается быстро (как 14C), с течением времени в образце остается слишком мало исходного изотопа для точного анализа. Наоборот, если изотоп распадается очень медленно, его нельзя использовать для датировки молодых отложений, поскольку в них накопилось еще слишком мало продуктов распада (из: Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Абсолютная геохронология)
В реальности всё гораздо сложнее. Обычно бывает очень трудно оценить изначальное содержание в породе продуктов распада данного изотопа. Например, калий-аргоновый метод (который, кстати, использовался для датировки большинства важнейших стратиграфических границ) основывается на том чрезвычайно удобном обстоятельстве, что из расплавленных пород аргон обычно улетучивается. Однако во время кристаллизации минерала может происходить захват аргона извне. Как отличить этот аргон от того, что образовался позднее в ходе распада изотопа 40K? Можно исходить из предположения, что захваченный аргон имел такое же соотношение изотопов 40Аr/36Аr, как в современной атмосфере. Измерив количество 36Аr, можно затем вычислить количество «чистого» радиогенного аргона 40Аr. Однако вышеупомянутое допущение далеко не всегда оправдано... Каждый из радиометрических методов имеет свои достоинства и недостатки. Например, недостатком уран-свинцового метода является редкая встречаемость минералов с достаточно высоким содержанием урана; недостатком калий-аргонового — высокая вероятность утечки образующегося аргона из уже затвердевшего минерала. В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Если результаты более или менее совпадают, все вздыхают с облегчением. Если нет, приступают к скрупулезному поиску возможных источников ошибок и разработке разнообразных замысловатых поправок. К сожалению, встречается и иная тактика: из нескольких полученных дат выбирается та, которая лучше всего соответствует взглядам исследователей, а для остальных датировок начинают целенаправленно искать «компромат». Для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода 14C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: 14N + n —> 14С + p. Углерод 14С окисляется до 14СO2 и распространяется в атмосфере. Растения используют 14СO2 в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение 14C/12C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения 14C/12C за счет распада радиоактивного изотопа 14C. Применение радиоуглеродного метода, однако, сталкивается с целым рядом трудностей. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия очень сильно сказываются на этой величине. Темпы образования 14C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные. Соотношение 14C/12C зависит и от общей концентрации СO2 в атмосфере, которая тоже склонна меняться. Все эти естественные Колзабавния, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. По-настоящему серьезную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом. Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится. Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки: соответственно, термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять в середине XX века археологи для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется). По сути дела, кристалл работает не как хронометр, а как дозиметр. Количество «накопленного» кристаллом света показывает не время как таковое, а суммарную дозу полученного кристаллом облучения. Кстати, существуют и широко используются термолюминесцентные дозиметры. Использование данного свойства кристаллов для получения абсолютных датировок базируется на предположении о постоянстве радиационного фона в том месте, где находился кристалл. Например, в окрестностях Чернобыля проводить люминесцентное датирование археологических находок — занятие довольно бессмысленное. Люминесцентные методы позволяют датировать образцы возрастом примерно от 100 до 200 000 лет и в идеале дают ошибку не более 10%. Но это, как всегда, лишь «в идеале». На количество накопленного кристаллом света влияет множество факторов, в первую очередь — структура кристалла, количество дефектов кристаллической решетки и, конечно, уровень радиации в том месте (или местах), где кристалл находился. Этот уровень мог меняться не только из-за деятельности человека, но и по другим причинам — например, из-за периодических контактов кристалла с грунтовыми водами. Трудности при определении возраста пещерных отложений могут быть связаны еще и с тем, что не всегда можно точно установить, какие песчинки в этих отложениях принесены «с улицы» первобытными обитателями пещеры, а какие насыпались с потолка. Метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса тоже основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином. Чтобы определить число таких электронов, физики используют резонансные методы, то есть подвергают Колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных Колзабавний системы. Для простого палеонтолога или археолога такие премудрости абсолютно непостижимы. Все вопросы — к физикам, пожалуйста. Они, кстати, утверждают, что метод позволяет датировать образцы возрастом до двух млн лет, лучше всего работает на карбонатных породах, и очень хорош для определения возраста зубной эмали. Существует еще целый ряд физико-химических методов абсолютной датировки, имеющих ограниченную область применения. В качестве примера можно привести аминокислотный метод, основанный на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).
Одно из самых старых деревьев на земле – сосна, растущая в Калифорнии (США). Ей более 4000 лет (фото с сайта home.austarnet.com.au)
Дендрохронологический метод, или датирование по древесным кольцам, в большой чести у археологов. Этот метод позволяет датировать только самые молодые отложения (возрастом до 5-8 тысяч лет), зато с очень высокой точностью, вплоть до одного года! Нужно лишь, чтобы в раскопе обнаружилось достаточное количество древесины. В стволах большинства деревьев образуются годовые кольца, ширина которых колеблется в зависимости от погодных условий соответствующего года. Характерные «спектры» широких и узких колец примерно одинаковы у всех деревьев данной местности, растущих одновременно. Специалисты по дендрохронологии составляют сводные дендрохронологические шкалы, протягивающиеся от сегодняшнего дня в прошлое. Очень помогают в этом деревья-долгожители. Самому старому из доживших до наших дней деревьев было 4844 года, когда его срубили в 1965 году (это считается одним из самых печальных событий в истории дендрохронологии). Старейшему из живых деревьев на планете 4789 лет. Это сосна (Pinus longaeva), растущая в Калифорнии. К сожалению, погода в разных районах Земли сильно различается, и если в Канаде выдалось теплое лето (и деревья образовали толстые годовые кольца), то в Сибири то же самое лето вполне может оказаться холодным, и годовые кольца будут тонкими. Поэтому для каждого региона приходится составлять отдельные дендрохронологические шкалы. Дендрохронологический метод применим только для районов с сильными сезонными Колзабавниями климата (температуры или количества осадков) — в противном случае четких годовых колец не образуется. Кроме того, состав почвы должен способствовать хорошей сохранности древесины, а изучаемые археологические культуры — широко использовать дерево в хозяйстве.
Возраст живого дерева можно определить, не спиливая его, путем высверливания тонких столбиков древесины (фото с сайтов www.geo.arizona.edu и medias.obs-mip.fr)
Хорошие результаты может давать совместное использование дендрохронологического и радиоуглеродного методов. Годовые кольца не только сохраняют память о погодных условиях конкретного года — по небольшим изменениям уровня 14С от кольца к кольцу можно судить о флуктуациях содержания этого изотопа в атмосфере. Это позволяет существенно повысить точность радиоуглеродного датирования, а также дает дополнительный источник данных для дендрохронологической корреляции (позволяет коррелировать годовые кольца не только по их ширине, но и по содержанию 14С). В ряде регионов надежные дендрохронологические шкалы удалось протянуть на 8-9 тыс. лет в прошлое, а при помощи радиоуглеродной калибровки — до 13 тыс. лет и более.
На этом рисунке показано, как осуществляется дендрохронологическая корреляция (изображение с сайта uts.cc.utexas.edu)
Метод молекулярных часов. Для палеонтологии, как мы говорили, характерно преобладание относительных датировок в научных статьях, тогда как абсолютные датировки встречаются в основном в популярных пересказах, в которых журналисты в угоду читателям переводят эпохи, ярусы и подъярусы в миллионы лет, сверяясь с геохронологической шкалой. Иное дело — научные статьи по генетике и молекулярной биологии. Там сплошь и рядом встречаются абсолютные даты: «человек и шимпанзе разошлись 5-8 миллионов лет назад», «рис и просо происходят от общего предка, жившего 30-60 млн лет назад» (см. <a href="http://elementy.ru/news/165064" target="_blank">У растений обнаружен межвидовой обмен генами, «Элементы», 22.12.2005 и так далее). Большинство абсолютных датировок, встречающихся в современных статьях по генетике, молекулярной биологии и другим «непалеонтологическим» отраслям биологии, частично или полностью основываются на принципе «молекулярных часов». Современная биология опирается на эволюционные представления, которые в самом общем виде отображаются дарвиновской схемой дивергенции (см. рисунок).
Классическая схема дивергенции по Дарвину имеет вид древа, ветви которого, раз разделившись, уже никогда более не сольются (рис. с сайта macroevolution.narod.ru)
Жизнь на Земле имеет единое происхождение, о чем свидетельствует единство генетического кода и других базовых систем живой клетки. Считается, что живая клетка возникла единожды, и от этой первоклетки произошло всё живое. Историю развития жизни можно представить в виде древа с расходящимися ветвями. Из этого следует, что, какие бы два вида живых организмов мы ни взяли, у них когда-то в прошлом непременно существовал общий предок (предковый вид), от которого они в свое время «разошлись». В подавляющем большинстве случаев рассчитывать на обнаружение в палеонтологической летописи ископаемых остатков этого предка не приходится (а если его и найдут, надо еще доказать, что он именно предок, а не братишка троюродный). Как же тогда определить время жизни общего предка и (что примерно то же самое) время появления происходящих от него групп организмов-потомков? Согласно «правилу молекулярных часов», нейтральные (не полезные и не вредные) мутации накапливаются в геноме с примерно постоянной скоростью, если нет каких-то особых причин, заставляющих этот процесс ускоряться или замедляться. Скорость накопления мутаций, конечно, варьирует у разных групп организмов (например, бактерии мутируют гораздо быстрее, чем многоклеточные), но все эти различия в принципе можно учесть. На нескольких конкретных примерах, когда это было возможно, «молекулярные часы» были откалиброваны. Например, сравнивались молекулы ДНК исландцев — народа, где каждый человек знает свою родословную на 1000 лет назад, начиная от первых колонистов. Таким образом удалось установить, сколько мутаций в среднем фиксируется в ДНК в единицу времени (или за определенное число поколений) у человека. Во многих случаях «молекулярные часы» корректируются и по данным палеонтологической летописи Метод молекулярных часов крайне неточен, потому что скорость накопления мутаций может варьировать не только в зависимости от группы организмов, но и от многих других факторов (например, от активности транспозонов и вирусов, от их обилия в геноме). Поэтому на основе данного метода можно давать лишь весьма приблизительные оценки времени расхождения эволюционных линий. Верхняя и нижняя граница доверительного интервала могут различаться вдвое и даже больше. Генетики активно работают над усовершенствованием метода. Неточность большинства методов абсолютной геохронологии вовсе не дает оснований напрочь отрицать достоверность абсолютных датировок в палеонтологии, эволюционной биологии и археологии (как делают, например, креационисты и последователи Фоменко). Главная сила этих методов в том, что их много. И в подавляющем большинстве случаев они все-таки дают сходные результаты, которые к тому же хорошо согласуются с данными относительной геохронологии (нижние слои оказываются древнее верхних и т. д.). Если бы это было не так, так и говорить было бы не о чем! Это как с корабельными хронометрами: если он один, никак нельзя определить, когда он врет; если два — уже можно понять, что один из них врет, неясно лишь, какой из двух; ну а если их три или больше — точное время можно узнать практически всегда. Именно поэтому в хороших научных исследованиях возраст объектов сейчас стараются определять при помощи нескольких независимых методов. Если это правило нарушено, результат выглядит спорным в глазах большинства специалистов.http://elementy.ru/lib/430055/430058

Сообщение отредактировал bot: 29.11.2009 - 16:51

  • 0

#24 Guest_vladik_*

Guest_vladik_*
  • Гости
  • благодарностей

Отправлено 09.08.2009 - 00:14

До Марса за 39 днейhttp://www.3dnews.ru/news/do_marsa_za_39_dnei/
Читать дальше:
25.07.2009Сегодня раздается целый хор голосов - профессионалов в области космических изысканий и рядовых обывателей, - призывающих скорее отправить экспедицию на Марс, предпочтя красную планету Луне. Критики в ответ справедливо замечают, что такой вояж будет долгим и изматывающим, занимая не менее шести месяцев. Но научный прогресс человечества и личную мечту многих энтузиастов тяжело остановить. В тот день, когда в список посещенных человеком космических тел можно будет вписать соседнюю планету, одну из благодарностей нужно будет адресовать исследователям, которые трудятся сегодня над новым ионным двигателем, способным в перспективе сократить полет до 39 суток.
Существующие ракеты сжигают химическое топливо для создания движущей силы. Большая часть его объема расходуется в процессе старта и разгона до необходимой для преодоления земного притяжения скорости, поэтому для дальних космических странствий потребуются огромные количества запасов горючего, что в свою очередь увеличивает необходимую мощность двигателей для отрыва от земли. Круг замыкается.Ионные двигатели работают несколько иным образом. Они ускоряют электрически заряженные атомы - ионы, проводя их через электрическое поле и "толкая" таким образом корабль в противоположном направлении, то есть создавая сообщающую кораблю движение реактивную тягу. Ее сила во много раз меньше той, которую обеспечивают агрегаты на химическом топливе, поэтому поднять корабль с поверхности планеты они не способны. Однако в космическом пространстве они могут работать годами, постепенно разгоняя аппарат до очень больших скоростей. Такие двигатели вовсе не революция - их использовали уже несколько миссий, включая один из зондов NASA, находящийся на пути к астероидам Vesta и Ceres, и японский Hayabusa, встретившийся с астероидом Itokawa в 2005 году. Но разрабатываемый в данное время VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket - Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом) должен быть гораздо эффективнее предшественников за счет использования радиочастотного генератора, который нагревает частицы и создает плазму. Работы ведутся основанной в 2005 году бывшим астронавтом и физиком Франклином Ченг-Диазом (Franklin Chang-Diaz) компанией Ad Astra Rocket Company.
Для описания работы VASIMR можно провести параллели с паровым двигателем, где для получения пара нагревается вода. Генератор нагревает атомы аргона, пока те не "вскипят" - образуют плазму. Эта стадия прошла проверку 2 июля в штаб-квартире компании. Для повышения эффективности плазма затем снова нагревается до приблизительно миллиона градусов - температуры, сравнимой с таковой в центре Солнца - с помощью сильного магнитного поля. В завершение рабочего цикла поле "выталкивает" плазму из двигателя, создавая тягу. VASIMR может оперировать мощностями в сотни раз большими, чем в обычных ионных двигателях, просто ускоряющих плазму через серию металлических решеток под разным напряжением. Решетки под воздействием активных процессов подвергаются эрозии, ограничивая мощность и жизненный цикл двигателя. В новой разработке проблема отсутствует как таковая. В данный момент идут испытания второй стадии - нагрева плазмы.
Ad Astra Rocket Company и NASA уже достигли договоренностей об испытании двигателя в космосе путем присоединения его к Международной космической станции в 2012-2013 гг. Потенциально VASIMR сможет сообщать станции периодические импульсы, которые необходимы для сохранения орбиты. Сфер применения двигателя и основанных на нем аппаратов множество: буксировка спутников, доставка грузов на лунную базу и даже пристыковка к угрожающему Земле астероиду для изменения его орбиты. На текущей достигнутой мощности двигатель способен работать на одной лишь солнечной энергии. Но для путешествия до Марса за 39 дней потребуется в 1000 раз большая мощность - ее может предоставить портативный ядерный реактор.
Перспективы огромны. Предстоящей работы для их воплощения - еще больше. Но одним преимуществом проект заставляет поверить, что это не "пустышка": VASIMR уже работает, над ним напряженно трудятся коллективы ученых, а его предшественники успели пройти "крещение" космосом. Это - эволюция технологии, способной привести к грандиозным достижениям, которые ранее реализовывались лишь на бумаге под пером фантастов.


