«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 07 (14)

Долой двоичную логику

Ричард Сох, инженер по разработке программного обеспечения для встроенных цифровых процессоров.

Бернард Коул, один из руководителей и редакторов сайта iApplianceweb, а также независимый консультант, работающий с хайтек компаниями.

Современные информационные технологии практически полностью базируются на двоичной логике — то есть, все вычисления производятся на уровне нулей и единиц. Будет ли так продолжаться вечно, или уже есть возможность перейти на новый уровень? Есть, считают специалисты.

Двоичная логика компьютеров — естественное следствие физических особенностей полупроводников. Единица (обозначающая заряд) и ноль (обозначающая, что транзистор не пропускает тока) — в настоящее время это основа всех вычислительных процессов в компьютерах и прочих “умных” устройствах.

Согласно закону Мура, количество транзисторов в микропроцессорах удваивается каждые полтора года. Корпорация Intel и другие компании, занимающиеся выпуском полупроводниковых устройств, уже вплотную подошли к манометрическим масштабам; гига- и даже тера-герцевыми частотами компьютерных систем уже никого особо не удивишь и не испугаешь, равно как и мега-, гига- и терабайтовыми вместилищами данных.

Сейчас отрасль стоит на сложном распутье.

С одной стороны, за законом Мура угнаться становится все сложнее: «втискивать» все новые и новые двоичные кремниевые транзисторы на платы становится труднее — и так масштабы уже нанометрические. По мере дальнейшего уменьшения размеров транзисторов обеспечено усложнение технологического процесса и множество других проблем, вплоть до квантовой неопределенности.

С другой стороны, все больше людей в мире понимает, что в пользовательском секторе «гнать гигагерцы» — уже практически бессмысленно. Вычислительные мощности пользовательских компьютеров дошли до той ступени, когда дальнейшее их увеличение просто лишено какой-либо перспективы: все эти плезиозавры народу… может, и нужны, но далеко не всем, не всегда, и затраченных на них средств разработчика просто не оправдывают.

Еще несколько лет Inlel может продержаться на том, что будет заливать в уши производителей компьютерных игр и заядлых игроков мед и мармелад, «толкая» им многогигагерцевые процессоры (в планах — 20 гигагерц до конца десятилетия), но что потом?

Бернард Коул призывает перейти на многозначную логику как можно скорей

Двузначная логика подобна езде по Манхэттену с условием ехать либо только прямо, либо с правым поворотом. Троичная логика способна обеспечить движение и налево, и прямо, и направо. И теперь, мало того, что Вы можете добраться куда-то потенциально быстрее, но и попасть в места, которых Вы вообще не могли достигнуть прежде. В троичной логике мы будем работать с 729 коммутативными функциями в противоположность 8 в двоичной логике. Хотя большинство, вероятно, не всегда будут выгодны.

Один из барьеров на пути троичной и более многозначных логик — то, что для демонстрации их выгоды чаше всего используются арифметические примеры. Это, конечно, очень важно, но много инженеров и не конструируют арифметические цепи вычислений. Лично я обращаю внимание на приложения вроде обработки троичных и многоуровневых сигналов — как на наиболее многообещающую область для таких логик. Если бы я имел время я разработал бы игру вроде Ханойских Башен или Nimh в троичной или четверичной логической схеме и сравнил бы это с двоичной разработкой.

Если выгоды будут притягательны, то сложность троичной логики не будет

решающим фактором на пути ее применения для ведущих инженеров. И я надеюсь, что они снова обратят взгляд в прошлое, на некоторые идеи и концепции уже ранее обсуждавшиеся, но затем незаслуженно отправленные в мусорную корзину при движении по путям, направленным к достижению гигагерцевых тактовых частот и процессоров из многих миллионнов транзисторов. Это не были плохие идеи, но это были лишь идеи, которые не вписывылись в тогдашние потребности рынка. Однако времена меняются, меняются и запросы рынка.

Не так давно в рамках проекта ITRS уже состоялась встреча представителей, на которой был рассмотрен вопрос о различных добавлениях к уже принятому плану 2003 года, вроде совместной договоренности о развитии технологий беспроводного обмена данными. Среди этих добавлений, которые, скорее всего будут одобрены и приняты, как уже говорилось — технологии беспроводного обмена данными, базирующиеся на использовании полупроводниковых кремний-германиевых, арсенид-галлиевых и фосфид-индиевых элементов, которые могут обеспечить работу на тактовых частотах, приближающихся к 100 ГГц. Эти добавления очень важны для будущих беспроводных технологий обмена данными, поскольку это позволит достичь скоростей передачи данных, эквивалентных возможности проводного Интернета или даже превышающих их.

Лично я нахожу упоминание кремний-германиевых элементов наиболее интересным и многообещающим аспектом этого плана, учитывая как они подходят для использования многозначной логики. Помимо улучшения рабочих характеристик, чему в плане уделено наибольшее внимание, наибольшее значение может иметь тот факт, что подобно элементам, основанным на сочетаниях GaAs, GaAsP, InP и других экзотических комбинациях, полупроводниковые приборы, построенные на сочетании SiGe являются гетеропереходными, т. е. органически способными к образованию множества пороговых уровней.

Теоретически, SiGe-элементы могут быть использованы для создания устройств, работающих вне простой бинарной логики — 0/1, включить-выключить. Такие элементы способны создавать несколько легко различимых уровней сигнала. Это может быть использовано для аппаратной реализации 3-мерных, 4-мерных и даже большеразмерных логических функций, что эффективно увеличит информационную плотность устройств без дальнейшего уплотнения транзисторной структуры. Эти перспективы весьма достойны пристального внимания, поскольку на пути уплотнения транзисторной структуры мы сейчас приближаемся к нанометровому диапазону, где уже сталкиваемся с проблемой значительного удорожания технологического оборудования и, что даже более существенно, с квантовыми неопределенностями.

Давно, еще когда промышленность приближалась к геометрии чипов “два на четыре микрона”, большинство ведущих полупроводниковых компаний уже начали исследования в области электрических схем для троичной и четверичной логики, потому что уже тогда они предчувствовали, что требуемый прогресс технологического оборудования для обеспечения все больших и больших плотностей элементов будет слишком дорог.

Те, кто изготавливал, господствовавшие в те времена 16-разрядные микроконтроллеры и микропроцессоры начинали особенно интересоваться многозначной логикой после несложных вычислений в столбик на уголке салфетки. Так например, согласно моим расчетам, 16-разрядная микро-ЭВМ со встроенным запоминающим устройством имеет доступ к не больше, чем 216 битам непосредственно доступной памяти (приблизительно 65 Кбит), в то время как тот тот же самый микрокомпьютер с запоминающим устройством, основанным на троичной логической схеме имел бы прямой доступ к 316 битам или 43 Мбит памяти.

Но были на этом пути и свои подводные камни. Поскольку использовались гомогенные структуры, то производители вынуждены были придумывать множество уловок, чтобы выразить многомерные логические функции через всего лишь бинарные структуры. Тем не менее, какие-то решения были найдены и все ведущие производители — Intel, Fairchild, National Semiconductor, Signetics (теперь Philips), Motorola выпустили на рынок изделия, имеющие внутри себя троичные и четверичные логические схемы.

Приблизительно в то же самое время промышленность, чтобы еще более увеличить тактовые частоты, искала более быстродействующие альтернативы для кремниевых микротранзисторов. При рассмотрении различных комбинаций арсенида галлия и других компонентов, было найдено, что их быстродействие обеспечивается как раз их гетеропереходной природой. Именно тогда и начались самые ранние попытки создать кремниево-совместимые гетеропереходные структуры, которые могли бы обеспечивать требуемые перспективные рабочие характеристики.

Кремниево-германиевый чип производства IBM

Тогда же исследователи из IBM, Motorola, TI и некоторых университетов заметили, что полупроводниковые приборы на гетеропереходах, как на основе кремния, так и прочие, имели другую интересную особенность — все они непременно были мультипороговыми, т. е. способным отличать и генерировать несколько уровней сигнала. И эта способность разрешала некоторые проблемы, возникшие при предшествовавших ранее попытках использования бинарных структур для реализации многомерной логики.

Ранее, чтобы обойти неспособность бинарных кремниевых структур надежно генерировать и детектировать различные уровни сигнала, необходимо было использовать специальные дополнительные логические структуры, которые могли бы воплотить многозначную логику. Но и их разработка была проблематична, потому что возможности технологии в то время были таковы, что хорошо и надежно различались только два логических уровня, и требовалось много усилий для надежного различения трех или четырех уровней.

Теперь же, мало того, что имеются микротранзисторные структуры на основе SiGe, которые органично являются дружественными для многозадачной логической схемы, но и существующие технологии вполне позволяют генерировать и надежно различать множественные уровни значений напряжения и тока.

Но есть, правда, еще и третья проблема, связанная уже не собственно с кремнием, а с готовностью инженеров-пользователей отказаться от мышления в рамках бинарной логики, которая стала уже их второй натурой. Путь, по которому Intel и другие компании обошли в свое время эту проблему, заключался в том, чтобы освободить инженеров от непосредственной работы в системе троичной или четверичной логики путем добавления специальных интерфейсных конвертеров для прямого и обратного конвертирования сигналов ядра, оперирующего многозначной логикой. При технологиях тех времен это было очень дорогостоящее транжирство полезной площади кристалла. При современных же плотностях элементов эти дополнительные затраты уже не представляются столь накладными.

Но все равно — захотят ли инженеры отказаться от столь привычного и безопасного для них мира бинарной логики? — даже если многозначная логика будет or них хорошо сокрыта? Несмотря на то, что все теоретические работы по многозначной логике вполне для них доступны, мы можем оказаться в ситуации подобной той, которую я слышал в старшем классе на уроке антропологии об одном миссионере. Кажется, после года или около того упорных попыток научить аборигенов из глухих джунглей пользоваться десятичной системой счисления этот миссионер потерпел полное фиаско. Его ученики или не понимали, или вообще, даже и не желали понимать его. Когда же он обратился к живущему там же в деревне антропологу, тот объяснил ему, что это специфическое племя имело систему нумерации, которая состояла только из “ноль, один, много". Члены племени в их обыденной жизни до того просто не имели никакой особой потребности в системе счисления, которая бы предлагала им больший выбор вариантов. Они и понятия не имели о всех сложностях нашего бытия, которые требует такой, на их взгляд, изощренной системы нумерации.

В отличие от этих мифических аборигенов. я думаю, что объективные экономические законы экономики компьютерной индустрии побуждают нас распрощаться, наконец, с нулями и единицами.

Мы уже опять рассматриваем и другие старые идеи, ранее было отброшенные в корзину истории, типа КНД-структур (кремний-на-диэлектрике), асинхронной логики, сегнетоэлектрической энергонезависимой оперативной памяти и даже SiGe-элементы для увеличения скорости пропускания сигналов. Не должны ли мы также снова обратиться к многозначной логике?

Высокоскоростной электрический транспорт

Омельяненко В.И., д. т. н., проф., зав. кафедрой электрического транспорта и тепловозостроения МТУ «ХПИ» Статья любезно предоставлена журналом «Локомотив-информ»

Любое транспортное устройство представляет собой совокупность трех систем — подвешивания, движителя и управления:

— система подвешивания воспринимает силу тяжести и обеспечивает направление в пространстве транспортного средства;

— движитель обеспечивает его поступательное перемещение;

— система управления обеспечивает заданные устойчивость и качество движения транспортного средства с определенными массо-габаритными и конструктивными параметрами при оптимальном использовании энергетических и информационных ресурсов.

Оглядываясь на историю развития транспорта, начиная с 1 млн лет до н. э., можно выделить три этапа.

Первый этап — начальный период, длился до конца XVII века. Вначале были только пешеходы и гужевой транспорт — собаки, олени, быки, лошади, верблюды. Этот вид транспорта, хотя и содержит все три вышеупомянутые системы, достаточно сложные и мало изменившиеся до настоящего времени, весьма неэффективен. Первое крупное достижение связано с созданием искусственных систем подвеса — плавающих средств (бревна, плоты, галеры). С изобретением колеса технология подвеса транспортных средств переместилась на сушу. Первым движителем, помимо животной силы, был, по-видимому, парус. Конец начального периода ознаменовался изобретением первого средства управления транспортными средствами — магнитного компаса. Это привело к увеличению дальности перевозок и позволило перейти от местных рейсов к глобальным.

Второй этап — период бурного развития, охватывает XVIII и XIX века. Здесь определяющим в развитии транспортных средств стало изобретение движителей: парового, электрического, а также двигателя внутреннего сгорания. В итоге, в этот период появился пароход с железным корпусом, поезд, автомобили и трамвайные линии в городах. С появлением и развитием средств связи (телеграф, телефон) появились первые диспетчерские системы и началось фактическое управление транспортными потоками.

Третий этап — современный период — начинается в XX веке с изобретения летательных аппаратов. Использование в них реактивных двигателей дало возможность реализовать их в столь широких масштабах, что перевозки приобрели совершенно новые возможности, как с точки зрения расстояний, так и с точки зрения затрачиваемого времени. Современный период развития транспорта характеризуется широким применением в системах управления компьютерных технологий. Характерной чертой рассматриваемого периода является также непрерывное увеличение количества и мощности транспортных средств. И, наконец, вторая половина XX века ознаменована внедрением на железных дорогах высокоскоростных поездов с традиционным подвесом «колесо-рельс», движущихся со скоростями 200–350 км/ч, а также высокоскоростных поездов на магнитном подвесе, достигающих скоростей более 500 км/ч. Поскольку движение этих транспортных средств осуществляется благодаря электромеханическому преобразованию энергии, считаем справедливым его назвать высокоскоростным электрическим транспортом (ВЭТ).

Японский поезд MLX01-1 на электродинамическом подвесе, представленный на выставке ЕХРО-2005

Подытоживая эти исторические наблюдения, укажем:

Во-первых, промежутки времени, в которых происходят сравнимые по важности новые крупные изменения, становятся все короче и короче, изменяясь на много порядков.

Во-вторых, эпохи в области транспорта и составляющих его систем: подвеса, движителя, управления, — являются следствием ряда крупных достижений в технике: колесо, паровая машина, компас и т. д.