#25 Дан Дэ Вэйн

Дан Дэ Вэйн

    Пропал человек

  • Участник
  • 1 491 сообщений
  • 14 благодарностей

Отправлено 09.08.2009 - 19:17

Ученые готовятся вернуть к жизни неандертальцев14:33 «Известия» Научный коллектив знаменитого немецкого Института эволюционной антропологии имени Макса Планка завершает уникальные работы по воссозданию генетического кода неандертальца.В результате, как отмечает сегодня британская радиокомпания Би-би-си, будут созданы условия для возможного возвращения к жизни этого существа, которое рассматривается современной наукой в качестве тупиковой ветви в развитии человека.Руководитель работ — профессор Сванте Паабо считает, что современная наука и генная инженерия достигли уровня, когда есть возможность воссоздать неандертальца. Пока в научной среде нет единого взгляда на желательность вторичного появления этого человекообразного существа, которое не выдержало конкуренции в ходе эволюции с homo sapiens.Появившиеся на земле около 600 тыс. лет назад неандертальцы населяли огромный регион от современного Южно-Китайского моря до Атлантического океана. В ряде регионов они делили среду обитания с современным человеком, конкурируя за природные ресурсы и пищу. Между тем сейчас сформулирована новая теория причин исчезновения неандертальцев, информирует ИТАР-ТАСС. Как считает профессор американского Университета штата Мичиган Рэчел Кастэри, современный человек смог победить в ходе эволюции за счет обладания более обширной и точной информацией. Свой вывод она сделала на основе сенсационного открытия, согласно которому около 30 тыс. лет назад в развитии homo sapiens произошло удивительное и до конца еще не понятое современной наукой событие — люди стали жить дольше и в тогдашней среднестатистической человеческой семье появились бабушки и дедушки. Старшее поколение оказалось ключевым элементом в ускорении эволюции человека, так как люди стали обладать более обширными знаниями в результате более длительного процесса накопления опыта.В свою очередь у неандертальцев не произошло увеличения срока жизни, что в итоге и привело их к полному эволюционному проигрышу. Считается, что последнее племя неандертальцев вымерло 28 тыс. лет назад. Оно обитало на юге Испании в районе современного Гибралтара.http://news.mail.ru/society/2806327/

Сообщение отредактировал bot: 06.09.2009 - 19:15

  • 0

#26 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 12.08.2009 - 20:35

Ученые выяснили структуру воды и объяснили её аномальные свойства 20:07 РИА «Новости» МОСКВА, 12 авг — РИА Новости. Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе, и наличие жизни на Земле — её переменная плотность, высокая теплоемкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Ученым давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озерах — в противном случае эти относительно мелкие водоемы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.Вода обладает огромной теплоемкостью — благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт.Аномально высокое поверхностное натяжение жидкой воды не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался неразгаданным, так как изучить эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически невозможно.Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти трудности благодаря новейшим методам изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.Ученые выяснили, что существовавшие до сих пор представления о молекулярной структуре воды были неверными — оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к некоторому искажению структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.«Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение — обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же "температуре" танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами — некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним» — пояснил результаты работы Нильсон, слова которого приводит пресс-служба Стенфордского центра линейных ускорителей в США.Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры — упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане. Рейтинг статьи: 4.33 Поставить оценку Поставить оценкуhttp://news.mail.ru/...ang=ru&ver=2842

Сообщение отредактировал Luscinia: 12.08.2009 - 20:37

  • 0

#27 Дан Дэ Вэйн

Дан Дэ Вэйн

    Пропал человек

  • Участник
  • 1 491 сообщений
  • 14 благодарностей

Отправлено 13.08.2009 - 19:35

Ученые создали мини-киборгаУченые создали гибридное биоэлектронное устройство, так называемого киборга. Оно сделано на основе кремния и способно изучать и контролировать работу биологических мембран живых организмов, регистрируя текущие через них потоки ионов, которые определяют колоссальные вычислительные возможности человеческого мозга, помогающие нам слышать, видеть, говорить и мыслить.Авторы разработки из Ливерморской национальной лаборатории в США считают, что это достижение ускорит создание систем, которые можно будет вживить в человеческий организм, тем самым создав настоящего киборга - гибрид машины и живого человека. Также, по мнению ученых, это приведет к созданию совершенно новых имплантантов, способных заменить многие сложнейшие внутренние органы. В будущем на базе данной технологии ученые надеются делать искусственные нервные системы или даже глаза. Кроме того, данное изобретение поможет повысить вычислительные мощности компьютеров будущего.Сейчас ученые находятся в самом начале развития гибридных бионаноэлектронных устройств. Эксперты полагают, что появления первых практических результатов от улучшения этих технологий можно ожидать уже примерно через пять лет.Ну, а пока, если у вас имеются ненужные $18 тыс., вы можете приобрести ногу-киборг производства США. Чудо робототехники функционально почти ничем не отличается от естественной конечности. Поэтому футурологи уверенно предсказывают появление через некоторое время, когда ноги подешевеют, миллионов одноногих полукиборгов на улицах городов мира.Постоянный адрес статьи: http://www.utro.ru/a...12/831008.shtml
  • 0

#28 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 21.08.2009 - 14:52

Дата: 20.08.2009Наблюдения в космосе могут предсказывать землетрясения Несмотря на видимое отсутствие солнечной активности, один из телескопов солнечной обсерватории«Коронас-Фотон»регистрирует потоки энергичных электронов в земной магнитосфере. Особенно интенсивны они там, где их не должно быть. Потоки электронов могут быть связаны с приближением землетрясения. фото: Fotobank.ru/Getty ImagesПотоки энергичных электронов в земной магнитосфере регистрирует Спутниковый телескоп электронов и протонов (СТЭП), установленный на борту солнечной обсерватории «Коронас-Фотон», сообщает пресс-служба Института астрофизики МИФИ. Несмотря на практически полное отсутствие каких-либо проявлений солнечной активности, потоки электронов стабильностью не отличаются.Повышения интенсивности и всплески потоков электронов в десятки и тысячи раз с энергиями до 0,5 МэВ наблюдаются в тех зонах магнитосферы, где их не должно быть — на низких широтах и вблизи экватора в областях, далеко отстоящих от Бразильской магнитной аномалии.9 августа в 05.00−07.00 мск наблюдались несколько кратковременных и одно длительное повышение потока электронов с энергиями 0,18−0,51 МэВ. При этом иная картина была 8 и 10 августа. В то же время в эти дни картины практически полностью повторяли друг друга, что характерно для стационарных условий распределения заряженной радиации в околоземном пространстве. Но 9 августа на этой же орбите наблюдались высыпания электронов как с внешнего пояса, так и в большей степени с внутреннего радиационного пояса, зарегистрированные прибором преимущественно на низких широтах.Подобный анализ потоков электронов в следующем энергетическом окне (с энергиями 0,35−0,95 МэВ) показывает также повышенные потоки в окрестности экватора, однако различие в абсолютных величинах по сравнению с 8 и 10 августа уже не столь велико.Отсутствие солнечной активности в рассматриваемый период и заметное усиление сейсмической активности (только за период 9−10 августа произошло четыре землетрясения с магнитудой 6 и более баллов) позволили ученым сделать предположение. Возможно, нестационарные потоки электронов с энергиями до 1 МэВ, наблюдавшиеся 9 августа, связаны с «подготовкой» землетрясения с магнитудой 7,1 в 6.56 мск с координатами 33° северной широты и 138° восточной долготы — вблизи Японии. При этом высыпания частиц начинаются за 70 и ранее минут и длятся до самого землетрясения. «Эхо» землетрясения «слышится» некоторое время до восстановления устойчивого равновесия частиц в поясах.СТЭППрибор СТЭП массой около 18 кг помогает исследовать динамику радиационных поясов Земли во время солнечной и магнитосферной активности.Прибор позволяет регистрировать потоки электронов в диапазоне энергий 0,18−2,6 МэВ (3 канала), > 2,6 МэВ; протонов в диапазоне энергий 7,4−58,0 МэВ (10 каналов), > 58,0 МэВ; альфа-частиц в диапазоне энергий 29,8−177,0 МэВ (10 каналов), > 177 МэВ. Также СТЭП регистрирует смеси протонов и электронов, альфа-частиц и протонов.Прибор состоит из блока детекторов, установленного вне гермоотсека космического аппарата, и блока обработки цифровой информации, находящегося внутри гермоотсека. Блок детекторов содержит в себе два идентичных кремниевых позиционно-чувствительных матричных детектора, каждый размером 45x45 мм и толщиной 350 мкм, и два сцинтилляционных детектора, просматриваемых фотодиодами большой площади и фотоэлектронным умножителем. СТЭП в нормальном режиме работает непрерывно в течение всего периода активного существования космического аппарата. Информация выдается через каждые 30 секунд и содержит в себе данные о потоках и угловых распределениях частиц. Минимальное временное разрешение данных составляет две секунды с целью изучения тонкой структуры временной динамики потоков частиц с высокой плотностью во время прохождения «Коронас-Фотона» через радиационные пояса, Бразильскую магнитную аномалию и приполярные области.Оригинал статьи находится на сайте Infox.ruhttp://www.manwb.ru/news2/2086/
  • 0

#29 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 21.08.2009 - 23:25

NOAH (New Orleans Arcology Habitat) — здание-город 365 метров в высоту, 20,000 квартир, жилая площадь равна 2 040 000 кв.м. Экологичное энергоснабжение — используется энергия ветра, воды и солнца. Кроме квартир там есть место для коммерческих организации 305 тыс квадратов, школа, больница и казино. И учитывая место под которое делался данный проект, немаловажная особенность, — здание может держаться на плаву.
  • 0

#30 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 26.08.2009 - 22:29

Агентство НАСА завершило тестирование ключевых компонентов миниатюрного ядерного реактора, который в будущем должен будет обеспечить энергией наши космические базы на Луне и на Марсе, а также может служить источником энергии для ионных двигателей нового типа.Реактор НАСА сделан по оригинальной технологии: он совмещает в себе маленькую установку по расщеплению атомов и два двигателя Стирлинга, принцип работы которых показан на иллюстрации внизу-это тепловая машина, в которой есть горячая и холодная камеры, а газ непрерывно перемещается между ними, попеременно то нагреваясь/расширяясь, то остывая/сжимаясь. Процесс идёт самостоятельно, если сохранять температуру камер.В исследовательском центре НАСА Glenn Research Center протестировали двигатели Стирлинга и радиаторы по отдельности, а вместо реактора поставили пока что симулятор. Все части в сборе протестируют в 2014 г. А подготовить к запуску реактор должны к 2020 г. Как известно, именно к этой дате НАСА обещает вернуть человека на Луну.Во время эксперимента установка стабильно выдавала 2,3 кВт энергии, и показала себя даже лучше, чем ожидали учёные. Потенциально она может работать на мощности 40 кВт, этого будет вполне достаточно для жизнеобеспечения лунной и марсианских баз.В создании ядерной установки инженеры применили одну инновацию. Для передачи тепла от реактора к машине Стирлинга они использовали жидкую металлическую прослойку из калийно-натриевого сплава. Такой материал впервые используется с машиной Стирлинга. По первым прикидкам, получившаяся конструкция сможет работать без какого-либо внешнего вмешательства как минимум восемь лет.Кроме того, были протестированы панели радиатора, который должен рассеивать тепло от водяной системы охлаждения реактора. Радиаторы неплохо показали себя в безвоздушном пространстве при суточных перепадах температур от -100°С до +100°С, как на Луне.Программа по созданию миниатюрных ядерных реакторов Fission Surface Power в НАСА стартовала в 2006 году.Источник.
  • 0