В-третьих, в последние десятилетия XX века возникли проблемы, которые в настоящее время в значительной мере определяют деятельность мирового сообщества в области транспорта. Речь идет:

— о безопасности на транспорте;

— о защите окружающей среды и сохранении энергетических ресурсов;

— об использовании земли для транспортных средств.

В-четвертых, развитие транспорта до последнего времени велось экстенсивным путем. Строилось все большее число все более широких дорог, создавались все более и более мощные и дорогие транспортные средства (реактивный самолет на порядок дороже винтового). Но широкое внедрение цифровых вычислительных машин открыло возможность интенсификации транспортного обслуживания. Наступает эпоха, когда улучшение транспортного обслуживания будет обеспечиваться не за счет приложения грубой силы, а за счет применения тонких методов управления, которые обеспечат более умелое использование того, что у нас есть.

Левитационное качество современных видов транспорта

Сравнение различных видов современного транспорта ведется по многим критериям. Однако определяющими здесь являются экономические соображения. Стоимость перевозки определенного груза на заданное расстояние зависит от энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению. Свойство различных видов транспорта с такой точки зрения характеризует левитационное качество — отношение подъемной силы FL к тормозящей FD, то есть показатель, оценивающий, какую силу веса способно перемещать транспортное средство при преодолении силы сопротивления движению в один ньютон. Зависимости левитационного качества от скорости для существующих видов транспорта приведены на рисунке. Помимо шкал левитационного качества и скорости в виде наклонных линий дана шкала, показывающая затраты мощности на перемещение единицы массы.

Здесь видно, что на низких скоростях превалирует океанский лайнер, что традиционный железнодорожный транспорт превосходит автомобиль, что самолет берет свое на высоких скоростях, хотя и велики требования к энергопотреблению из-за низкого левитационного качества.

Любопытно отметить, что в интервале скоростей 160–480 км/ч ни один из видов современного транспорта не имеет хороших характеристик. Именно этот интервал и был заполнен в последней половине XX столетия высокоскоростным электрическим транспортом.

Высокоскоростной электрический транспорт представляет собой совокупность подвижного состава, направляющей его путевой структуры и системы электроснабжения. Подвес транспортного средства и его перемещение относительно путевой структуры со скоростью более 200 км/ч осуществляется либо системой «колесо-рельс» в сочетании с управляемым электроприводом на базе ротативных (вращающихся) электрических машин, либо магнитолевитирующей системой в сочетании с управляемым электроприводом на базе линейных двигателей. Первый из перечисленных выше видов будем в дальнейшем именовать высокоскоростным колесным транспортом (ВСКТ), а второй — высокоскоростным магнитным транспортом (ВСМТ). По таким показателям, как скорость и степень использования перспективных технологий, эти два вида транспорта можно условно расположить на двух уровнях.

На первом уровне стоят высокоскоростные колесные поезда. Их скорость — 250–300 км/ч. Это японские Shinkansen, французские TGV, германские ICE. При их создании ничего принципиально нового предложено не было, а лишь доводились до совершенства имеющиеся в железнодорожном транспорте технологии. Но по таким параметрам, как энерговооруженность, массогабаритные показатели, ходовые и энергетические характеристики, последние модели высокоскоростных колесных поездов перечисленных выше типов находятся на уровне изделий современной автомобильной и аэрокосмической промышленности. А по такому показателю, как безопасность, даже превосходит их.

Более высокий уровень занимает высокоскоростной магнитный транспорт. Его скорость — 500 км/ч. Это принципиально новый вид транспорта — фундаментальная новинка в области транспортных технологий. Новизна состоит в том, что подвес, направление и движение поезда обеспечивается здесь не взаимодействием колеса с рельсом, а бесконтактным способом — посредством магнитного поля.

Поезд серии 500 сети Shinkansen на станции в Токио

Поезд серии 700 сети Shinkansen

Поезд TGV Thalys

Высокоскоростной колесный транспорт состоит в коммерческой эксплуатации с 1964 года. За этот сравнительно короткий интервал времени он утвердился на рынке транспортных услуг таких стран, как Япония, Франция, Германия, Нидерланды, Бельгия, Швейцария, Италия, Испания, Дания, Швеция, Норвегия, Австралия. Сейчас ведутся работы по его внедрению в США, Канаде, Южной Корее, Китае. Здесь коснемся только высокоскоростных поездов Японии, Франции и Германии, так как они в полной мере характеризуют уровень развития этой транспортной технологии.

Высокоскоростные поезда Shinkansen начали курсировать между Токио и Осака, отстоящих на расстоянии 515 км, с октября 1964 года. Сейчас общая протяженность железных дорог Синкан-сен составляет более 2300 км. Термин Shinkansen был определен в мае 1970 года в опубликованном законе «О создании общенациональной сети Shinkansen следующим образом: так принято именовать железнодорожную магистраль, большую часть протяженности которой поезд в состоянии следовать со скоростью 200 км/ч. На магистрали Shinkansen в настоящее время эксплуатируются 11 типов поездов нескольких поколений. Ключевыми являются поезда серий: 0; 300; 500; Е4; 700.

Высокоскоростные пассажирские поезда TGV (аббревиатура французских слов Train a Grande Vitesse — поезд высокой скорости) эксплуатируется на железных дорогах Франции и многих стран Европы, начиная с 1981 года. За это время создано три поколения высокоскоростных поездов TGV. Все эти три поколения базировались на принятой в 1974 году концепции создания поездов постоянной составности сочлененной конструкции (то есть опирание концов смежных промежуточных вагонов на общие тележки) при локомотивной тяге с размещением тягового электрооборудования на концевых вагонах. Это дало возможность уменьшить число тележек и, как следствие, — массу состава, снизить положение центра тяжести вагонов (уровень пола вагона над УГР составил всего 0,9 м), обеспечить жесткое соединение вагонов. Такие технические решения обусловили снижение сил основного сопротивления движению (аэродинамического, сопротивления от внутреннего трения в подвижном составе, а также от взаимодействия состава и пути), и тем самым обеспечили достижение высоких скоростей. Этими мероприятиями были созданы также условия для повышения динамической устойчивости поезда, стабильности хода при высокой скорости и уменьшения динамических воздействий движущегося поезда на путь.

На поездах TGV Atlantique и TGV Reseau были установлены рекорды для железных дорог как максимальной скорости, так и средней скорости движения пассажирских составов.

Первый рекорд (скорость 515,3 км/ч) был достигнут на поезде TGV Atlantique № 325 18 мая 1990 г. в 10 ч. 06 мин. вблизи станции Вандом (166,8 км от Парижа). Серийный поезд бы/i модифицирован. Число промежуточных вагонов было сокращено с 10 до 3.

Рекорд средней скорости движения 305,5 км/ч был установлен 26 мая 2001 года поездом TGV Reseau № 531 при прохождении пути между Кале и Марселем длиной 1067,2 км за 3 часа 29 мин. 36 с.

Уже сейчас более 300 поездов TGV курсируют между столицами и крупными городами Европы. Поезда Eurostar обслуживают перевозки по тоннелю под Ла-Маншем между Францией и Бельгией с одной стороны и Великобританией — с другой. Высокоскоростной поезд Thalys связывает между собой Париж-Брюссель-Кельн-Амстердам (РВКА).

Высокоскоростные поезда Германии ICE (аббревиатура InterCity Express — междугородний экспресс) строит консорциум в составе АВВ-Henshel, AEG, Krupp, Thyssen, Krauss-Maffei и Simens.

Поезда ICE 1 и ICE 2 ввиду высокой осевой нагрузки предназначены для работ только на внутригерманских железных дорогах. Для выхода на железные дороги других стран Европы разработан поезд нового поколения ICE 3.

Поезд ICE 3 имеет два исполнения — односистемный для использования внутри Германии и четырехсистемный для международных перевозок между Германией, Францией, Австрией, Нидерландами и Бельгией.

Нисколько не умаляя значения описанных выше достижений в области создания высокоскоростных колесных поездов, следует признать, что система «колесо-рельс» имеет потолок рентабельности при скоростях более 300–350 км/ч. Наличие в этой системе механического контакта порождает на высоких скоростях проблемы (сцепление, износ, динамические нагрузки), многие из которых сегодня неразрешимы. Устранение этого препятствия мировое инженерно-техническое сообщество начало интенсивно искать в замене системы «колесо-рельс» бесконтактными системами, использующими воздушную или магнитную подушку. Воздушная подушка довольно скоро показала свою неконкурентоспособное™ из-за низких энергетических показателей и множества экологических проблем. Использование же для этих целей электромагнитного поля оказалось весьма перспективным.

Поезд TGV-Duplex

Поезд ICE-1

В настоящее время в мире имеются два типа транспортных систем на магнитном подвесе, которые практически доведены до стадии внедрения в коммерческую эксплуатацию. Это германская система Transrapid (производное от двух немецких слов Transport rapid — транспорт быстрый) и японская ML (аббревиатура английских слов Magnetic Levitation — магнитная левитация, или магнитный подвес).

Для обеих транспортных систем общим является то, что движение вагонов вдоль путевого полотна в них обеспечивается за счет использования линейного электрического синхронного двигателя.

Подвес и боковое направление вагона относительно путевого полотна в этих двух системах принципиально различаются: в Transrapid для этих целей применяется электромагнитная система, а в ML — электродинамическая.

Практическая реализация таких систем стала на сегодняшний день возможной благодаря современному состоянию таких высоких технологий, как преобразовательная и микропроцессорная техника, являющихся узловыми в системе электромагнитного подвеса, а также технической сверхпроводимости, без которой невозможно реализовать электродинамический подвес с требуемыми параметрами.

В Германии создан двухвагонный поезд на электромагнитном подвесе Transrapid, прошедший на 46 км полигона в Эмслянде полный цикл испытаний — от ходовых до приемочных. Подготовлен и рассматривается в правительстве закон о строительстве такой системы между Гамбургом и Берлином. Ведутся переговоры между Германией и США о строительстве системы Transrapid. Совместно Германией и Китаем построена и сдана в эксплуатацию 30-километровая линия Transrapid между центром Шанхая и аэропортом Пудонг.

В Японии планируется ввести первую очередь системы на электродинамическом подвесе ML между Токио и Осака параллельно действующей линии Shinkansen. Строительство первой очереди начато с ее середины между городами Оцуки и Цуру префектуры Яманаши, с тем чтобы дальнейшее строительство вести в оба направления — к Токио и Осака. В 1997 году построен двухпутный участок, длиной 18 км, где два поезда MLX (3-вагонный и 4-нагонный) успешно прошли ходовые, функциональные и ресурсные испытания. При испытаниях поездов, движущихся навстречу друг другу, достигалась относительная скорость 1003 км/ч, причем в обоих поездах находились люди.

По итогам этих испытаний весьма авторитетные комиссии пришли к заключению, что на пути внедрения магнитного транспорта в сферу коммерческих услуг сегодня нет никаких серьезных технических препятствий. Однако магнитный транспорт создается в условиях жесточайшей конкуренции на рынке транспортных услуг. Здесь на первый план выходят уже не технические, а экономические, или даже скорее — политические соображения, обусловленные попытками предугадать будущее проблемы, чтобы не оказаться в плену слишком дорогой программы. Поэтому предсказать, как в дальнейшем здесь будет развиваться ситуация, чрезвычайно сложно.

Поезд ICE-3

Поезд на электромагнитном подвесе Transrapid

Несмотря на то, что в настоящее время применение такого транспорта в Украине из-за сложившейся экономической ситуации в стране и в смежных с ней регионах и странах вряд ли может быть реализовано, научно-техническая информация о нем важна, исходя, по меньшей мере, из двух обстоятельств.

Первое связано с перспективой использования такого транспорта. Дело в том, что рано или поздно подобный вид транспорта, так или иначе, займет свое место на рынке транспортных услуг Украины, как сейчас это имеет место в нашей стране со всеми известными в мировой практике транспортными системами, поименованными на графике выше. С позиций критерия дальности поездок, в соответствии с которым по условиям утомляемости пассажира время нахождения в пути не должно превышать 4 часа, на высокоскоростном электрическом транспорте при скорости 200–500 км/ч можно проехать 800-2000 км. Очевидно, что такой транспорт может быть использован в Украине и как внутригосударственный, и как транзитный, межгосударственный в транспортных коридорах «север-юг» и «запад-восток». Поэтому инженерный корпус должен быть подготовлен к восприятию таких перспективных технологий, если пока еще не в плане их создания, то хотя бы в плане их эксплуатации.

Второе обстоятельство связано с влиянием конструкторско-технологических решений, принимаемых при создании высокоскоростного электрического транспорта, на модернизацию и развитие традиционного рельсового транспорта. Дело в том, что высокоскоростной колесный и магнитный транспорт имеют много общего. Здесь, прежде всего, следует обратить внимание на скорости, при которых по поверхности земли в направляющих структурах перемещаются транспортные средства — 200–500 км/ч. Существенное влияние на потребляемую при таких скоростях энергию оказывает аэродинамическое сопротивление. Поэтому форма, массогабаритные параметры, компоновочная схема как отдельных вагонов, так и подвижного состава в целом, выполняются такими, чтобы свести к минимуму затраты энергии на создание тяги. В связи с воздействием на подвижной состав при таких скоростях существенных динамических нагрузок, кузова вагонов должны быть максимально облегченными и в то же время прочными. Понимание этого раздвигает наше представление о возможностях и путях развития традиционного рельсового транспорта, а также способствует накоплению конструкторско-технологического опыта по созданию его отдельных узлов и систем.

Медицина будущего

Гурьев В. С.

Учитывая то, что журнал научно-популярный и предназначен для читающей молодежи, предлагаемый материал будет изложен в так сказать “облегченном” виде, так как представление его в чисто научном изложении сделает его неудобочитаемым.

Медицина — система научных знаний и практических мер, объединяемых целью распознавания, лечения и предупреждения болезней, сохранения и укрепления здоровья и трудоспособности людей, продления жизни. Состояние медицины всегда определялось степенью социально-экономического развития общества, достижениями естествознания и техники, общим уровнем культуры.