#31 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 27.08.2009 - 17:13

Эволюция как сопротивление энтропии
Читать дальше:
Виктор Прохорович Щербаков, доктор биологических наук, зав. лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН I. Механизмы видового гомеостаза Организм и среда Что отбирает отбор? Гомеостаз Об адаптивном мутагенезе и эволюции способности к эволюции Совершенство Генетический «замысел» зиготы II. Консервативная роль полового размножения Когезия Генетическая рекомбинация Необратимость эволюции. Храповик Мюллера Репродуктивная изоляция Список литературы
Эволюция направлена против себя самой Эволюция — это способ живого противостоять энтропии, нарастающему хаосу и беспорядку. Она творит разные новшества, но естественный отбор сохраняет только те из них, что придают организмам устойчивость к дальнейшим изменениям, те, что позволяют им воспроизводить свои копии в длинном ряду поколений, практически не меняясь. Как это ни странно, но получается, что эволюция работает против себя самой. Мы привыкли к тому, что эволюция есть создание чего-то нового, более сложного и совершенного. Но на самом деле эволюция — это создание не просто нового, а нового, которое сопротивляется дальнейшим изменениям. Иными словами, эволюция направлена на прекращение эволюции! К такому парадоксальному выводу пришел Виктор Прохорович Щербаков из Института проблем химической физики РАН (Черноголовка, Московская область). В своей статье, опубликованной в двух номерах «Журнала общей биологии», он подробно обсуждает и детализирует этот тезис, опираясь прежде всего на литературу в области молекулярной биологии. Суть жизни Щербаков видит в противостоянии энтропии, растущему хаосу. Удивительно то, что, сопротивляясь энтропии, эволюция на самом деле этой самой энтропией движима. Так, никуда не деться организмам от мутаций — сбоев в механизме передачи наследственной информации от родителей к потомкам. Мутации приводят в конце концов к гибели организмов и вымиранию видов. Но удивительно то, что в ходе этого разрушительного по сути своей процесса (частного проявления энтропии) случайно создаются новшества, которые опять же случайно могут оказаться устойчивыми к дальнейшей деградации. Вот они-то и сохраняются отбором. Так возник когда-то генетический код (недаром он универсальный для всех организмов!) и механизм воссоздания организмами своих копий из материала окружающей среды, так появился диплоидный набор хромосом и половое размножение (смысл которого автор видит в стабилизации вида, в создании препятствий на пути его дальнейшей эволюции), так возникала забота о потомстве и разные другие сложнейшие формы поведения животных (а в конце концов и наша культура). Короче говоря, так сформировалось всё то, что позволяет организмам воспроизводить себя в потомках, не исчезая с лица Земли. Палеонтологи часто жалуются на то, что не могут найти форм переходных, промежуточных между разными группами организмов. Но с развиваемой точки зрения это неудивительно. Переходные формы не сохранились, поскольку не были устойчивыми, поскольку вынуждены были претерпевать быструю эволюцию, и только ценой существенного изменения своего строения (и/или физиологии) могли сохранять соответствие среде (которая сама менялась), могли выживать и оставлять жизнеспособных потомков. Но на каком-то этапе в этом ряду форм, быстро меняющихся из поколения в поколение, появились организмы, более совершенные, лучше приспособленные к среде, к тому, чтобы жить в этой среде не меняясь. Такие более совершенные формы уже могли сохранить свою собственную идентичность в длинном ряду поколений. А поскольку они долго пребывали на Земле, то и остатки их (отпечатки, скелеты и т. п.) обнаруживались учеными достаточно часто. Впрочем, эта точка зрения не нова. Она была очень четко сформулирована в 1972 году Нильсом Элдриджем (Niles Eldredge, р. 1943) и Стивеном Гоулдом (Stephen Jay Gould, 1941–2002) в виде гипотезы прерывистого равновесия (punctuated equilibrium).
Алексей Гиляров
I. Механизмы видового гомеостаза
Живой организм — это временный материальный носитель организациисо свойством выживания. Е. Г. Мерсер (Merser, 1981)
Второй закон — это больше, чем закон термодинамики, это естественный закон истории. Д. Р. Брукс и Е. О. Вили (Brooks, Wiley, 1986)
Подобно тому, как в зерне невидимо содержится всё, что должно со временемразвиваться в дерево, так следует нам представлять себе,что и мир в момент, когда Бог одновременно сотворил все вещи,содержал в себе все вещи, которые земля произвела,как возможности и как причины, прежде чем они развилисьво времени такими, какими их знаем мы. Блаженный Августин
Слово «эволюция» ассоциируется с образованием нового. Проблема эволюционной стабильности редко привлекает к себе внимание эволюционистов. Чаще всего, в качестве курьезов, упоминаются эволюционные долгожители — живые ископаемые (гаттерия, крокодилы, устрицы, мечехвост, опоссум, гинкго), хотя в последние два десятка лет, с появлением теории прерывистого равновесия, механизмы стазиса начинают обсуждать в позитивном ключе. В данном очерке сделана попытка обосновать точку зрения, согласно которой онтологическим содержанием биологической эволюции является не просто создание новых форм, а форм, устойчивых к дальнейшей эволюции, что в долговременном плане, в геологических масштабах времени сохраняются только устойчивые к эволюции формы. Рассматривая эволюцию как энтропийный процесс, мы можем говорить о создании форм, противостоящих росту энтропии. Ныне существующие и известные палеонтологам виды организмов представляют собой выборку долгожителей из общей массы когда-либо возникавших форм. Это представление может в какой-то мере объяснить отсутствие переходных форм в современной биосфере и неполноту палеонтологической летописи тем, что быстро эволюционирующие виды наряду с быстро вымирающими видами не оставляют заметных следов в истории биосферы. Организм и среда Теория естественного отбора ввела эволюционную биологию в русло естественнонаучного мышления, освободив ее от креационистских взглядов, витализма и веры в наследование приобретенных признаков («бегство от чуда»). Заблуждение ламаркизма коренится в неверном взгляде на взаимоотношение организма и среды, а именно в представлении о формировании организма средой. Это представление иногда присутствует даже в работах авторов, которые сознательно не разделяют ламаркистских верований, в виде таких формулировок, как «фенотип есть результат взаимодействия генотипа со средой», «свойства организма равно зависят от генотипа и среды, как площадь прямоугольника зависит от ширины и длины» и т. п. Особенно выпукло эта путаница видна в известном понятии «наследование» признака. В выражении типа «данный признак имеет наследование 80%» не подразумевается же, что признак на 20% может быть без генов? К сожалению, даже и прочно укоренившееся выражение «приобретенные признаки» некорректно и ведет к недоразумениям. Во-первых, все признаки, конечно же, являются приобретенными, и все они не наследуются, потому что наследуется, строго говоря, оплодотворенная яйцеклетка с ее хромосомами и органеллами, белками и мембраной. Всё остальное приобретается в ходе онтогенеза. Онтогенез идет, разумеется, в окружающей среде, но участники пары «организм—среда» не изоморфны и не могут сопоставляться как равные партнеры. Всякий знакомый с молекулярной и клеточной биологией знает, как сложна, упорядоченна и высокоорганизованна даже простейшая клетка. Ни одно из наших технологических достижений, включая суперкомпьютеры и космические корабли, не выдержит сравнения с организацией живой клетки. Клетка — подлинное термодинамическое чудо, крайне маловероятная система. А что такое среда? Например, для цианобактерий и всех зеленых растений минимальная среда включает воду, углекислый газ, несколько минеральных солей и свет. В такой среде клетка живет, размножается, строит себя, синтезируя при этом тысячи разных белковых молекул и других органических веществ, включая нуклеиновые кислоты и массу низкомолекулярной органики. Сотворение мира из почти ничего! Среда хаотична, организм упорядочен и высокоорганизован; организм созидает, среда деструктивна; организм в своем жизненном цикле осуществляет генетический «замысел», среда не имеет никакого замысла об организме; организм «знает» среду, избирательно берет из нее то, что ему нужно, и защищается от того, что ему вредно или опасно, среда ничего не знает об организме; организм живет, а среда мертва. В структурном, термодинамическом и информационном отношении организм неизмеримо выше среды. Организм есть сущее, а среда — условия, в которых организм существует. К компонентам среды относится, разумеется, и энергия. Выражение «среда модифицирует организм» эвристически вредно. Это организмы обладают способностью к приспособительному изменению своего фенотипа в разных условиях среды без изменения генотипа. Эта способность, известная уже у бактерий, — одно из важнейших достижений эволюции. Как и все прочие свойства организма, она определяется генами. Дарвиновский отбор случайных и редких наследственных изменений выводит организмы из-под размывающего действия среды, поскольку сами изменения не определяются средой. Недостаточность синтетической теории в качестве общей теории биологии осознается многими. Я, впрочем, не разделяю часто высказываемый упрек дарвинизму в неспособности предсказывать ход эволюции. Как всякий творческий процесс, эволюция несет в себе момент неопределенности и неповторимости. Понимать эволюцию можно только ретроспективно. Если следовать Карлу Попперу (Popper, 1965), наука должна ограничиться очень простыми явлениями, воспроизводимыми и обратимыми. Все творческие процессы должны быть, следовательно, исключены как объекты исследования. В этом случае, конечно, законы природы сводятся к законам физики. Не биологические теории плохи — не умеют предсказывать, — а «плоха» природа — непредсказуема. Механизм адаптивной эволюции в его предельном (не реальном) случае, когда селективная ценность новых аллелей приближается к единице, становится неотличимым от ламаркистского по своим последствиям. Быстро адаптируясь к меняющимся условиям, организмы и виды утрачивают самоидентичность, становятся функцией среды. Реальные виды, однако, устойчивы во времени и, следовательно, оказывают сопротивление средовым воздействиям, не только прямым (ламаркизм) но и в качестве отбирающего агента (дарвинизм). Адаптационная эволюция, не будь она жесточайше ограничена необходимостью сохранить внутреннее совершенство организма, вела бы к тому же, что и ламаркистская эволюция, — к деградации и хаосу, к броуновскому движению, к эфемеризации видов, низведению организмов до термодинамического уровня среды. В этом отношении виртуальный термин «приспособленность», характеризующий успешность размножения особи, эвристически неудачен, так как легко понимается как «приспособленность к среде». О примате организма над средой и о теоретической важности проблемы закрытости биологических систем см. статью Брукса (Brooks, 2000). Что отбирает отбор? Существует всеобщее убеждение в самоценности биологической эволюции, понимаемой исключительно как создание новшеств. Уже по меньшей мере полтора столетия слова «прогресс», «эволюция» воспринимаются однозначно позитивно. Только этой общей направленностью умов можно объяснить малое внимание к тому, что онтологическое содержание эволюции — это не просто сотворение новых форм, но сотворение форм, устойчивых к дальнейшим изменениям, что объективно дело выглядит таким образом, как будто эволюция борется против дальнейшей эволюции. Неодарвинистская парадигма эволюции — отбор случайных наследственных вариантов по признаку приспособленности или селективное размножение генотипов в соответствии с приспособленностью всегда подвергалось критике как за тавтологию (выживание выживающих), так и за то, что она оставляет в стороне движущие силы эволюции, ее отношение к общим законам природы, в частности термодинамическим, и не дает объяснения очевидной временной направленности эволюции и ее необратимости. Если механизм эволюции состоит в отборе всё более приспособленных форм, то должна наблюдаться «стрела приспособленности». Однако мы не можем даже утверждать, что человек более приспособлен, чем бактерия. Попытки связать приспособленность с термодинамическим принципом минимального производства энтропии (Prigogine et al., 1972; Hamilton, 1977) выглядят обнадеживающими, хотя чисто физическую эффективность использования энергии едва ли удастся применить в качестве той величины, которая непрерывно возрастает в ходе эволюции, подобно тому как во всех физико-химических процессах в природе возрастает энтропия. Теплокровные животные и в особенности человек с его энергетическим расточительством явно выпадают из этой закономерности. Сондерс и Хо (Saunders, Ho, 1976, 1981) по аналогии с принципом минимального производства энтропии постулируют принцип минимального возрастания сложности в эволюции. «Сложность», «упорядоченность», «организованность» часто используются в литературе по эволюции и не всегда в одинаковом значении, чаще всего в соответствии с интуитивным пониманием авторами этих слов. В теории информации, рассматривающей физическую систему как последовательность цифр, необходимую для ее описания (Kolmogorov, 1968; Chaitin, 1974, 1975), сложность определяется как информационное содержание кратчайшего алгоритма, достаточного для однозначного воспроизведения этой последовательности. Случайная или беспорядочная последовательность характеризуется в этой теории как максимально сложная, несжимаемая (Chaitin, 1975), то есть она может быть определена только цифра за цифрой, поскольку в ней полностью отсутствует упорядоченность, которая позволяла бы описать ее в виде более краткого алгоритма. Упорядоченная последовательность, следовательно, может быть сжата до алгоритма, информационное содержание которого меньше такового самой последовательности. Эти концепции в общем близки к интуитивным понятиям. В определении организованности я буду придерживаться концепции Денбая (Denbigh, 1975), в которой постулируется, что организованная система — это сложная система, обладающая определенной функцией благодаря наличию специфических связей между элементами системы. Организованные системы следует отличать от упорядоченных. И те, и другие не являются случайными, но если упорядоченные системы могут быть генерированы с помощью простых алгоритмов и, следовательно, лишены сложности, организованные системы должны быть собраны элемент за элементом в соответствии с внешней программой или замыслом. Организация, следовательно, есть сложность, наделенная функцией. Она неслучайна в результате интеллектуального конструирования или естественного отбора, а не из-за априорной необходимости кристаллографического порядка (Wicken, 1979). Движение к большей сложности — очевидная общая тенденция эволюции биосферы. Однако сама сложность не означает ни более высокой приспособленности, ни какого-либо иного совершенства. Напротив, если иметь в виду задачу выживания, сохранения, сложное более чувствительно к деградации, чем простое. Используя «геометрическую модель» Фишера (Fisher, 1930), Ор (Orr, 1998; 1999; 2000) и позднее Вэлч и Ваксман (Welch and Waxman, 2003) показали, что увеличение числа фенотипических признаков коррелирует со снижением скорости адаптации. Ор назвал это «ценой сложности». Стабильность существующих сложных систем критически зависит от наличия специфических, неслучайных связей между ее частями (Saunders, Ho, 1976). Почему естественный отбор отбирает сложное? Может быть, это и не так. Наряду с появлением более сложного эволюция сохраняет и даже творит заново и более простые формы. Сложные отнюдь не вытесняют простых. Есть человек, но существуют (и процветают!) бактерии. Вся естественная история наличествует в сегодняшней природе (кроме гипотетических доклеточных форм жизни). Так что «стрела сложности» связана, по крайней мере отчасти, с тем, что эволюция по необходимости начинала с простого. Более древняя эволюция простых форм в большой мере уже себя исчерпала (достигла совершенства), и жизнеспособное новое возникает преимущественно на путях усложнения. Принцип селекции стабильных структур является общим для добиотической и биологической эволюции. Объекты Вселенной имеют очень разные времена жизни, от ничтожных долей секунды до миллиардов лет. В ходе эволюции идет замена эфемерных форм на более стабильные: сохраняется лишь то, что долго сохраняется. В живых системах сопротивление гибели достигается тем, что в ходе биологической эволюции сохраняется лишь то, что не изменяется. Одна из формулировок второго закона термодинамики звучит так: все системы самопроизвольно меняются таким образом, что уменьшается их способность к изменению, то есть они стремятся к состоянию равновесия. Живые организмы — термодинамически неравновесные системы, устроенные таким образом, что, пока они живы, они стремятся не к равновесию, а к некоторому неравновесному, но устойчивому состоянию, называемому стационарным. Механизмы, обеспечивающие стационарное состояние, называются гомеостазом. Энергия, будучи фактором хаотическим, сама по себе недостаточна для удержания системы в состоянии, далеком от равновесия, — необходимо, чтобы эта система была определенным образом устроена, она должна быть диссипативной структурой.Гомеостаз Развитие и последующая жизнь индивида идут под управлением генетических программ, обеспечивающих целенаправленное использование энергии и веществ окружающей среды для построения своего тела, поддержания его в стационарном состоянии и оставления потомства. Я буду использовать выражение «под управлением генов» ради удобства, хотя мы всегда должны помнить, что сами по себе гены — текст, приобретающий смысл только в контексте организма. Несмотря на видимую гибкость генетических инструкций и пластичность в отношении средовых эффектов, конечная цель онтогенеза достигается с поразительной точностью. Это означает, что онтогенез в своих существенных чертах — детерминированный процесс. Это не механическая детерминированность, а детерминированность стохастическими средствами. Биологический детерминизм условен в том смысле, что результат в определенной мере зависит от внешних условий. Тем не менее это детерминизм, так как в определенных условиях результат будет определенным. Вторая сторона условности биологического детерминизма в том, что генетический «замысел» об организме может быть раскрыт только эмпирически и не может быть вычислен исходя из начальных условий. Предопределено, но непредсказуемо. Случаи пороков развития и вызванных внешними условиями уродств, как и абортивное развитие, — следствие либо несовершенства данного конкретного генома, либо наличия таких средовых факторов, которые находятся за пределами адекватной реакции генетической программы. Итак, организмы способны противостоять стремлению к хаосу, противополагая ему умение использовать энергию и другие компоненты внешней среды для поддержания своих структур и функций, то есть в конечном счете для сохранения себя во времени. Организмы, однако, представляют собой сложные системы, далекие от максимума энтропии. Они энтропийно напряжены. Механизмы гомеостаза не являются совершенными, поэтому ни один индивидуальный организм не может избежать термодинамического равновесия, то есть смерти. Организмы слишком сложны, слишком маловероятны, чтобы долго выдерживать давление энтропии. Простые атомы и молекулы существуют почти столько же, сколько существует Вселенная, а жизнь индивидуального организма конечна. Отчего гибнут организмы? Концепция естественного отбора и борьбы за существование настолько овладела нашим сознанием, что мы не придаем важности тому, что при самых благоприятных условиях жизни, в отсутствие всякой конкуренции, при изобилии источников энергии и вещества организмы всё равно неизбежно погибают. Они погибают от энтропии. Живые системы обходят термодинамический запрет с помощью размножения, то есть копирования самих себя, снятия реплик. Иногда одноклеточные организмы в отличие от многоклеточных рассматривают как бессмертные. Это недоразумение. Они тоже спасаются размножением. Каждая индивидуальная реплика существует сравнительно недолго, но виды потенциально бессмертны и фактически некоторые существуют неизменными десятки и сотни миллионов лет, а докембрийские организмы, жившие три миллиарда лет назад, видимо, мало отличались от современных цианобактерий (Fox, Dose, 1972). На обратную сторону процесса эволюции — сохранение уже существующей, сформировавшейся в ходе предшествующей эволюции организации биологических систем, стасигенез или стазис, — обращали внимание многие эволюционисты (Huxley, 1957; Шмальгаузен, 1968; Dobrzhansky, 1970; Gould, Eldredge, 1977; Расницын, 1986; Северцов, 1986, 1987, 1990). Однако в увлечении идеей прогрессивного хода эволюции мы не склонны придавать значение тому, как мало меняются организмы, как они на самом деле устойчивы к эволюции. Весь современный органический мир состоит из эволюционных долгожителей. Человек среди них самый молодой, но и нам уже может быть миллион лет. Копирование, репликация — не совсем точные слова. Реплицируются только гены, а организмы воспроизводятся de novo в соответствии с генетическим «замыслом» (см. ниже). Вместо безнадежного дела сохранения сложных материальных структур организма сохраняется информация о нём. Это гораздо более простая задача — организм несравненно сложнее (и значит, уязвимее для энтропии), чем его ДНК. Хранение информации, а не тел — важнейший атрибут живого и неодолимый довод против возможности сведения биологии к физико-химии. Всякое кодирование связано с использованием символов, но символ связан с символизируемым не физико-химически, а семантически. Здесь — параллель между аналоговыми и цифровыми системами связи. Замена одной пары оснований, скажем, пары АТ на пару ТА в молекуле ДНК, содержащей миллиарды таких пар, ничего собой не представляет ни с точки зрения физико-химии, ни с точки зрения теории информации. А между тем указанная замена может оказаться смертельной, приведет к гибели весь организм, сложную, высокоорганизованную систему. Биологические виды намного более стабильны, чем индивидуальные организмы. Более того, мы не знаем принципиальных препятствий для их вечного существования при условии сохранения адекватной окружающей среды. Виды также представляют собой системы, далекие от равновесия, и потому должны обладать механизмами гомеостаза. Именно в этом ключе, с позиции совершенствования гомеостаза вида, нужно рассматривать эволюцию (Slobodkin, Rapoport, 1974). Размножение организмов позволяет им избежать неизбежного, казалось бы, распада и сохраниться во времени, несмотря на свою сложность, на температуру, превышающую 300° и агрессивную окружающую среду, причем организмы не находятся в состоянии консервации, а активно живут в этих условиях. Главный секрет этого термодинамического чуда в самом размножении, то есть в получении тысяч, миллионов, миллиардов копий генетической информации. Любой онтогенез, любой жизненный цикл имеет своим фокусом получение этих копий. На этой задаче сосредоточены в конце концов все системы организма и все его затраты. Копирование, однако, сопряжено с возможностью ошибок, а копирование с ошибками не решает задачу создания совершенного гомеостаза вида. Точность копирования генетического материала. Это первый и главный антиэволюционный барьер, созданный эволюцией. Теоретически ясно, что точность репликации должна быть такой, чтобы большинство потомков получали не содержащую ошибок генетическую информацию. Наиболее надежные измерения скорости мутирования выполнены на микроорганизмах, как прокариотических, так и эукариотических. Точность репликации ДНК оказалась поразительно высокой. Например, скорость спонтанных мутаций в растущих клетках кишечной палочки составляет всего лишь около 0,003 ошибки на геном на одну репликацию ДНК (Drake, 1991; Drake et al., 1998). Это около 6 Ч 10–10 мутаций на пару оснований ДНК. Другие микроорганизмы, в том числе эукариотические, имеют не менее высокую точность репликации (таблица). Организм Размер генома(нуклеотиды) Частота мутаций на пару нуклеотидов на геном Бактериофаг М13 6,4 Ч 103 7,2 Ч 10–7 0,0046 Бактериофаг λ 4,9 Ч 104 7,7 Ч 10–8 0,0038 Бактериофаги Т2 и Т4 1,7 Ч 105 2,4 Ч 10–8 0,0040 Escherichia coli 4,6 Ч 106 5,4 Ч 10–10 0,0025 Saccharomyces cerevisiae 1,2 Ч 107 2,2 Ч 10–10 0,0027 Neurospora crassa 4,2 Ч 107 7,2 Ч 10–11 0,0030 В среднем 0,0034 Интересно, что самые разные организмы — бактериофаги, бактерии, грибы — дают близкие величины числа мутаций на геном на репликацию, хотя размер генома (и соответственно скорость мутирования на пару оснований) варьируют в пределах четырех порядков величины. Это показывает, что эволюционно значимым параметром является скорость мутирования в расчете на геном на поколение. Для одноклеточных организмов достигнутой высокой точности копирования и эффективности репарации ДНК достаточно для надежного превышения скорости размножения над скоростью мутирования (так, чтобы подавляющее большинство потомков не имело ни одной новой мутации) и обеспечения, таким образом, потенциального бессмертия вида. У многоклеточных организмов (Drake et al., 1998; Crow, 1997) точность синтеза ДНК приблизительно такая же, как у одноклеточных эукариот (до 5 Ч 10–11 на пару оснований), однако число мутаций на геном на половое поколение оказывается очень высоким. Например, у человека число новых мутаций на зиготу составляет более 60. Трудно себе представить, как такое размывающее действие мутагенеза совместимо с жизнью. Проблема связана с огромными размерами генома у высших эукариот и большим числом клеточных делений в зародышевом пути (Crow, 1997). Одно из объяснений переносимости столь высокого уровня мутагенеза у высших организмов состоит в предположении, что огромная доля их генома — это не функциональные гены, а внутригенные вставки (интроны) и межгенные последовательности, мутации в которых нейтральны или почти нейтральны. Пересчет числа мутаций на половое поколение на «эффективный геном» дает величины от 0,036 у мелкой нематоды Caenorhabditis elegans до 1,6 у человека (Drake et al., 1998) — всё еще угрожающе высокий груз мутаций. Селективная нейтральность большинства мутаций (следовательно, и их практическая безвредность) была даже положена в основу теории молекулярной эволюции (Кимура, 1985). Я, впрочем, думаю, что нейтральные изменения вообще не представляют собой эволюцию. Практическая нейтральность мутаций означает только то, что так называемая молекулярная эволюция уже в основном завершена, и мы видим только вариации, не имеющие эволюционного значения (вырожденность связи структура—функция). Цена точности. Почему скорость мутирования не падает до нуля? Дело, по-видимому, в том, что в конце концов стремление к увеличению точности копирования генов оказывается уравновешенным всё возрастающей ценой этой точности (Kimura, 1967; Kondrashov, 1995). Это следует и из общих термодинамических соображений: очевидно, что для достижения абсолютной точности понадобились бы бесконечные энергетические затраты. Уже достигнутая точность копирования — одна ошибка на десятки миллиардов знаков — очень высока. Сложные и разнообразные механизмы сохранения и копирования генетической информации находятся в ряду главных достижений биологической эволюции, но их функционирование является и главной статьей энергетических затрат клетки (Cox, 1994). Представляется вероятным, что достигнутая у высших организмов точность синтеза ДНК и эффективность репарации ее повреждений близки к предельным. И это означает, что организмы с большим размером генома должны обладать дополнительными механизмами, позволяющими виду сохраняться в условиях сильного мутационного давления. Очищающий отбор. Термин «усеченный (или отсекающий) отбор» (truncated selection) обычно используют для обозначения однонаправленной селекции, когда для размножения отбирают особей с количественным признаком выше или ниже определенной пороговой величины. Позднее этим термином стали обозначать также отбор, при котором отбраковываются особи с мутационным грузом выше определенной пороговой величины. Это отбор на сохранение дикого генотипа, противоположный однонаправленному. Во избежание путаницы я буду называть его очищающим отбором. Мутагенез — случайный процесс, и число новых мутаций, приобретаемых потомками, варьирует в соответствии с пуассоновым распределением. Иначе говоря, среди потомков всегда присутствуют особи с числом мутаций меньше и больше среднего. Поскольку мутации чаще всего вредны, то есть снижают жизненность, а вредный эффект мутаций может быть аддитивным или даже синергическим (положительный эпистаз), особи с повышенным числом мутаций будут иметь низкую жизненность, тогда как особи с малым числом мутаций или без таковых получают преимущества. Формула «побеждает наименее отягощенный мутациями» более точна, во всяком случае, более конкретна, чем «побеждает сильнейший». Так идет очищение популяции от мутационного груза, но популяция при этом платит определенную цену, производя нежизнеспособное потомство. Цена тем выше, чем выше скорость мутагенеза. Здесь тоже ожидается предельная мутагенная нагрузка, выше которой цена очищающего отбора становится несовместимой с выживанием вида. Эффективность очищающего отбора существенно возрастает, а цена его падает при наличии полового размножения и генетической рекомбинации (Crow, Kimura, 1979; Kondrashov, 1982, 1988). Стабилизирующий отбор. В популяциях, хорошо адаптированных к условиям обитания, действует стабилизирующий, или нормализующий, отбор (Шмальгаузен, 1968), при котором уклоняющиеся варианты оказываются менее приспособленными, чем «средний» фенотип. Пределы адаптационной эволюции. Есть важная сторона эволюции, автоматически снижающая возможность дальнейшей эволюции. Общей предпосылкой неизбежного замедления эволюции является то, что организм представляет собой целостную, интегрированную, когерентную систему, в которой любое изменение так или иначе нарушает общую отлаженность и согласованность систем организма и либо должно быть отброшено отбором, либо компенсировано другими изменениями (отрицательные обратные эволюционные связи) (Kauffman, 1973; 1983; Zuckerkandl, 1976; Brooks, Wiley, 1986; Robertson, 1991; Seaborg, 1999). Чем более совершенны онтогенетические программы организма, тем менее вероятно, что случайная мутация может их улучшить, и в пределе мы должны ожидать полной невозможности дальнейших позитивных изменений подобно тому, как в стихотворении, написанном гением, нельзя изменить ни одного слова без того, чтобы его не ухудшить. Здесь потребности адаптации к меняющимся условиям среды сталкиваются с необходимостью удержать достигнутое внутреннее совершенство. Чем важнее система для внутреннего совершенства, тем менее способна она к изменению. Примером такой стабильности является универсальность генетического кода во всём живом мире. Возможно, впрочем, что дело не во внутреннем совершенстве генетического кода (интуитивно кажется, что могли бы быть и другие, не менее совершенные варианты кода). Может быть, само появление полноценного генетического кода поставило его владельца вне конкуренции и сделало родоначальником всей биосферы (эффект основателя). Весьма консервативны все фундаментальные генетические процессы: синтез, репарация и рекомбинация ДНК, транскрипция, синтез белка. Мутации в них должны быть крайне вредными или летальными. Устойчивому существованию вида грозят не только вредные мутации, но и «полезные», потенциально способные превратить один вид в другой, что для данного вида означает исчезновение. Быстро эволюционирующий вид становится жертвой «приспособленчества». В пределе должен быть достигнут такой уровень совершенства, когда полезные мутации становятся невозможными. Диплоидия. Для высших организмов, растений и животных, характерен жизненный цикл со сменой гаплоидной и диплоидной фаз, причем протяженная гаплоидная фаза характерна для организмов с простым развитием, тогда как для организмов со сложным онтогенезом (многоклеточные животные и семенные растения) характерна протяженная диплоидная фаза. У высших животных гаплоидными являются только гаметы. Существуют различные (не исключающие друг друга) точки зрения на механизмы происхождения и поддержания диплоидного состояния (Crow, Kimura, 1965; Charlesworth, 1991; Kondrashov, Crow, 1991; Perrot et al., 1991; Goldstein, 1992; Orr, 1995). Для обсуждаемой здесь проблемы существенным является общее соображение, что диплоидия может представлять собой путь повышения долговечности вида. У гаплоидов генетическая информация хранится в двух копиях, на двух комплементарных нитях ДНК, у диплоидов — в четырех копиях, что, разумеется, повышает надежность ее сохранения. Мутации в двух наборах хромосом редко затрагивают одни и те же сайты, так что всегда сохраняется принципиальная возможность восстановления исходного текста. Практическая возможность такого восстановления существует у видов с половым размножением, и значение диплоидности следует рассматривать в контексте полового размножения и рекомбинации. Отметим, что гаплоидный геном характерен как раз для организмов, размножающихся бесполо, а облигатное половое размножение у высших животных неразрывно связано с их диплоидностью. Корреляция между сложностью развития и большим геномом, с одной стороны, и преобладанием диплоидной фазы — с другой понятна. У одноклеточного организма нет проблемы избавления от мутационного груза, поскольку большая часть потомков не несет ни одной мутации. Но эта проблема существует у организмов с большим геномом и длинным зародышевым путем. Кроме увеличения надежности сохранения генов в поколениях, диплоидность делает существенный вклад в сохранение индивидов в ходе онтогенеза (Orr, 1995), который важен и для половых, и для бесполых видов. Большая часть новых мутаций в той или иной мере рецессивна, и диплоидность резко повышает толерантность к мутациям, как к унаследованным от родителей, так и к соматическим (Crow, Kimura, 1965; Kondrashov, Crow, 1991; Drake, 1991; Orr, 1995). Выгода не ограничивается маскированием рецессивных мутаций. Диплоидность обеспечивает возможность рекомбинационной репарации повреждений в ДНК, в том числе таких, которые не репарируются более простыми системами репарации.
Читать дальше:
Существенным фактором повышения жизнеспособности вида в результате диплоидности является преимущество гетерозигот (Lerner, 1954; Goldstein, 1992). Полиморфные популяции свободно скрещивающихся организмов обычно более устойчивы к средовым влияниям, чем инбредные линии. Гетерозиготные комбинации аллелей обеспечивают более высокий морфогенетический гомеостаз, чем гомозиготы (Lerner, 1954). В эволюции явно имел место отбор на хорошую комбинационную способность аллелей. (О механизмах поддержания полиморфизма в популяциях см. Kaplin, McGregor, 1972; Северцов, 1990.) В свете этого содержание понятия мутационного груза выглядит слишком большим упрощением. Возможность рекомбинационной репарации, маскирование рецессивных мутаций и взаимодействие аллелей могут намного перекрывать вредные последствия более высокого мутагенеза, связанного с двукратным содержанием ДНК у диплоидов. Таким образом, диплоидность повышает гомеостаз как на уровне организма (более надежный онтогенез), так и на уровне вида: новые мутации могут входить в общий генофонд вида, не нарушая существенно его онтогенетических программ. Преимущество гетерозигот может существенно тормозить эволюцию вида даже при условии высокой приспособленности гомозиготных типов (Michod, 1999). Эволюционные преимущества диплоидии явно не могут быть объяснены с позиции адаптационной эволюции. Есть данные, показывающие, что гаплоидные популяции обладают большей способностью к адаптации в меняющихся условиях среды, чем диплоидные (Zeyl et al., 2003). Шапероны. Есть еще одно удивительное изобретение эволюции, важность которого не вполне оценена. Это шапероны — класс белков, которые, препятствуя неправильным ассоциациям полипептидных групп, помогают правильному свертыванию или сборке других белков in vivo, но сами не входят в состав зрелых структур (см. обстоятельный обзор Rutherford, 2003). В первую очередь это, конечно, механизм ускорения правильного свертывания полипептидных цепей и сборки белковых структур, замена стохастических процессов (медленных и чреватых ошибками) упорядоченными и целенаправленными. Мало того, шапероны обладают очень важной способностью обеспечивать правильное свертывание и сборку белков при наличии мутаций, которые в отсутствие шаперонов приводили бы к нефункциональным или сильно дефектным структурам. Благодаря этому организмы способны выдерживать большой мутационный груз без утраты жизнеспособного фенотипа. Типичные шапероны относятся к так называемым белкам теплового шока. Они позволяют организмам успешно преодолевать периоды потенциально летального теплового стресса. Первичная антиэнтропийная и антиэволюционная направленность шаперонов очевидна: шапероны позволяют видам сохранить самоидентичность, несмотря на накопление мутаций. Обратной стороной этого явления оказывается увеличение эволюционного потенциала вида за счет скрытого накопления фенотипически нейтральных мутаций. Полагают, что в периоды внешне-средовых стрессов конкуренция за шапероны со стороны поврежденных белков может приводить к массовой экспрессии ранее скрытых мутаций, что иногда может привести к эволюционному скачку (Ali et al., 1998; Zou et al., 1998). Эти взрывы мутантной экспрессии могут действительно помочь дать ответ на многие трудные вопросы в феноменологии эволюции, но было бы ошибкой рассматривать шапероны как созданный эволюцией механизм ускорения эволюции. Очевидно, что для ныне существующих видов обладание шаперонами есть мощный фактор стабильности и устойчивости к дальнейшей эволюции. Как мы обсуждали выше, для организмов с большим геномом и сложным онтогенезом невозможно достижение такой точности репликации генома, которая сама по себе обеспечивала бы устойчивость вида во времени. Мутации идут неизбежно и неотвратимо, и шапероны помогают видам сохраняться, подавляя фенотипическую экспрессию мутаций, давая время для выработки их более надежной нейтрализации за счет, например, супрессорных дополнительных мутаций. А если какая-то популяция такого стабильного вида, попав в стрессовую ситуацию, не справится с экспрессией ранее скрытых мутаций и породит новый и, возможно, сильно отличный от родительского вид, то это не помешает прежнему виду продолжать свое устойчивое существование во времени. Фенотипическая пластичность. Наиболее успешно задача сохранения вида неизменным без потери способности адаптироваться к меняющимся условиям жизни решается в эволюции на путях совершенствования регуляторных механизмов. Известно, что чем ниже наследуемость признака, тем ниже эффективность идущего по нему отбора. Уже у бактерий широко распространены ненаследственные адаптации, и чем сложнее организмы, чем выше они стоят на эволюционной лестнице, тем большую роль у них играют ненаследственные модификации, от физиологических адаптаций к внешним условиям и образу жизни до выработки сложных поведенческих реакций на основе жизненного опыта. Пресловутое ненаследование приобретенных признаков, которое так огорчало ламаркистов, — это ведь мощное сопротивление хаосу безрассудной эволюции, вынуждаемой меняющимися обстоятельствами жизни. Независимость от среды. Дополнительным к рассмотренной выше пластичности фенотипа является другой путь уклонения от эволюции, состоящий в целенаправленной модификации среды обитания, создании искусственных экологических ниш: муравейники, гнезда пчел, плотины бобров, норы грызунов и других животных, гнезда птиц, наконец человеческая культура. Эволюционное значение этих явлений — в оптимизации среды, в приспособлении ее к потребностям вида, а тем самым — в ослаблении давления отбора. Сюда же относится и К-стратегия размножения, когда родители имеют небольшое число детей, но благодаря эффективной заботе о потомстве надежно обеспечивают их выживание. При r-стратегии самки откладывают огромное число яиц, но при этом до взрослого состояния могут доживать единицы на миллион. Очевидно, что K-стратегия в значительной мере выводит потомство из-под давления отбора, обеспечивая выживание всех, кто не погибает от внутреннего несовершенства. К-стратегия, кроме того, позволяет уменьшить количество половых продуктов, а следовательно, и длину зародышевого пути, а следовательно, и конечную частоту мутаций в гаметах. Если на физиологическом уровне фенотипическая пластичность позволяет организмам адаптироваться к меняющимся условиям среды, не меняя генотипа, то на поведенческом уровне организмы могут приспосабливать среду к своим потребностям. Антиэволюционная направленность всех этих усилий природы, от точности репликации ДНК до человеческой цивилизации (с ее комфортом и медициной), очевидна и понятна: выживает, сохраняется лишь то, что не изменяется. Это верно, что вид может оказаться как бы перед выбором: измениться или вымереть. Но это кажущаяся альтернатива. В обоих случаях прежний вид исчезает. Действительным совершенством, к которому влечет эволюция, является «способность выжить, не меняясь». Роль полового размножения в стабилизации вида обсуждается ниже в разделе II. Консервативная роль полового размножения. Об адаптивном мутагенезе и эволюции способности к эволюции В последние годы высказывают сомнения в том, что мутации — просто неизбежное следствие несовершенства механизмов репликации и репарации ДНК, и прокламируют мысль, что возможен отбор на усиление мутагенеза, что высокий уровень мутагенеза может быть адаптивным (Kirschner, Gerhart, 1998; Radman, 1999; Radman et al., 1999, 2000; Giraud et al., 2001; Rattray, Strathern, 2003; Earl, Deem, 2004). При том, что в случайном мутагенезе частота вредных мутаций превышает частоту благоприятных мутаций на 4–5 (Taddei et al., 1997), а то и 6 (Roth et al., 2003) порядков величины, эта мысль не выглядит тривиальной даже при одобрительном отношении ко всякой эволюции. И вопрос не только в том, как могут быть полезны вредные мутации (это еще можно себе представить), а в том, как возможна эволюция способности к эволюции? Это был бы процесс с положительной обратной связью. Динамика таких процессов имеет характер катастрофы. Организмы устроены целесообразно. Их цель — выжить и оставить потомство (то есть сохраниться в будущих поколениях). Эта цель вложена в них эволюцией, и все системы организма служат этой и только этой цели. Служит ли этой цели способность к эволюции? Эволюционировать (то есть меняться) и сохраняться — вещи противоположные. Мысль, что сама эволюция является целью организмов, находится за пределами естественнонаучной парадигмы. Онтогенез осуществляется под управлением генетических программ организма, и его адаптивные реакции на действия среды предусмотрены этими программами; филогенез всегда осуществляется впервые. Это процесс, движимый энтропией, «той силой, что вечно хочет зла». Можно ли предполагать существование механизмов ускорения роста энтропии, чего-то вроде филогенетического апоптоза? То, что проблема эта всерьез обсуждается на страницах весьма уважаемых изданий (Nature, Genetics, Proc. Natl. Acad. Sci. USA), означает, конечно, что общие гносеологические аргументы не могут противостоять человеческой потребности в чудесах (и сенсациях). Существуют ли, однако, достаточные эмпирические данные или теоретические соображения, позволяющие говорить о механизмах ускорения эволюции, создаваемых в ходе эволюции? У бактерий известны особые высокомутагенные системы синтеза и репарации ДНК, функционирующие только в стрессовых условиях, грозящих организмам гибелью (Friedberg et al., 1995; Drake et al., 1998; Radman, 1999), из которых наиболее изучена система SOS-репарации у кишечной палочки. УФ-облучение или другие воздействия, повреждающие или блокирующие репликацию ДНК, индуцируют экспрессию около 20 генов, продукты которых участвуют в рекомбинации и репарации ДНК. Среди них есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся от репликативных полимераз гораздо меньшей точностью репликации. Мирослав Радман, главный адепт эволюции эволюционируемости (evolution of evolvability), предложил называть их ДНК-мутазами (Radman, 1999)1. Индуцируемые системы типа SOS-репарации и ДНК-мутазы найдены и у других микроорганизмов, включая дрожжи. Интерпретация сторонников адаптивного мутагенеза следующая: организмы, попавшие в стрессовую ситуацию и оказавшиеся перед альтернативой «умереть или измениться», выбирают последнее и включают мощную мутагенную машину в надежде, что хотя бы один из миллионов новых мутантов окажется способным выжить в новых условиях, например в условиях сильной радиации. Подобный альтруизм мне представляется невозможным даже для Homo sapiens, разве что при тоталитарном режиме. Репарационная парадигма выглядит более естественной: SOS-ответ служит репарации повреждений и спасению репликации ДНК ценою пониженной точности, а ДНК-мутазы — это всего лишь нестрогие полимеразы, способные использовать неидеальные матрицы. С помощью такого механизма спастись пытаются все клетки, а не лучшие из лучших. Возможно, что иногда ускоренный мутагенез приводит к появлению организма, приспособленного к среде, вызвавшей стрессовую реакцию, но это не более преднамеренно, чем возникновение сложности при росте энтропии (хотели как хуже, а вышло хорошо). Но и это не очень реалистично. Чтобы, например, стать сверхустойчивым к облучению, организм должен создать сверхмощные системы репарации ДНК, которые как раз и обеспечивают сверхнизкую скорость мутагенеза. Это потруднее, чем вытащить себя из болота за волосы. Есть еще одна экспериментальная система, в которой бактерии как будто бы обнаруживали «адаптивный мутагенез» (Cairns et al., 1988; Cairns, Foster, 1991; Foster, Cairns, 1992). У lac-мутанта кишечной палочки наблюдался очень высокий уровень реверсий к Lac+ при посеве мутантной культуры на чашки с лактозой в качестве единственного источника углерода. Эти результаты были сначала интерпретированы как способность бактерии направлять мутагенез на селективно важные области генома (Stahl, 1988; Boe, 1990). Позднее была предложена более изощренная модель (Hall, 1992; Rosenberg, 2001), предполагающая существование механизма, который реагирует на стресс индукцией общего (ненаправленного) мутагенеза в небольшой части популяции, подвергнутой стрессу, так сказать созданием передового отряда эволюции. На количественных моделях показана несостоятельность этой гипотезы (Roth et al., 2003), но сторонники направленного мутагенеза не складывают оружие. По-видимому, я поторопился, сказав, что в биологии ламаркизм преодолен. Ламаркизм бессмертен. Другая группа данных касается систем локального (прицельного) мутагенеза. Лимфоциты, продуцирующие антитела, имеют высокую скорость мутирования вариабельных сегментов иммуноглобулиновых генов, в миллионы раз превышающую нормальный темп мутагенеза благодаря их интенсивной рекомбинации с молчащими псевдогенами (Weil, Reynaud, 1996). Аналогичный механизм используют некоторые паразитические простейшие для прицельного мутагенеза генов, кодирующих поверхностные антигены (Pays, 1989). Гены патогенных бактерий, кодирующие поверхностные антигены, проявляют наследственную повышенную мутабильность (Moxon et al., 1994). Эти гены содержат короткие повторы оснований, на которых нормальные ДНК-полимеразы делают много ошибок (ошибки проскальзывания), что ведет к мутациям типа сдвига фазы. Эти случаи «намеренного мутагенеза» являют собой действительно пример использования мутагенеза в качестве приспособительного признака. Это специализированный вариант приспособительного использования генетического разнообразия, которое в конечном счете не ведет к эволюции вида, а напротив, обеспечивает его стабильность во времени, подобно тому, как полиморфизм популяций позволяет им устойчиво сохраняться в варьирующей среде. Приводят и другие доводы косвенного характера в пользу отбора на повышенный мутагенез: возможность отбора у бактерий на повышение точности синтеза ДНК (Fijakowska et al., 1993) интерпретируют в пользу отсутствия жесткой эволюции на точность репликации ДНК (Radman et al., 2000); важность генетического разнообразия для выживания интерпретируют в пользу возможности отбора на повышенный мутагенез (Radman, 1999). Но такая интерпретация представляется излишней. Точность репликации у бактерий достаточно высока для устойчивого, неопределенно долгого сохранения вида, и более высокая точность означала бы неоправданные затраты энергии. Что касается генетического разнообразия популяций, то его полезность для долговечности вида достаточно обоснована. Природные популяции, даже бесполые, сильно полиморфны, но надо полагать, что полиморфизм служит экологической пластичности вида, его устойчивости в меняющейся среде. Это не мутационный груз, а богатство генофонда. Множественные аллели уже отобраны на совместимость, на условную полезность и т. п. В феномене биологической эволюции кроется фундаментальное диалектическое противоречие, очевидное уже в исходной дарвиновской триаде — наследственность, изменчивость, отбор. Изменчивость предполагает несовершенную наследственность. Моя мысль состоит в том, что в ходе эволюции идет преодоление изначального несовершенства наследственности, в пределе — уничтожение изменчивости. Необходимо, однако, различать изменчивость как отражение уровня мутагенеза (неизбежное зло) и разнообразие как богатство генофонда вида, генетическую адаптируемость (как способность к микроэволюции) и приспособленность (адаптированность) как совершенство генофонда, тормозящее дальнейшую эволюцию (Leigh, 1973). На мой взгляд, различение этих понятий позволит избежать логической ошибки, несомненно лежащей в предположении о возможности отбора на повышенную способность к эволюции. Это мое утверждение не означает, что в ходе эволюции объективно не возрастает способность к эволюции. Усложняющаяся биосфера в силу именно своей сложности становится, с одной стороны, всё более уязвимой для энтропии, а с другой стороны, создает всё увеличивающееся разнообразие экологических ниш, что должно вести к увеличению вероятности успешных попыток возникновения и закрепления новых форм. Но в ходе эволюции в геологических масштабах времени сохраняются только те виды, которые достаточно успешно противостоят росту энтропии. Такова диалектика эволюции. Полезные мутации — вредны. Генетика популяций изучает эволюцию адаптаций, тогда как содержание эволюции — противостояние энтропии. Для победы над энтропией необходимо (помимо всего прочего) устоять против «соблазна приспособленчества», устоять против давления среды, не стать ее отпечатком, остаться самим собой! Только верные наследуют землю! Верные самим себе. 1 Парадоксально, что именно M. Радману принадлежит ведущая роль в открытии пострепликативной репарации у бактерий, доводящей точность репликации ДНК до 10–10 ошибок на пару нуклеотидов (Radman, Wagner, 1986). Когда были открыты неточные ДНК-полимеразы, он принял это известие с восторгом и сказал, что мечтал о них 30 лет (Chicurell, 2001). Совершенство В синтетических теориях эволюции в качестве параметра, определяющего направление отбора, используют приспособленность — относительную эффективность размножения особей в популяции. Реальное (не тавтологическое) содержание параметра приспособленности не поддается определению. В любом реальном биотопе, например в пресноводном водоеме, обитают сотни, а то и тысячи видов организмов — бактерии, грибы, водоросли, беспозвоночные животные, рыбы, земноводные, птицы. Все они приспособлены к данному биотопу. И если все эти виды продолжают эволюционировать, то общее направление эволюции, очевидно, будет определяться собственной историей вида, а не средой обитания (Brooks, Wiley, 1986). Разумеется, при этом виду придется платить нечто за сохранение приспособленности к среде, приспосабливаться, но по-своему. При таком понимании направленности эволюции можно и согласиться со сторонниками ортогенеза. Может ли эволюция создавать всё что угодно, как это молчаливо предполагается синтетической теорией эволюции?