Медицина как комплекс научных дисциплин состоит из трех групп:

1. Медико-биологические дисциплины

2. Клинические дисциплины

3. Медико-социальные и гигиенические дисциплины

Медико-биологические дисциплины выходят за рамки медицины и являются лишь частью соответствующих биологических наук.

Клинические дисциплины, изучающие болезни человека, их лечение и предупреждение — это именно медицина в обывательском понимании.

Группа медико-социальных и гигиенических дисциплин изучает воздействие внешней среды на организм и меры улучшения здоровья.

Приведенное деление медицины условно.

Техника (от греч. techne — искусство, мастерство, умение) — это совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводительных потребностей общества. В технике материализованы знания и опыт, накопленные человечеством в ходе общественного развития.

Прочитайте все это, заменив слова «техника» на «медицина» и «производства» на «лечение». Я все это веду к тому, что настоящее состояние медицины трудно назвать наукой — читай Пуанкаре. Современная медицина всего лишь нагромождение фактов, не имеющих пока объединяющей базы. И представляет собой скорее искусство, мастерство, умение врача. О том же говорит тот факт, что, обследовав одного пациента, пять врачей поставят пять различных диагнозов и, соответственно, назначат разное лечение одного и того же организма. К сожалению, в медицине влияние субъективного фактора огромно.

«Трагической задачей медицины все еще остается то, что ей приходится действовать, не располагая достаточными данными», — сказал Клод Бернар.

Мне представляется единственным выходом из создавшегося положения, создание медицины будущего на основе концепции единого энерго-информационного поля всего сущего. И тогда все становится на свои места. Как это я предлагаю осуществить, станет ясно из дальнейшего изложения, тем более, что нечто подобное, я уже излагаю в течение последних 7–8 лет. А первая официальная информация опубликована в 2003 году в журнале «Ветеринарная медицина Украины» № 7.

Чтобы зримо представить ход рассуждений возьмем астрофизику. Астрофизики взяв звезду, расположенную на расстоянии сотен световых лет, снимают ее спектр и разложив его, на составляющие его спектры, по нахождению спектров водорода, кислорода, кремния и т. п. делают вывод о наличии этих элементов в составе звезды, и это является объективной научной информацией.

Этот же принцип положен в основу моих рассуждений. Если мы получим спектр пациента, в котором и заложена вся информация о состоянии организма, то, разложив его на составляющие его спектры, будем иметь информацию, являющуюся объективной.

Поскольку человек является творением природы, то должен находиться в гармонии с ней, постоянно пребывающей в движении и изменении. Вся Вселенная насыщена жизненной энергией, и человек является частью ее энергетической структуры. Свободное течение энергии означает здоровье, целостность, радость бытия. Ее блокирование вызывает болезнь и неполноценность жизни (Вернадский, Казначеев). Энергия выступает регулятором физических процессов.

Спектральный портрет человека есть сумма множества составляющих его спектров

Корреляционная связь между нарушениями функций организма и патологией его клеток: спектры излучений собственных клеток в норме (а), спектры излучений собственных клеток в патологии (б)

Не трудно предположить, что каждый объект во Вселенной обладает определенной, только ему свойственной характеристикой, отличающей его от окружающих объектов. К 2000 году академик РАМН Казначеев сформулировал эту «определяющюю сущность» объекта характеристику как «энергоинформационое поле» объекта. Я, для удобства понимания, называю эту характеристику «спектральный портрет» объекта. Для людей знакомых с эзотерикой — это не что иное, как пресловутая «аура», воспринимать которую так тяжело ортодоксальным медикам.

Кстати, современное медицинское образование находится на совершенно бесперспективном направлении, исповедуя крайнюю степень специализации медиков. Конечно, 30–40 лет назад объем эмпирических медицинских знаний настолько возрос, что содержать их в одной голове практически невозможно. Именно тогда специализация медиков казалась выходом из создавшегося положения. Но результат этого решения, уже к концу XX века, показал полную несостоятельность подобного подхода к медицине. Современные медики разучились представлять организм человека как единую взаимозависимую систему, и, имея представления лишь о патологии систем (пищеварительной, эндокринной и т. д.), или же отдельных органов, которые являются объектом их специализации, с трудом находят взаимозависимость систем в любой патологии. Увлечение бактериологией, например, имело теневую сторону, что проявилось в монокаузализме — направлении врачебного мышления, резко переоценивающего роль бактериальных возбудителей в этиологии и патогенезе заболеваний и поэтому постоянно входившем в противоречия с медицинской практикой.

Выход из создавшегося положения представился с появлением компьютерных технологий. Объем информации заложенной в обычный ноутбук позволит любом врачу, соответствующим образом обученному, обладать информацией по любому разделу медицины. Можно сказать, что в компьютер можно вместить всю информацию о современной медицине.

Когда в 1987 году Гленн Реннельс и Эдвард Шортлиф писали о том, что в будущем компьютеры станут столь же привычными в медицинской практике как стетоскоп, никто не предполагал, что это произойдет так быстро. Сейчас в высокоразвитых странах идет речь уже о медицинской рабочей компьютерной станции, которая позволяет получить прямо в кабинет врача данные анализов, истории болезни, информацию из медицинских библиотек, а также связаться с любым из необходимых коллег-специалистов по тому или иному вопросу и т. д.

Еще в середине 90-х годов XX века были выделены две компьютерные медицинские системы: а) коммуникационная, б) консультационная. Из их названий ясна их суть, поэтому не буду на них останавливаться.

Я еще с 2001 года пытаюсь завершить компьютеризацию медицины созданием чисто медицинской компьютерной системы — курационной (curacio — ведение больного), которая помогает специалисту поставить диагноз, подобрать и осуществить профилактические и лечебные мероприятия относительно выявленных патологических процессов. То есть — помогает вести больного с момента его первого контакта с врачом и до момента выздоровления.

Идеальный вариант — это диспансерное наблюдение за состоянием здорового человека в течение всей его жизни, что позволит своевременно выявлять и корректировать различные патологические процессы в момент их зарождения. Проще говоря, каждый человек, обращаясь в кабинет энергоинформационной медицины периодически (так же как он посещает парикмахерскую), получит возможность не только своевременно выявить возникшую в организме патологию, но и тут же избавиться от нее путем коррекции патологического спектра.

Так вот появление разработки этой сугубо медицинской компьютерной системы и является тем, что я называю — медициной будущего.

Приступаю к описанию предлагаемого метода. Как это уже сейчас осуществляется на практике.

Необходимо оборудование, позволяющее осуществлять запись — спектрального портрета объекта — аппаратно-программный компьютерный комплекс.

С его помощью создается банк спектров:

— возбудителей болезней (от вирусов и до многоклеточных паразитов);

— патологий различной нозологической принадлежности;

— фармакологических средств аллопатии;

— лекарственных средств гомеопатии, фитотерапии и т. п..

Имея вышеперечисленное, мы можем, используя лишь возможности энерго-информационной медицины, контролировать и корректировать состояние организма пациента во всех его проявлениях, в любой момент его жизнедеятельности.

Зафиксировав спектральный портрет пациента, мы проводим его через базу данных компьютера. Компьютер проводит диагностику патологий (что является самым сложным в практической медицине), выявленных в спектральном портрете пациента, относительно всех спектров входящих в базу данного компьютера. Дело в том, что спектральный портрет любого объекта — есть сумма бесчисленного множества составляющих его спектров.

Самое интересное, что когда несколько лет назад я говорил о возможности зафиксировать спектральный портрет вируса, бактерии или гельминта, почти все слушатели очень удивлялись. Мне же казалось это совершенно естественным, так как все возбудители заболеваний являются материальными объектами. Меня поразило, что можно зафиксировать патологический процесс. И только позже я понял, что мы фиксируем не сам процесс, а организм, пораженный патологическим процессом, как материальный объект. А то, что любой другой организм с той же патологией будет соответствовать ранее зафиксированному спектру — это аксиома. Именно это и является основой диагностики состояний организма.

Теперь о коррекции состояний организма. Мы применили термин «коррекция», потому что для многих медиков не понятно, как какой-то прибор может поставить диагноз и провести лечение, в случае выявления патологии. Это объясняется следующим образом. Зафиксировав патологический процесс, как материальный объект в виде спектра, мы имеем возможность с помощью компьютера, работать с ним. Спектр можно увеличивать, уменьшать, сжимать, растягивать, разворачивать в разных направлениях — инвертировать, в общем, работать с ним. Затем, отпуская необходимый спектр пациенту, вызывать в организме соответствующие изменения патологического процесса, соответствующего этому спектру. Волны спектра патологии, испускаемые, больным организмом, вступая в явления резонанса с волнами спектра отпускаемые прибором во время процедуры, ослабляются* и в организме происходит процесс лечения этой патологии. Так просто, скажет наш читатель. Да все гениальное просто. «Очевидное — это то, чего никогда не видишь, пока кто-нибудь не сформулирует это достаточно просто», — К. Гибран. На самом деле, конечно, это не просто, все решит техническое решение проблемы съема спектрального портрета пациента.

Сейчас во всем мире среди врачей и людей, не имеющих прямого отношения к врачебной специальности, идет процесс изменения отношения к традиционным концепциям медицины и лечения. До сих пор традиционная медицина реагировала на эти изменения общественного сознания чрезвычайно медленно и неохотно.

На стыке наук создаются новые медицинские направления. Среди них — энергоинформационные способы и приборы для диагностики, лечения и профилактики и, в частности — спектральная динамическая диагностика и компенсаторная коррекция. Из кибернетики, в частности кибернетического закона функциональных циклов, следует правило, согласно которому все физические, физиологические и психические процессы при всем их разнообразии взаимосвязаны и подчиняются единым законам. Поэтому заболевание нужно рассматривать как следствие нарушений (некий сбой) в работе информационных механизмов и устройств обратных связей.

Хотелось бы отметить, что медицина и ветеринария являются специализированными системами, проявляющими очевидное стремление к глобализации. И в недалеком будущем различные медицинские системы объединятся. Медицинские специалисты уже в настоящее время используют, кроме классических подходов, также и различные, так называемые, нетрадиционные, а в нашем представлении — наиболее традиционные системы народной медицины, сформированные в течение тысячелетий.

Сегодня произошел настоящий разрыв единой системы врачевания человечества на медицину и ветеринарию. Пришло время «собирать камни», то есть максимально скоординировать, а по возможности и объединить медицину и ветеринарию в единую систему. Наши программы разрабатываются, как единые для гуманной и ветеринарной медицины.

Схема работы комплекса спектральной коррекции: спектральный портрет объекта исследования комплекс получает через сенсорный или контактный датчик. Система анализа анализирует спектр и сравнивает его с базой данных симптомов и заболеваний.

Что же практически можно осуществлять в медицине, используя предлагаемую технологию:

— выявлять патологию в организме, включая, ее этиологию и локализацию;

— выявлять возбудителей заболевания и точную область их локализации;

— производить подбор необходимых лечебных препаратов или целевых биокорректоров, пищевых добавок, трав, различных видов диет и методик лечения в строгом соответствии с индивидуальными особенностями организма каждого пациента;

— проверять эффективность подобранного препарата (биокорректора), рекомендовать конкретному пациенту оптимальные дозировки и методику применения препаратов;

— сокращать количество назначаемых фармакологических препаратов с перспективой их полной отмены;

— выявлять и нейтрализовать вредоносные объекты в организме в т. ч. яды, токсины, психотропные вещества, инфекции;

— снимать напряжение и купировать болевые синдромы;

— определять чувствительность человеческой микрофлоры к медикаментозным средствам;

— эффективно оценивать влияние различных видов диет, медикаментов, бытовой химии, стройматериалов и средств агрохимии;

— производить качественную экспертизу пищевых продуктов и добавок, медикаментов, органических и неорганических материалов;

Основные характеристики метода и приборов (медицинских аппаратно-программных компьютерных комплексов — МАПКК), для его реализации:

— безвредность (безопасность) метода для пациента и лечащего врача;

— отсутствие противопоказаний и побочных эффектов;

— бесконтактность — датчик электрода воспринимает сигнал как при непосредственном контакте с телом пациента, так и на расстоянии до 25 см от объекта;

— скорость — время обследования/диагностика занимает 3 секунды;

— амбулаторность метода лечения;

— безмедикаментозность лечения;

— высокая результативность лечения, включающего в себя принципы, как традиционной медицины, так и народной;

— прогнозирование патологических состояний на доклинической стадии;

— снятие и автоматический анализ характеристик тестируемых объектов;

— диагностика заболеваний любой сложности и локализации;

— компенсаторная коррекция организма — процесс устранения хаоса в организме и восстановление энергетики пораженных клеток;

— формирование спектрального «портрета» любого исследуемого объекта, будь то «простое» неорганическое вещество или живой организм;

— устранение, как причины, так и последствий заболевания;

— инертность — прибор фиксирует естественные излучения организма пациента (аналогично приборам для снятия ЭКГ). Также пациенту, не нужно прилагать каких — либо усилий для проведения диагностики и лечения;

— минимизация затрат энергии, комплектующих и сроков окупаемости прибора, а также высокий коэффициент отдачи;

— простота в эксплуатации и высокая эффективность, максимальная индивидуализация;

— экономия денежных средств на лабораторные исследования и закупку лекарственных препаратов;

— компактность — небольшие размеры и вес прибора позволяют легко транспортировать его и использовать в любой точке земного шара (в любых труднодоступных местах) и при любых климатических погодных условиях.