«Адам и Ева в Земном раю». Картина Венчеслао Петера (Wenceslao Peter; 1742, Богемия — 1829, Рим), Пинакотека, Ватикан. Согласно концепциям Естественной истории (XVI-XVIII век), Природа — это идеально сбалансированная устойчивая система, задуманная и поддерживаемая Творцом. В этом мире, конечно, нет никакой эволюции! На полотне узнаваемы десятки видов птиц и млекопитающих, мирно сосуществующих. Венчеслао Петер был известен прежде всего как анималист. (Изображение с открытки, изданной Ватиканскими музеями)
Сам Дарвин вкладывал в понятие приспособленности представление о совершенной конструкции. Хорошо ощущаемое интуитивно, понятие совершенства ускользает от определения. Описанный здесь взгляд на эволюцию позволяет, мне кажется, внести некоторую ясность в проблему совершенства и прогресса в биологии и связать ее с обсуждавшимся выше вопросом, что же отбирает отбор. Что совершеннее — семейство сложноцветных, отряд перепончатокрылых или отряд приматов? Пчела или человек? Или, может быть, цианобактерия, сотворяющая всю органику из света, воды и минеральных солей? Критерий близости к человеку не выглядит удовлетворительным, во всяком случае как единственный. Одним из критериев совершенства может быть долговечность, способность к выживанию без изменений. Это не абсолютное совершенство, а только совершенство в своем роде, но это важный и содержательный критерий — способность противостоять энтропии. Что касается приспособленности, то никто не рассматривает ее как способность выживать не меняясь. Напротив, приспособленность, по определению, коррелирует со скоростью эволюции. Интерес популяционной генетики сосредоточен на изменениях, ибо ее предмет — эволюция адаптаций. Но изменения сами по себе есть энтропия, а шагом к совершенству является только такое изменение, которое препятствует дальнейшим изменениям. Эволюционная история обнаруживает градиент структурной сложности. Поскольку сложность сама по себе означает большую способность к деструкции, эволюционное значение имеет только организованная сложность. Стабильность сложной системы критически зависит от установления специфических, неслучайных связей между ее частями (Saunders, Ho, 1976), которые обеспечивают ее функционирование. Эти связи являются результатом естественного отбора и не могут быть выведены из свойств компонентов системы (Wicken, 1979). Единицей естественного отбора должна быть, следовательно, организация как целое. Каждый шаг в направлении приспособленности к условиям среды и каждый шаг к увеличению структурной сложности должны быть компенсированы общим изменением организации как системы противостояния росту энтропии. Не пытаясь дать определение абсолютному совершенству, можно указать направление, в котором действует эволюция, «стрелу совершенства»: возрастание организованной сложности. В период противостояния генетики и дарвинизма в начале ХХ века для генетиков было характерно представление об идеальной особи, совершенном типе, а изменчивость рассматривали как результат ошибок (мутаций), связанных с несовершенством механизмов наследственности — типологическое мышление, ведущее свое начало от Платона. Генетики увлеклись евгеникой, но национальная трагедия Германии, попытавшейся на практике осуществить освобождение человечества от несовершенных его членов, помогла оценить достоинства популяционного мышления. Рассмотренные выше преимущества полиморфных популяций в сравнении с чистыми линиями и известные негативные последствия пресловутой зеленой революции привели к пониманию, что совершенство вида в его разнообразии, богатстве его генофонда. Это разнообразие вносит существенный вклад в гомеостаз вида, в его способность противостоять энтропии. Генетический «замысел» зиготы Построение многоклеточного тела можно рассматривать как деятельность зиготы, направленную на создание оптимальных условий для сохранения и размножения клеток зародышевого пути. Курица — это способ, которым яйцо порождает яйцо. При таком взгляде вся эволюция сводится к эволюции зародышевого пути, непрерывной зародышевой плазмы, побочным результатом которой оказывается эволюция многоклеточных организмов, более высокоорганизованных монад2, чем клетки. Организмы различаются по уровню организации, тогда как генеративные клетки всех организмов являются одноклеточными и не могут быть представлены иерархически. Если это так, если, например, зигота человека мало отличается от зиготы дождевого червя, то как возникает конечная разница между человеком и червем? Это ведь должно быть предопределено в зиготах. Где источник новой информации, появляющейся в онтогенезе? Редукционисты склонны думать, что в онтогенезе никакой новой информации не возникает, что идет просто дублирование и переформулирование информации, содержащейся в хромосомах зиготы. П. Б. Медавар справедливо охарактеризовал такую точку зрения как самое беспомощное описание развития. О громадной разнице в информационном содержании между зиготой и взрослым организмом см., например, в работе (Riedl, 1978). Онтогенез многоклеточного организма может быть представлен как разветвляющаяся последовательность необратимых трансформаций, каждый этап которой сопровождается появлением новой информации, не содержавшейся в структурах предшествующего этапа в явном виде и не выводимой из них однозначно в соответствии с каким бы то ни было алгоритмом. Новое содержится в предшествующем в качестве возможного. Эту скрытую (потенциальную) информацию зиготы я обозначил здесь термином «генетический замысел». Несмотря на креационистское звучание, он правильно отражает объективное содержание данной информационной категории, не имеющей аналогии в неживых системах, но весьма сходной с тем, что мы вообще вкладываем в понятие «замысел». Это не план, не проект, не модель. Это то, что нуждается в творческом воплощении. Генетическим замыслом зиготы дождевого червя является дождевой червь, а генетическим замыслом зиготы человека является человек. Содержание генетического замысла последовательно, поэтапно развертывается в онтогенезе. Наглядные примеры реализации генетического замысла дают процессы самосборки субклеточных структур. В клетке существует группа генов, кодирующих рибосомные белки. После транскрипции этих генов и трансляции оказывается, что линейные последовательности аминокислот (полипептиды) содержат информацию для свертывания их в трехмерную белковую структуру. Далее оказывается, что эти трехмерные молекулы обладают специфическим сродством друг к другу и к молекулам рибосомных РНК. Они определенным образом соединяются между собой, образуя рибосому, молекулярную машину, предназначенную для синтеза полипептидов на матрице информационной РНК. Процесс сборки рибосомы идет самопроизвольно и необратимо, с созданием сложности, наделенной функцией (организации). Самосборка привела к появлению новой информации, не содержавшейся ни в ДНК, ни в белковых молекулах. Точно так же идет самосборка других сложных полиферментных комплексов (молекулярных машин), осуществляющих те или иные молекулярно-биологические процессы. Мы говорим, что белки обладают специфическим сродством друг к другу и взаимодействуют друг с другом и с другими компонентами клетки. Мы говорим также, что белки «узнают» друг друга. Это знание — результат эволюции организма как целого, включающей отбор на способность генных продуктов образовывать функциональные сложные структуры. Эта пригнанность, это сродство белков друг к другу не содержатся в явном виде в последовательности нуклеотидов в генах, кодирующих эти белки. О существовании этого сродства мы можем судить только a posteriori. Можно возразить, что мы можем по последовательности нуклеотидов в гене судить о трехмерной структуре кодируемого белка, а затем и о возможном сродстве между белками. Однако фундаментальная теория, способная по первичной последовательности аминокислот в полипептиде предсказывать трехмерную структуру белка, невозможна. Теории свертывания полипептидов являются эмпирическими. Переход же отсюда к взаимодействию белков будет связан с еще большей неопределенностью. Следующие слои онтогенеза, идущие через взаимодействие клеток, зародышевых листков, органов, находятся уже так далеко от ДНК зиготы, что их предсказуемость по ДНК находится за рамками научной фантастики. Таким образом, информация, определяющая целостное развитие, хотя и содержится в зиготе, содержится в ней как потенция и предварительному декодированию недоступна. Наиболее сильный аргумент против сводимости биологии к физико-химии представляет сама последовательность ДНК, которая не может быть выведена из физико-химии нуклеотидов. Напротив, эта невыводимость — необходимое условие, позволяющее ДНК содержать генетическую информацию, содержать код. Последовательность — это зафиксированная отбором случайность. Нельзя предсказать текст литературного произведения по алфавиту. Между прочим, не следует заблуждаться относительно нашей способности читать генетический код. Мы это умеем делать только потому, что код оказался универсальным. Мы его узнали эмпирически. Связать структуру триплетов ДНК с определенными аминокислотами, исходя из физико-химических свойств триплетов и аминокислот, невозможно, ибо этой связи нет. Связь эта символическая. Мы читаем генетические тексты только потому, что все организмы Земли «говорят» на одном языке. Когда клетка сама читает генетические тексты, переводя их сначала в тексты РНК, а затем и в аминокислотные последовательности, она использует аппараты, основанные на физико-химических взаимодействиях, но роль их только служебная. Все сущностные процессы биологии имеют характер символичности. Ни физико-химия вообще, ни энергетика в частности, не определяют живое. Хотя живое во всём этом нуждается, определяющими являются смысловые составляющие, не физико-химическая причинность, а смысловые сигналы: «Вдруг слабым манием руки на русских двинул он полки». И никакого «causa equat effectum». Общая теория биологии должна быть семантической, а не физико-химической. Организм гораздо ближе к компьютеру, чем к химическому ферментеру. Самосборка и самоорганизация являются тем механизмом, который реализует, материализует, воплощает генетический замысел. Ферменты, другие макромолекулы априорно знают друг о друге и благодаря этому способны к организации в функциональные структуры. Совершенствование способности к самоорганизации и есть главное содержание биологической эволюции. В генетическом замысле потенциально содержится не только знание частей организма друг о друге, но и знание о внешней среде. Все организмы умеют распознавать в окружающем мире нужные им компоненты, так же как и компоненты вредные или опасные. Ферменты знают свои субстраты и умеют с ними обращаться, животные распознают в окружающей среде пищу и врагов. Для всего этого в ДНК зиготы не содержится прямых инструкций. Они создаются в ходе онтогенеза. Бесполезно искать в ДНК зиготы закодированные инстинкты или музыкальный талант — они возникают на последних этапах самосборки организма. Концепция генетического замысла позволяет понять, каким образом в ходе индивидуального развития идет наращивание сложности и организованности в кажущемся противоречии со вторым законом термодинамики. Теории термодинамики разрабатывали для характеристики поведения атомов, то есть монад, лишенных разума и знаний. При этом поведение монад определяется правилами теории вероятности. Когда же мы переходим к поведению биологических монад (генов, белков, клеток, организмов и т. д.), мы не имеем права игнорировать наличие у них способности к целенаправленному поведению. Понятию целенаправленности я придаю здесь достаточно широкий смысл, не обязательно включающий осознанное поведение, а только поведение, ведущее к определенному, заданному результату. Например, поведение рибосомных белков и рибосомных РНК таково, что оно всегда приводит к образованию рибосомы (в адекватной среде). Процесс развертывания генетического замысла — творческий процесс, поскольку включает в себя оба необходимых компонента всякого творчества: случайный перебор вариантов и отбор правильного варианта. По своему содержанию генетический замысел не идентичен ценности информации. Ценность информации предполагает возможность ее однозначного декодирования знающим приемником, аналогично переводу текста на другой язык. При этом новая информация не создается. В онтогенезе же идет сотворение, воплощение в реальность того, что существовало лишь как возможное. Замысел — это третий, вернее первый, компонент всякого творчества. Замысел не расшифровывается, не декодируется, а эмпирически (методом проб и ошибок) воплощается. Когда появились данные по последовательности нуклеотидов в ДНК человека и других организмов, мы были удивлены, как мало человек отличается не только от шимпанзе, но и от мухи и даже от червя, если судить по ДНК. Но замысел не связан напрямую ни с объемом генетических текстов, ни с количеством глав и параграфов в этих текстах. Идея невыводимости высшего уровня организации из предшествующего уровня более низкого ранга не нова. Например, Е. Г. Мерсер (Merser, 1981) утверждает, что действующие принципы организации более высокого ранга не обязательно являются производными свойств компонентов, которые они контролируют, или их внутренних действующих принципов. Адаптационные механизмы и организационные ограничения живых организмов, возникая случайно, не могут быть выведены из какого-либо общего принципа или закона и могут быть поняты только в контексте их истории. Сходные воззрения о несводимости граничных условий биологических систем к физике и химии высказывал М. Полани (Polanyi, 1968). Очевидно, что ДНК не является алгоритмом организма, его сжатой формулой. Организм есть организация, его информация обладает, следовательно, свойством несжимаемости (Denbigh, 1975). В биологической эволюции определяющими становятся изменения генетического замысла зиготы. Эволюция зародышевой плазмы есть эволюция граничных условий онтогенеза. Граничные условия — это тоже законы, но не фундаментальные законы физики, а законы (правила), наложенные эволюцией, которые больше похожи на законы юридические, чем на законы физики. Если законы физики можно считать внутренними свойствами вещества и энергии, то граничные условия — это внешние законы. В машинах и организмах вещество и энергия, продолжая подчиняться законам физики, оказываются также в подчинении внешним законам. Внешние законы действуют и в неодушевленном мире: река течет, подчиняясь внешним ограничениям русла, но только машины и организмы имеют «разумные» граничные условия, придающие конструкции целесообразность. Эволюция организмов идет через отбор граничных условий на эффективность использования энергии и вещества для созидания. Такая направленность эволюции автоматически рождается из того факта, что выживает только то, что выживает. Произошло землетрясение, и сохранились только те здания, которые устояли. Это, конечно, тавтология, но только до тех пор, пока мы не интересуемся вопросом, почему одни здания разрушились, а другие устояли. Механизмы жизнеспособности могут быть самыми разными. Организмы размножаются, и удачные конструкции воспроизводятся. Законы, управляющие онтогенезом, это не физико-химические запреты, а семантические правила. Реализуются эти правила физико-химическими взаимодействиями, ведущими к самосборке. На каждом этапе самосборки возникают новые конфигурации, обеспечивающие возможность новых взаимодействий. Онтогенез можно сравнить с многомерной детской головоломкой, в которой каждый этап сборки приводит к созданию новых конфигураций, отсутствующих среди первоначальных деталей. То есть генетический замысел — это свернутая информация о многомерной организации, где роль измерений играют уровни организации: генетический, биохимический, морфологический, физиологический, нервно-психический, интеллектуальный, поведенческий, духовный. Продолжая старинный спор о преформизме и эпигенезе, я говорю в пользу эпигенеза: в ходе онтогенеза информация творится заново, эпигенетически. Но на место жизненной силы я ставлю менее таинственное представление о генетическом замысле. Впрочем, если угодно, эту свернутую информацию можно трактовать как информационный эквивалент гомункулюса преформистов. Онтогенез есть эмпирическое воплощение генетического замысла об организме. Эпитет «эмпирическое» призван подчеркнуть принципиальную непредсказуемость каждого этапа онтогенеза на основании свойств компонентов предыдущего этапа. Эта непредсказуемость несет в себе большую мировоззренческую нагрузку. Из нее следует уникальность и неповторимость каждого индивидуума и космическая значимость каждой жизни. Филогенез многоклеточного вида формально похож на онтогенез индивида. Он тоже представляет собой последовательную смену этапов от одноклеточности до современной высокоорганизованной формы. Насколько сущностна эта аналогия? Можно ли говорить о филогенетическом замысле? Положительный ответ на этот вопрос увел бы нас за пределы естественнонаучной парадигмы. Мы ограничимся философской констатацией, что современное состояние Вселенной наличествовало в новорожденной Вселенной в качестве возможного. Интересно, что само слово «эволюция», придуманное Шарлем Бонне, означает развертывание (e-volvo — развертывать). Бонне просто перенес представление об эмбриогенезе на филогенез. Взгляд на мир как на гигантский организм, наделенный импульсом к прогрессивному развитию, высказывали и Платон, и Августин, и Кант, и Гёте. Принципиальное различие между филогенезом и онтогенезом состоит, однако, в том, что филогенез осуществляется впервые, тогда как развитие индивидуальных организмов — это варианты воспроизведения истории вида, предопределенные генетическим замыслом. Действительно новое возникает в филогенезе. Оно возникает как изменение в зародышевой плазме. Пресловутая антиномия «яйцо или курица?» — недоразумение. Конечно, яйцо. Если изменение в замысле оказалось удачным, то есть было санкционировано естественным отбором, оно унаследуется в виде измененного генетического замысла. Таков механизм биогенетического закона — онтогенез повторяет филогенез. Образно говоря, генетический замысел представляет собой подобие туго скрученной пружины, которая развертывается в ходе онтогенеза. Это развертывание, это наращивание организованной сложности производит впечатление чуда. Разгадка — в происхождении генетического замысла. Далеко не каждое случайное изменение в генотипе передается потомкам, а только такое, которое реализуется в жизнеспособный организм. То, что мы видим в окружающей нас живой природе, — это ничтожная выборка удачных вариантов из мириад других, менее удачных. За нас, ныне живущих, заплачено очень дорого. Мы — редкая случайность, зафиксированная отбором. Такой отбор, отбор редких организаций со свойством выживания — организаций, противостоящих энтропии, есть Демон Максвелла или Бог Дарвина. Глобально, с учетом всей истории биосферы, второй закон не нарушен, но локально идет сотворение маловероятного мира. Как обстоит дело с энтропией эмбриогенеза? Эмбриогенез — необратимый процесс, а необратимость предполагает рост энтропии. Брукс и Вили (Brooks, Wiley, 1986) считают эмбриогенез таким же энтропийным процессом, как и филогенез. В самом деле, структурная энтропия взрослого организма, состоящего из сотен миллиардов клеток, намного больше структурной энтропии зиготы. Для объяснения очевидного возрастания информации в онтогенезе они привлекают идею Дэвида Лэйзера, что источником новой информации является рост разности между максимально возможной энтропией и действительной энтропией организма, которая растет с меньшей скоростью (Layzer, 1975, 1977). Эту разность можно оценить, сравнив действительную энтропию беспорядочного нагромождения сотен миллиардов клеток с действительной энтропией живого организма. Рост энтропии — необходимое условие всякого движения, однако не рост энтропии, а генетический замысел каузально определяет направление эмбриогенеза. Здесь исторические ограничения выражены в гораздо большей степени, чем в филогенезе. Эмбриогенез довольно жестко детерминирован в пределах нормы реакции генотипа. Если наблюдать за строительством здания со стороны и ничего при этом не знать ни об архитекторе, ни о прорабах, ни о каменщиках, то постройка здания покажется процессом совершенно невероятным. Но подумав, мы можем догадаться и о замысле архитектора, и о мастерстве рабочих, и об их руководителях, а может быть, и о совершенно особой необратимости — необратимости управляемых процессов. 2 Не найдя подходящего современного русского слова, я отваживаюсь использовать этот термин Лейбница в качестве универсального названия для индивидуализированных элементов и систем разного уровня организации.