Сфера применения медицинских аппаратно-программных компьютерных комплексов:

— государственные и частные медицинские учреждения;

— различные санитарно-эпидемиологические службы;

— ветеринария и сельское хозяйство;

— фармакологическая, пищевая, парфюмерная, химическая, атомная, металлургическая и другие отрасли промышленности;

— структуры служб безопасности на объектах обслуживания;

— геология и геодезия;

— терминалы аэропортов и вокзалы (для выявления возможно заболевших лиц, прибывших из опасных зон/стран, в которых наблюдается эпидемия того или иного экзотического заболевания);

— для выявления несоответствия предметов и товаров, указанных в декларации (таможня);

— в проведении научно-исследовательских работ с различными веществами и материалами;

— криминалистические экспертизы в системе органов МВД;

— системы контроля и учета в сфере экологии и природоохранной деятельности (контакты с опасными отходами и вредными веществами при их транспортировке и захоронении); контроль здоровья различных слоев населения;

— медицина катастроф (экстремальная медицина);

— аэрокосмическая медицина (наблюдение за состоянием здоровья (диагностика) летного состава, космонавтов), диспетчерские и операторские пункты управления воздушным движением, АЭС, ж/д и др.;

— спортивная медицина;

Кроме научных проблем, перед современной медициной острее, чем когда либо, стоят этические проблемы, касающиеся взаимоотношения врача и больного. Не всякий пациент охотно соглашается на отдельные виды диагностических манипуляций. Особо это касается мусульманского мира, где социальные условности порой препятствуют обследованию и лечению больных, особенно если врач и пациент разного пола. В этих случаях применение предлагаемого метода наиболее очевидно, так как исключает прямой контакт врача с пациентом.

Заканчивая изложение, хочу сказать: мы в начале пути, но медицина в любом случае будет развиваться в направлении, изложенном в данной статье.

* * *

Кровь и рак

В. Прозоровский, доктор медицинских наук

В 1628 году английский врач Уильям Гарвей открыл кровообращение, а спустя некоторое время, в 1661 году, итальянский медик Марчелло Мальпиги — мельчайшие сосудики, капилляры, соединяющие артерии и вены у животных и человека. Сегодня наука о сердечно-сосудистой системе, ее функциях, заболеваниях — одна из ключевых в медицине, однако лишь недавно, в конце XX века, ученым пришло в голову, что кровеносные сосуды играют важную роль и в опухолевом росте. Теперь уже никто из медиков не сомневается, что раковая опухоль не может расти без постоянно образующихся вокруг нее новых сосудов.

На протяжении жизни в организме взрослого здорового человека новые кровеносные сосуды и капилляры обычно не образуются. Но после ушиба, пореза, инсульта, ранения и любого другого разрушительного воздействия необходимо восстановить кровоснабжение поврежденных тканей. Вот тогда в организме и «запускается» естественный процесс формирования новых сосудов, называемый ангиогенезом. Во время ангиогенеза эндотелиальные клетки, из которых состоят внутренние стенки сосудов, начинают интенсивно размножаться, и образовавшиеся новые каппиляры прорастают в поврежденные ткани. В организме женщины кровеносные сосуды образуются еще и во время месячного репродуктивного цикла и при беременности.

Хотя post factum, многое представляется само собой разумеющимся, но прошло немало лет, прежде чем медики догадались, что для интенсивного размножения опухолевых клеток нужны кислород и питательные вещества, поэтому быстрорастущая злокачественная опухоль требует крови больше, чем, скажем, липома, доброкачественная опухоль из жировой ткани. А значит, по мере развития раковая опухоль должна прорастать новыми кровеносными сосудами.

В 1971 году появилась статья американского хирурга Джуды Фолкмана, в которой впервые было высказано предположение, что рост опухолей, превышающих в диаметре несколько миллиметров, возможен только в случае формирования и прорастания в них мелких капилляров. В 1982 году американские ученые Ваупель, Каллиновски и Окуниефф показали, что во всех злокачественных опухолях действительно идет интенсивное новообразование сосудов. Верно и обратное — если образование новых сосудов прекращается, то дальнейший рост опухоли становится невозможен.

Оказывается, некоторые ткани организма, да и сами быстрорастущие опухолевые клетки, вырабатывают белковые молекулы, стимулирующие прорастание кровеносных капилляров. Такие молекулы называют факторами роста. Самый важный из них — фактор роста эндотелия сосудов (ФРЭС), более известный под английским названием «vascular endothelial growth factor (VEGF)», — выделил в 1989 году французский медик Наполеон Феррара. Сегодня специалистам известна структура гена, отвечающего за синтез этого вещества, а концентрация ФРЭС в опухоли служит диагностическим показателем скорости ее роста (злокачественности). За прошедшие с тех пор почти два десятка лет ученые открыли множество (около 20) сигнальных молекул, стимулирующих образование новых сосудов.

Эндотелиальные клетки выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. Они жестко связаны между собой и с оболочкой сосуда, которая служит им подложкой

Молекулы факторов роста, в том числе и ФРЭС, связываются на поверхности эндотелиальных клеток, составляющих внутреннюю оболочку сосудов, со специальными белковыми структурами — рецепторами. Рецепторы проявляются под влиянием веществ, которые вырабатывает злокачественная опухоль. На нормальных клетках эндотелия в здоровом организме таких рецепторов нет. Как только молекула ФРЭС связалась с рецептором, инициируется целый каскад биохимических событий: клетки эндотелия начинают интенсивно делиться и «запускают» синтез ферментов — металлопротеаз, которые расщепляют обволакивающий эндотелий внеклеточный матрикс и оболочку сосудов. В образовавшиеся «дырки» эндотелиальные клетки выходят наружу и мигрируют по направлению к опухоли.

Ферменты — металлопротеазы, переваривающие белки, как бы «расплавляют» ткани перед прорастающими сосудами, помогая им продвигаться к цели. Как только кровеносный капилляр окончательно сформировался, активность протеаз падает и ткань вокруг нового сосуда снова «затвердевает». Особенность металлопротеаз состоит в том, что в их активном центре находится атом цинка. Этим опухолевые ферменты отличаются от большинства других природных ферментов, расщепляющих белки, например желудочного пепсина или трипсина поджелудочной железы. Таким образом, ФРЭС и другие факторы роста, взаимодействуя с рецепторами, стимулируют не только рост, но и формирование и продвижение капилляров в глубь опухоли.

Злокачественной опухоли для роста требуются кислород и питательные вещества Клетки опухоли начинают производить белковые молекулы — фактор роста эндотелия сосудов (ФРЭС), которые способствуют росту новых сосудов и капилляров, доставляющих в опухоль необходимое «топливо» Прорастание новых сосудов вокруг опухоли стимулирует ее рост, а также способствует попаданию раковых клеток в кровяное русло с последующим развитием вторичных опухолей — метастазов

Факторы роста совершенно необходимы здоровому организму для восстановления кровотока при различных повреждениях, но их избыток может стать роковым для онкологического больного. Повышение синтеза ФРЭС стимулирует метастазирование опухолей — под воздействием этого вещества раковые клетки выходят в кровяное русло и распространяются по всему организму. С другой стороны, ФРЭС играет и положительную роль — прорастающие в опухоли сосуды формируют в ней своеобразный мягкий скелет, который удерживает клетки на месте, не давая им метастазировать.

Кстати, при недостатке кислорода выработка ФРЭС и других факторов роста усиливается — ведь организму нужно скомпенсировать гипоксию увеличением кровотока. Отсюда можно сделать вывод об увеличении риска онкологических заболеваний при снижении концентрации кислорода в воздухе из-за уничтожения зеленых насаждений, загрязнения окружающей среды и т. д. Также доказано, что молекулы, вырабатывающиеся в организме человека при стрессе, одновременно стимулируют синтез ФРЭС. Этот факт наводит на мысли о пагубной роли нервного напряжения в возникновении раковых опухолей.