Сообщение отредактировал vladik_: 30.11.2009 - 00:29

  • 0

#32 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 09.09.2009 - 00:50

d3o-эластичный материал,поглощающий физические воздействияd3o (ди-три-о) — это новый материал, мягкий и эластичный до тех пор, пока к нему не будет применено резкое сильное воздействие.Он мягкий как жвачка, но если ударить по комку этого материала молотком — комок почти не деформируется.Благодаря этому свойству материал уже применяют для производства снаряжения горнолыжников: наколенники, налокотники.В перспективе, планируется делать из этого материала бронежелеты — эластичные и не сковывающие движений, но не пробиваемые пулями и осколками.Коммерческое использование материала началось в 2005 году, с тех пор он уже применяется в следующих продуктах: * Снаряжение для зимних видов спорта. Команды США и Канады на олимпиаде 2006 использовали костюмы со вставками d3o * Компания Sells Goalkeeper Products выпускает перчатки для футбольных вратарей * Вставки в тыльную часть мотоциклетных перчаток для защиты суставов * Чехлы для iPhone * Компания Capulet использует d3o для производства пуантов (балетная обувь) * Защитное снаряжение SixSixOne для мото-спорта * Скоро выпустят молекулярную бронюhttp://news.bbc.co.u...ogy/7913529.stmhttp://en.wikipedia.org/wiki/D3ohttp://www.d3o.com/
  • 0

#33 Luscinia

Luscinia

    Нежная Lionne))

  • Участник
  • 623 сообщений
  • 7 благодарностей
  • Город:Люберец))
  • Настроение: *

Отправлено 17.09.2009 - 18:00

Дата: 15.09.2009Глубины памяти Дебора Ханнула (Deborah Hannula) и Чаран Ранганатх (Charan Ranganath) из Калифорнийского университета (University of California), США, обнаружили, что в гиппокампе, части человеческого мозга, сохраняются воспоминания, даже если сам человек этого и не подозревает, сообщает ScienceNews. Результаты исследования были опубликованы сегодня в журнале «Neuron». До сих пор ученые считали, что гиппокамп участвует только в сознательном вспоминании. Например, когда человек, страдающий амнезией, начинает заново учиться ездить на велосипеде, – старые знания вновь становятся активными. Однако новое исследование показывает, что этим дело не ограничивается. Ученые демонстрировали группе добровольцев фотографии пейзажей в паре с лицами, а спустя некоторое время показали им фотографии тех же пейзажей и предложили выбрать лица, шедшие в паре с этим пейзажем. Выяснилось, что когда глаза человека останавливались на правильной паре, активность в гиппокампе усиливалась, причем такое совпадение активности проявлялось во всех случаях, то есть даже тогда, когда сознательно человек не мог подобрать правильную пару и ошибался.Кстати, результаты исследования, проведенного профессором Тимоти Солтхаузом (Timothy Salthouse) из университета Вирджинии (University of Virginia), США, весной этого года показывают, что терапию, направленную на предотвращение или замедление связанных со старением явлений, следует начинать намного раньше, чем когда люди уже приближаются к пенсионному возрасту. «Результаты исследования привели нас к заключению, что некоторые возрастные изменения сознания начинаются у здоровых образованных людей в возрасте от 20 до 30 лет», – сказал ученый.Первая возрастная граница, за которой результаты специальных тестов становятся ощутимо ниже, – 27 лет. В этом возрасте люди хуже справляются с заданиями на логику, скорость мышления и пространственное воображение. Ухудшение памяти начинает сказываться в среднем к 37 годам. Согласно другим исследованиям, результаты тестов начинают ухудшаться к 42 годам. Тем не менее, способности, основанные на накопленных знаниях, такие как объем словарного запаса и общая эрудиция, возрастают вплоть до 60 лет.По материалам Вокруг Светаhttp://www.manwb.ru/news2/2111/

Сообщение отредактировал Luscinia: 17.09.2009 - 18:03

  • 0

#34 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 18.10.2009 - 15:06

Ядерная нанобатарейкаУвидеть что-либо подобное раньше можно было только в фантастических фильмах. Американские ученые создали карманную атомную батарейку,которая способна работать несколько десятилетий."Когда люди слышат слово "атомный", то сразу думают о чем-то небезопасном, - сказал Цзя Ван Квон, главный разработчик чудо-батарейки. - А ведь питание от ядерных батареек используется повсеместно, причем во многих устройствах - от новейших кардиостимуляторов до спутников и морских навигационных приборов".Управляемая Цзя Ван Квоном команда ученых из американского Университета Миссури собрала действующий прототип такой батарейки. Она должна работать без перерыва несколько десятилетий. А может быть, и несколько сотен лет.В такого рода батарейках один электрод - это лучеиспускающий изотоп, а второй - пластинка, которая из-за беспрерывной бомбардировки ионизирующим излучением со временем получает повреждения. Чтобы давать электроэнергию столь долго, сколько существует изотоп, пластинка должна быть большой. Однако сотрудники Университета Миссури использовали новый материал - жидкий полупроводник, который помог им радикально уменьшить размеры батарейки. Доктор Цзя Ван Квон полагает, что она может быть тоньше человеческого волоса.По прогнозам, американское открытие найдет применение в миниатюрных механических приборах. Скорее всего изготовленных по заказу армии.http://www.izvestia....article3134172/
  • 0

#35 frim_ax

frim_ax

    Жить здесь остался

  • Участник
  • 7 862 сообщений
  • 1156 благодарностей
  • Город:Москва

Отправлено 09.11.2009 - 17:51

Найдено вместилище одухотворенности. Это все в голове, НеоНовые исследования помогли ученым выяснить, что заставляет нас ощущать одухотворенность. По их утверждению, все дело в небольшой области человеческого мозга, пишет LiveScience.Правая теменная доля головного мозга, о которой идет речь, отвечает за определение Я, поясняет один из исследователей Брик Джонстон из университета Миссури (США). Именно здесь находится источник самокритики и проводник, который ведет нас через физические и социальные аспекты жизни, постоянно обновляя наши знания о самом себе: это моя рука, мой коктейль, мои навыки общения, мое новое любовное увлечение.Результаты исследования, которые будут опубликованы в журнале Zygon, показали, что люди с менее ярко проявленным "самоопределением" значительно чаще ведут духовный образ жизни.Большинство исследований в этой области, проводившихся ранее, основывались на сканировании мозга людей, активно занимающихся всевозможными духовными практиками (медитирующие монахи, молящиеся монахини). Результатами этих экспериментов стали обширные и неубедительные выводы, поскольку исследователям так и не удалось установить, является ли реакция мозга следствием воздействия слов молитв или духовной практики.Джонстон и его коллега Брет Гласс воспользовались испытанной методикой, существующей еще с первых дней нейронауки - изучением людей с черепно-мозговыми травмами. Исследователи провели серию тестов, схожую с проверкой слуха и попытались найти корреляцию между показателями, продемонстрированными участками мозга, и степенью духовности, заявленной самими пациентами.Среди 26 пациентов, участвовавших в эксперименте, были выявлены те случаи, когда человек считал себя более одухотворенным. У всех этих людей исследователи отметили ослабленную функцию правой теменной доли. В физическом состоянии пациентов эта особенность проявлялась в виде снижения способностей к самоосмыслению и концентрации на себе.Это позволяет утверждать, что одном из основных качеств, необходимых для обретения настоящей духовности, является самоотверженность, говорит Джонстон. Ученый надеется, что данное открытие "поможет людям взглянуть на духовность под особым углом".Духовность долгое время ассоциировалась с хорошим умственным и физическим здоровьем. Эти преимущества, предполагает Джонстон, произрастают из привычки уделять больше внимания другим, нежели себе, что, в свою очередь, является естественным следствием понижения уровня самоопределения.Помимо религиозных практик, существуют и другие способы заставить замолчать свое самоопределение. Так, умение разбираться в искусстве или способность распознать красоты живой природы являются вполне достойной заменой, утверждает ученый, указывая на то, что некоторые люди при прослушивании красивой музыки как бы растворяются в ней, теряя ощущение себя. По словам исследователя, любовь и благотворительность также могут способствовать ослаблению барьеров своего Я.Тем не менее Джонстон отмечает, что наилучшим способом утихомирить свою самоконцентрацию является медитация или молитва, участники которых описывают ощущение единения со вселенной. Это является наивысшей точкой духовной практики, достижимой лишь в случае полной потери самосознания."Если вы загляните в Тору, Ветхий и Новый заветы или в Коран, а также в многочисленные работы буддистских мыслителей и индуистов, все они говорят о самоотречении", - говорит Джонстон. По его словам, теперь этим утверждениям, кажется, удалось найти научное обоснование.Материал подготовлен службой информации Point.Ruhttp://www.point.ru/.../stories/18758/
  • 0

#36 frim_ax

frim_ax

    Жить здесь остался

  • Участник
  • 7 862 сообщений
  • 1156 благодарностей
  • Город:Москва

Отправлено 11.11.2009 - 20:25

В бессознательном состоянии у человека лучше получается принимать верные решенияЧеловеческий мозг постоянно усердно работает, чтобы позволить нам добиться наилучших решений в разных ситуациях, используя доступную информацию для обработки, узнали учёные США. Они сделали интересное открытие - мы принимаем оптимальные решения только в том случае, когда наш мозг находится в бессознательном состоянии. Как говорит автор исследования, доктор Алекс Пуге, определённые аспекты человеческого познания осуществляются с удивительной точностью.В эксперименте участникам предлагалось следить за точками на компьютерном мониторе, которые двигались в произвольном направлении. Контролируемое количество точек двигалось намеренно равномерно в одном направлении, и людям просто нужно было ответить, в какую сторону они перемещались - направо или налево. Чем больше по времени человек смотрел на точки, тем с большей точностью определял координаты движения. Неврологи зафиксировали, что мозг подсознательно собирал данные для достижения наиболее чёткого решения и определения конечного ответа. Людям не сообщали о цели тестирования, чтобы добиться наиболее естественных результатов, пишет Освитний портал.Наблюдая за активностью нейронов в действии, специалисты заметили, что они снова и снова реагировали на предоставленную информацию, пока не достигали порогового значения, вызывая пик активности в головном мозге. По мнению экспертов, такая работа мозга имеет ряд преимуществ для нас: самое главное заключается в достижении разумного решения в краткие сроки в неосознанном состоянии. Также было установлено, что мозг сам устанавливает порог уверенности о правильности решения - когда мы, например, уверены в своей правоте наполовину или на все 90%. Теперь исследователям предстоит выяснить, каким образом мозг вычисляет порог.http://www.fraza.ua/...9.09/74296.html
  • 0

#37 Дан Дэ Вэйн

Дан Дэ Вэйн

    Пропал человек

  • Участник
  • 1 491 сообщений
  • 14 благодарностей

Отправлено 21.11.2009 - 15:39

Теория относительности Эйнштейна требует пересмотра Астрофизик Рэйчел Бин из Корнельского университета поставил под сомнение теорию об относительности пространственно-временной модели. На основании ранее предложенной теории Эйнштейна, свет от далёких звёзд подвергается влиянию гравитационного поля различных комических объектов, таким образом, свет искривляется под воздействием гравитации и приходит на Землю искажённым. По этой теории, коэффициент искажённого времени равняется коэффициенту искажённого пространства. Рэйчел Бин, изучая действие гравитационных линз, наблюдая за 2 миллионами галактик, обнаружил, что 8-11 млрд лет назад коэффициент искаженного времени был в 3 раза больше, чем коэффициент искаженного пространства.Ученые пока не берутся судить исследования Рэйчела Бина. По мнению некоторых экспертов, такое нарушение искажения может произойти из-за тёмной энергии, которая противостоит силам тяготения, заставляя Вселенную расширяться. Тёмная энергия была открыта в 1998 г., но ещё Альберт Эйнштейн предсказывал существование такой силы, которая не даёт сжиматься Вселенной, передает Science.YoRead.ru.Напомним, что недавно два немецких физика заявили, что им удалось преодолеть скорость света - достижение, которое может перевернуть наше понимание пространства и времени. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы передвинуть объект на более чем 299.792,458 метров в секунду, потребуется бесконечное количество энергии.Тем не менее, доктор Гюнтер Нимц и доктор Альфонс Штальхофен из университета Кобленца заявляют, что, вероятно, им удалось обойти основной принцип этой теории. Физики сообщили, что они провели эксперимент, в котором микроволновые фотоны - энергетические пакеты света - передвигались "мгновенно" между парой призм, которые были удалены друг от друга на расстояние 3 фута, передает Mignews.com.http://energyland.info/news-show-36622
  • 0

#38 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 13.03.2010 - 21:29

Секрет старения разгадан учеными.В Британии международная группа ученых разгадала тайну – как и почему стареют клетки.Исследователи установили, что когда стареющая клетка обнаруживает значительное повреждение своей ДНК, вызванное физическим износом, она посылает специфические внутренние сигналы. Эти аварийные сигналы побуждают митохондрии клетки к продуцированию окисляющих "свободнорадикальных" молекул, которые, в свою очередь, заставляют клетку разрушиться или прекратить делиться.Они исследовали общий процесс, каким образом клетка стареет, то есть, как она перестает делиться, что сказывается и на сердечной деятельности, и на коже - к примеру, появляются морщины.По мнению специалистов, теперь, после открытия подобного механизма, станет легче бороться с возрастными изменениями и такими болезнями, как диабет, сердечно-сосудистые нарушения, рак. При этом об эликсире вечной молодости, по их словам, речи не идет.Как сообщалось ранее, британские специалисты сейчас работают над средством, которое на генетическом уровне может предотвратить старение кожи. Старение кожи имеет несколько ключевых причин, среди которых ослабление способности клеток удерживать воду. Потеря воды и вызывает образование морщин. Как оказалось, за этот процесс отвечают 700 генов. В случае поддержания их активной работы, морщины на лице человека появляться не будут, отмечают ученые. Сейчас специалисты занимаются созданием нового поколения косметологических средств, которые будут действовать на генетическом уровне и призваны дарить людям вечную молодость.А ученые из Петербургского института геронтологии изобрели препарат, способный на десятилетия увеличить жизнь людям. В его основе содержатся пептиды - они восстанавливают синтез белка, и это предотвращает старение, пишет moscow-info.org.http://moscow-info.o...17/148243.phtml
  • 0

#39 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 21.03.2010 - 14:46

Воспоминания успешно расшифровали по томограммеФиолетовым цветом обозначен гиппокамп — отдел мозга, отвечающий за адекватный доступ к автобиографическим воспоминаниям. Его изучение методом функциональной томографии открывает огромные перспективы в нейрофизиологии мышления.
Читать дальше:
Английские ученые экспериментально показали возможность чтения воспоминаний на основе данных функциональной магнитной томографии мозга. Испытуемые вспоминали один из трех видеосюжетов, а задачей нейрофизиологов было определить, какой из видеосюжетов был выбран. Ученые вполне успешно справлялись с задачей. Им удалось выявить особые зоны гиппокампа, отвечающие за воспроизведение памятных эпизодов из жизни.Чтение мыслей всегда считалось чудом, и кто из нас не мечтал об этой способности, обещающей сверхмогущество! Согласно некоторым маргинальным теориям (как, например, одна из составных частей теории Б. Ф. Поршнева), предки человека обладали этой чудесной способностью. Но в ходе развития логического мышления они ее утратили, и теперь человеку разумному приходится довольствоваться речью — этим жалким подобием предковой коммуникации. Так или иначе, но теперь именно с помощью логического мышления, то есть научным методом, Homo sapiens доказал принципиальную возможность чтения мыслей. Я здесь подчеркну, что речь идет именно о научном методе, то есть проверяемом и фальсифицируемом эксперименте, а не об интуитивном представлении, вере или авторитетных суждениях, то есть, по сути, о ненаучном знании.Команда английских ученых под руководством Элеонор Магьюр (Eleonor Maguire) из Института неврологии Университетского колледжа в Лондоне готовила выдающийся (и, надо отметить, несложный) эксперимент по чтению мыслей долго и поэтапно. Эксперимент осуществлялся по следующей схеме. Десяти испытуемым показывали три коротких видеосюжета по 7 секунд. В видеосюжетах актриса выполняла некие простые действия — опускала письмо в почтовый ящик, выбрасывала в жестянку из-под кока-колы и т. д. Участники смотрели клипы по 10 раз, затем вспоминали либо один из определенных сюжетов, либо один по своему выбору. Во всех случаях снимались показания томографа, сканирующего область гиппокампа и прилегающих структур. Затем объемные томограммы обрабатывались по особой методике. После этого оставалось обобщить данные сканирования мозга при воспоминаниях каждого из трех клипов и понять, можно ли по этим результатам определить, какой из трех клипов выбирал испытуемый. Поскольку результат эксперимента статистический, каждый участник должен был воспоминать каждый из клипов 7 раз по требованию и 10 раз в свободном режиме.Таким образом, выполнение этого эксперимента, помимо аккуратного подбора участников и психологически продуманного дизайна (сколько секунд длится представление задания, в какой момент испытуемый закрывает и открывает глаза и т. д.), требовало решения более сложных технических задач. Во-первых, какую часть мозга сканировать? Нельзя же обследовать сразу весь объем (по крайней мере на современном этапе развития технологий). Во-вторых, как осуществлять обсчет полученных объемных изображений? Современная аппаратура не достигает той разрешающей способности, которая позволила бы отследить работу каждого нейрона даже в ограниченной области мозга. Какой масштаб осреднения допустим для цифровой обработки томограмм?Все эти задачи группа Элеонор Магьюр решала, судя по публикациям, не меньше четырех-пяти лет. За это время ученым удалось доказать локализацию пространственной памяти в области гиппокампа. Они провели замечательное исследование с участием настоящих экспертов в области пространственного ориентирования — лицензированных лондонских таксистов (см. Talent in the taxi: a model system for exploring expertise). Эта профессия требует запоминания взаиморасположения не менее 20 000 улиц Лондона. Выяснилось, что у лондонских таксистов увеличены объем и масса серого вещества в задней части гиппокампа.На базе экспериментов с виртуальным пространством ученые подтвердили, что решение о пространственной локализации и хранение соответствующей информации принимает главным образом гиппокамп. В эксперименте с виртуальным пространством также предполагалось сканирование мозга и обработка изображений. Объемное изображение делили на ячейки со стороной 1,5 мм. Каждая ячейка заключала информацию о состоянии около 10 тыс. нейронов. Но, как выяснилось, даже столь грубое осреднение дает неплохой результат. Обработка изображений предполагала сравнений ячеек по принципу «каждая-с-каждой», то есть ячейка с конкретными координатами для одного опыта сравнивается с ячейками с теми же координатами в других опытах. Благо, современные машинные мощности позволяют обрабатывать такой колоссальный объем информации.Все эти «наработки» — а на самом деле, замечательные самоценные исследования — вошли составными частями в эксперимент по угадыванию мыслей. Усредненные томограммы для каждого из трех клипов позволили определять, какое из воспоминаний выбрал тот или иной участник. Точность определения составила 45%, а это существенно выше, чем 33%, которые бы получились при случайном попадании.У каждого из участников картина возбуждения в гиппокампе была индивидуальной. Однако сама область, заключающая работающие нейроны, оказалась более или менее сходной — это передние боковые и задняя правая зоны гиппокампа. В последней из названных зон содержится информация о пространственной локализации события, две другие служат своего рода картой или картотечным ящиком, который направляет воспоминания к нужным отделам коры. Подобный картотечный способ хранения автобиографической или эпизодической памяти (в противоположность знаниям, полученным из книг или на уроках) оказался сходным у всех испытуемых, так что этот способ авторы исследования считают универсальным. Также они полагают, что в целом существует унифицированная функциональная топография гиппокампа, то есть конкретные области отвечают за хранение и манипулирование конкретной информацией.
http://elementy.ru/news/431276

Сообщение отредактировал bot: 21.03.2010 - 14:49

  • 0

#40 bot

bot

    Спектр

  • Участник
  • 1 452 сообщений
  • 472 благодарностей
  • Настроение: *

Отправлено 20.06.2010 - 09:48

Тетрис меняет мозг с неизвестными последствиями для интеллектаИзображениеИзменения в ходе опыта в толщине корыголовного мозга в подопытной (слева) иконтрольной (справа) группах. Стрелкамиотмечены особенно заметно увеличившиесяучастки (жёлто-красный цвет). Это главный,но далеко не единственный результатнеобычного эксперимента(иллюстрацияRichard J. Haier et al.)Мало кто сомневается в способности видеоигр развивать мышление. Вопрос в том – на каком уровне это происходит и каких именно улучшений стоит ждать от тренировок за монитором. Единого мнения тут нет. Пока одни учёные удивляются быстрым переменам в строении мозга, зафиксированным у испытуемых в экспериментах, другие предостерегают коллег от поспешных выводов.«Структура мозга гораздо более динамична, чем оценивали ранее», – заявил исследователь Ричард Хэйер (Richard Haier) из Калифорнийского университета в Ирвине (UC Irvine). Вместе со своими коллегами из канадского университета Макгилла (McGill University) и американской исследовательской организации Mind Research Network Хэйер провёл ряд опытов, показавших, что регулярная игра на компьютере может вызывать физиологические изменения в головном мозге человека.Плюсы и минусы открытых перемен ещё предстоит оценить в полной мере: в какую сторону и что именно улучшается – большой вопрос.Изображение«Тетрису» в нынешнем году исполнилось 25 лет.Число вариантов игры с трудом поддаётся подсчёту,но даже самый простой «классический» – до сих порзагадочно притягивает внимание миллионов(иллюстрация Electronic Arts)Как и ряд нейрофизиологов до Хэйера, американский учёный использовал культовую игру «Тетрис». Кажется, что в силу относительной простоты этой игрушки она не может заметно сказаться на умственных способностях испытуемых. Каково же было удивление исследователей, когда они обнаружили, что всего три месяца игры (причём только по 1,5 часа в неделю) привели к увеличению толщины коры головного мозга у подопечных. Не всей, конечно, коры, а определённых участков.В общем, если бы у древних гоминидов были видеоигры, они стали бы сапиенсами намного раньше. Или нет? Но по порядку.В роли подопытных выступили девушки-подростки. Предпочтение слабого пола объясняется тем, что у мальчишек в среднем гораздо больший опыт в видеоиграх и продолжительная практика, а они могли повлиять на результат эксперимента.15 девушек регулярно играли в «Тетрис», а 11 «контрольных», соответственно, – нет. При этом различного вида сканирование мозга (функциональная магнитно-резонансная томография в том числе) проводилось как перед началом эксперимента, так и по ходу опыта, и по окончании трёх месяцев, само собой.Выяснилось, что некоторые участки коры у игроков после эксперимента увеличились по толщине и плотности (выросло серое вещество – нервные клетки и снабжающие их капилляры). Особенно отличились поля Бродмана 6 (в левой фронтальной доле мозга), 22 и 38 (в левой височной доле).«Шестёрка», как считается, отвечает за планирование сложных движений, а «22/38» – за обобщение информации от органов чувств. Аналогичные участки у контрольной группы не показали никаких существенных перемен.Можно было бы сделать простой вывод: в рост пошли те районы, которые наиболее интенсивно были задействованы в ходе игры. Но не всё так просто. Сканирование также показало, что тренировка в «Тетрис» вызвала изменения не только в количестве нейронов отдельных участков коры, но и в уровне активации разных её зон, происходящей во время игры.Сравнив картинки у «игроков» в начале их трёхмесячной «сессии» и в конце, авторы работы увидели, что почти по всей коре имеются участки, нейронная активность которых существенно переменилась (у контрольной группы ничего такого не наблюдалось). Причём в одних зонах активность выросла, в других, что совсем уж любопытно, – упала.И окончательно сбило с толку экспериментаторов то, что эти регионы с повышенной и пониженной активностью не совпали с участками, нарастившими свою толщину.Учёные рассудили, что снижение активности некоторых участков может говорить о том, что мозг научился (применительно к «Тетрису») действовать оптимально и не включать ненужные районы коры. Но тезис о повышении эффективности обработки сигналов, прямолинейно следующей за наращиванием числа нейронов, разбивается об уже упомянутое несовпадение зон со снижением активности и участков, нарастивших массу серого вещества.ИзображениеКарта роста толщины коры (красные участки), наложенная на картуперемен в работе нейронов. Повышение активности клеток показанозелёным, снижение – синим. Детали этого исследования можно найтив статье в BMC Research Notes(иллюстрации Richard J. Haier et al.)Может, мозг просто начинает работать чуть-чуть иначе, обучаясь задействовать новые коммуникации между несколькими зонами? Это всё только предположения. Досконально никто ещё не может сказать – какие поля какую роль играют в ходе выполнения задачи с падающими в стакан фигурками.Ясно только, что игра способна повлиять как на распределение клеток в головном мозге, так и на их активацию. «Понимание работы мозга никогда не было простым, – говорит Хэйер. – Мы знаем, что «Тетрис» изменяет мозг. Но мы не знаем, хорошо ли это для вас». Иными словами, одни лишь перемены в нейронах ничего не говорят о сдвигах в работе памяти или в интеллекте.И тут стоит сравнить достижение Ричарда с другими сходными исследованиями. К примеру, учёные выяснили, что игры-стрелялки повышают зоркость, улучшают способность мозга перерабатывать визуальную информацию и могут даже послужить способом коррекции зрения. Работа с компьютером вообще мобилизует возможности мозга. Показали же как-то исследователи, что веб-сёрфинг полезнее чтения книг.Но перекидывать от этих частных случаев мостик к выводу «игры всегда улучшают мозги» рановато. Об этом говорят инициаторы нового предприятия – Brain Test Britain experiment, организованного BBC в рамках телевизионной программы Bang goes the theory.В последние годы набирают популярность компьютерные игры, известные как «тренеры мозга» (brain trainers). Задачки на внимание или реакцию, не слишком сложные головоломки и математические ребусы, игры в слова, в общем – масса различных способов проверить расторопность работы машинки, скрытой под черепной коробкой.ИзображениеLumosity – онлайн-тренер мозга, состоящий из множества разных игр.Это один из многих проектов такого рода. Популярность «улучшателей»растёт, хотя их реальная эффективность остаётся предметом научныхдискуссий(иллюстрация с сайта lumosity.com)Считается, что занятия такими типами видеоигр развивают мозг не хуже, чем фитнес – мышцы. Даже появился целый класс программ, предназначенный для тренировки мозгов стариков (мы рассказывали об этом: 1, 2).BBC намерена выяснить – насколько в действительности такие «тренинги» изменяют мозг. Известная медиакомпания запускает крупнейший эксперимент в данной области – в нём смогут принять участие все зарегистрированные пользователи старше 18 лет.Им предложено в течение 6 недель, не реже трёх раз в неделю по 10 минут играть в разные «развивающие программы» в онлайне. Специалисты же будут собирать статистику результатов (за подготовкой опыта стоят, как нетрудно догадаться, не телевизионщики, а ряд специалистов по нейронаукам из исследовательских центров Британии).Авторы «народного» эксперимента отмечают, что до сих пор фактически нет надёжного научного подтверждения эффективности brain trainers. То есть – понятно, что наловчившись играть в какую-то игру, вы будете справляться с ней всё лучше и лучше. Но означает ли это, что улучшилась работа (строение) мозга? Вовсе нет. Плюсом можно посчитать лишь тот случай, когда тренировка такого рода помогает улучшить результаты человека в других «приложениях».ИзображениеКакой цветок выбивается из ряда соседей? Какой предмет самый тяжёлый?Человеку не составляет особого труда ответить на эти вопросы и выдатьих в секунды. А вот выяснение, каким путём (вплоть до групп нейронов)мозг принимает решение и почему один человек отвечает быстрее, а другоймедленнее – это уже настоящая головоломка. Для учёных(иллюстрациис сайта news.bbc.co.uk)Если вы поднаторели в судоку, это означает только то, что вы поднаторели в судоку. Если вы научились хорошо сбивать тарелки с пришельцами, значит, вы хорошо научились сбивать.И не более того.А возвращаясь всё к тому же «Тетрису».Длительная игра в него, очевидно, повышает ваш средний результат в данной игре (число набранных очков), но об улучшении состояния (или эффективности работы) своего мозга вы сможете говорить, только если обнаружите, что после «Тетриса» вдруг стали лучше запоминать слова или быстрее решать математические задачки в уме.Потому устроители Brain Test Britain предусмотрели важное условие: в начале эксперимента испытуемый проходит некий тест на сообразительность и быстроту мышления, который принципиально отличается от задачек, служащих тренировочными программами. После шести недель тренинга человек должен снова будет пройти проверочный тест.Предполагается, что сравнение его результатов в начале и в конце поможет вычислить тот самый «чистый» результат для мозга. Если он окажется положительным – можно будет сделать вывод, что последствия тренировки мозга могут сказаться и на решении им других типов психологических задач.Кроме того, британские эксперты предостерегают от однозначного толкования результатов магнитно-резонансного сканирования (как в предыдущем исследовании).«То, что мы видим на этих сканах, это просто мера энергии, которую мозг использует при выполнении тестов. Это не является доказательством того, что мозг обучается или даже изменяется в любой форме», – полагает Джессика Грэн (Jessica Grahn) из исследовательского центра наук о мозге Кембриджского университета (Cognition and Brain Sciences Unit).ИзображениеРазработчики проекта Brain Test Britain сделали всё возможное, чтобыон соответствовал критериям научной работы. Тут будут и контрольныегруппы, и команды «тренирующихся», разделённые ещё и по видамтренировочных программ, и так далее(иллюстрация с сайта bbc.co.uk)Британцы надеются, что число испытуемых составит несколько тысяч, так что на этом фоне легче будет уловить закономерности. А первые выводы Brain Test Britain должны появиться весной 2010 года, но проект на этом не свернёт деятельность. Добровольцам будет предложено продолжить игры на срок до года, а всю статистику отправят на анализ. Только в 2011 году будет подведён окончательный итог.Тогда, быть может, станет чуточку яснее – означают ли перемены в мозге после «Тетриса» положительные сдвиги для мышления в целом или это просто проявление адаптации коры к достижению именно данной, и никакой другой, цели.Источник:http://www.membrana..../08/181600.html

Сообщение отредактировал bot: 20.06.2010 - 09:50

  • 0


Обратно в Наука и техника


1 человек просматривают этот форум

0 пользователей, 1 гостей, 0 скрытых пользователей