По счастью, помимо молекул, способствующих прорастанию опухоли сосудами, в организме синтезируются и собственные факторы, препятствующие росту сосудов (ингибиторы). В здоровом организме существует баланс между активаторами и ингибиторами роста новых кровеносных сосудов. При многих серьезных заболеваниях организм как бы теряет контроль над поддержанием этого равновесия. Смещение равновесия в сторону избыточного формирования новых сосудов происходит при онкологических заболеваниях, диабете, ревматоидном артрите и т. д. При таких опасных недугах, как заболевания коронарных артерий, инсульт, напротив, скорость роста новых сосудов явно ниже нормы.

Первым известным природным веществом, тормозящим рост новых сосудов, стал гликопротеин тромбоспондин, вырабатываемый различными клетками, в том числе и клетками стенок кровеносных сосудов. Тромбоспондин тормозит размножение и прикрепляемость эндотелиальных клеток, сдерживая таким путем рост капилляров.

Клиницистам-онкологам давно известно, что первичная опухоль сдерживает рост метастазов. Эффективное подавление или хирургическое удаление первичной опухоли ведет к бурному росту опухолей вторичных. Причина этого явления оставалась неизвестной, пока первооткрыватель роли ангиогенеза в опухолевом росте Фолкман не высказал предположение, что первичная опухоль выделяет какое-то вещество, сдерживающее прорастание сосудов в своих «детках», не давая метастазам расти. Гипотеза блестяще подтвердилась. В 1994 году американец Майкл О’Рейли выделил из мочи мышей с привитой карциномой вещество, которое подавляло рост капилляров. Оно представляет собой фрагмент молекулы содержащегося в крови белка плазминогена. Соединение назвали «ангиостатином» (стабилизирующим сосуды). Оказалось, что при удалении первичной опухоли фактор, сдерживающий рост метастазов, исчезает. В результате вторичные опухоли начинают быстро прорастать новыми сосудами и развиваться. В 1997 году тот же О’Рейли при исследовании культуры клеток злокачественной опухоли гемангиоэндотелиомы выделил еще один мощный блокатор формирования кровеносных сосудов — эндостатин. Это вещество является частью молекулы полипептида коллагена. Эндостатин активирует программируемую гибель эндотелиальных клеток и, вероятно, тормозит процесс их активации, размножения и миграции.

Помимо тромбоспондина, ангиостатина и эндостатина в органах и тканях животных исследователи обнаружили множество веществ, которые подавляют рост капилляров. К таким веществам относятся некоторые гормоны, фрагменты гепарина и др. Из известных природных ингибиторов можно назвать интерфероны, которые, кстати, борются и с вирусами. Однако, как названные вещества, так и многие другие свойственные организму продукты обмена веществ обладают многофункциональным действием и из-за побочных эффектов не могут быть использованы в качестве лекарственных препаратов. Тем не менее интерес ученых к этой группе соединений не ослабевает.

Долгое время противораковая терапия была направлена лишь на подавление роста опухолевых клеток и усиление иммунного ответа. Сейчас уже ясно, что без формирования новых сосудов не может быть роста злокачественных опухолей. Лишенные возможности стимулировать образование новых капилляров, первичные и метастатические опухоли перестают расти. Поэтому появился новый класс ангиостатиков, то есть лекарств, тормозящих прорастание новых кровеносных сосудов. Такие соединения очень перспективны для борьбы со злокачественными опухолями на любой стадии их развития. Более того, существующие сейчас препараты эффективны по отношению к определенным опухолям, а блокаторы роста сосудов могут стать универсальным средством противораковой терапии, причем тем более эффективными, чем злокачественнее опухоль. Естественно, что первоначально при поиске блокаторов ангиогенеза предпочтение исследователей было отдано природным веществам, присущим организму, поскольку они, как принято считать, не вызывают побочных эффектов. Применение природного ингибитора ангиостатина у животных резко подавляло рост таких опухолей, как меланома, гемангиома, карциномы различной локализации, фибросаркома и др. Ангиостатин переводит опухоль сначала в «сонное» состояние, а затем активирует в ней «клеточное самоубийство» — апоптоз. Особенно эффективно применение ангиостатина в сочетании с обычно используемыми химиотерапевтическими средствами. Введение препаратов сразу после операции существенно снижает риск метастазирования.

На фотографии показано, как природный ангиостатический препарат фумагилдин предотвращает развитие новых кровеносных сосудов на препарате ткани цыпленка (Б). А — контрольный образец

По противоопухолевой активности другой природный ингибитор — эндостатин — сильнее, чем ангиостатин. Уже в малых дозах он предотвращает метастазирование крупных опухолей, а в больших — оказывает мощное тормозящее действие на рост первичных опухолей, таких, как карциномы, саркомы и меланома, вызывая в некоторых случаях их полную гибель. Очевидно, после разработки методов получения ангиостатина и эндостатина в промышленных масштабах эти препараты получат широкое клиническое применение, поскольку существенных побочных реакций при их использовании даже в больших дозах пока не выявлено.

Впрочем, история фармации знает массу примеров, когда вещества, рожденные в пробирке по образу и подобию природных, оказывались и более эффективными, и более безопасными. Если взглянуть назад, то нетрудно убедиться в том, что биологическая и синтетическая химия всегда жили в тесном содружестве. При создании новых лекарственных препаратов ученые работают в трех направлениях: а) получение новых веществ на основе знания молекулярных процессов, в которые требуется вмешаться; б) создание аналогов природных веществ, уже зарекомендовавших себя в клинике; в) скрининг («просеивание через сито») множества веществ, которые просто завалялись на полке и вроде бы должны действовать. Примеры новых ангиостатиков хорошо иллюстрируют эту схему.

Первый класс веществ, которые сейчас испытываются в качестве противоопухолевых препаратов, — соединения, непосредственно блокирующие рост эндотелиальных клеток. К этой категории веществ относится уже упомянутый природный белок эндостатин. Его синтетический аналог комбрестатин А4 — химическая модификация соединения, содержащегося в древесине южноафриканского дерева Combretum caffrum, — проходит клинические испытания. Препарат также проявляет способность подавлять размножение клеток сосудов, стимулируя клеточный апоптоз. В настоящее время большое внимание уделяется созданию веществ, блокирующих размножение уже активированных клеток эндотелия. Из них наиболее удачным по активности и малой токсичности является синтетический препарат TNP-470, прошедший клинические испытания при раке почек, шейки матки и саркоме Капоши.

Американский хирург Джуда Фолкман более 30 лет назад впервые высказал гипотезу о том, что если каким-либо способом прекратить рост сосудов, питающих опухоль, то ее дальнейшее развитие и метастазирование прекратятся

Ко второй группе препаратов, тормозящих рост сосудов, относятся природные или синтетические вещества, так или иначе блокирующие передачу сигнала на рецепторы факторов роста. Как уже было сказано, ФРЭС взаимодействует с эндотелиальными клетками посредством специальных белковых структур — рецепторов. Клетки здорового организма к этим веществам — блокаторам рецепторов нечувствительны. Клинические испытания проходят препараты антител к ФРЭС, которые эффективно блокируют рецепторы ФРЭС, не давая молекуле фактора роста запустить биохимический каскад, приводящий к прорастанию новых сосудов. Уже понятно, что лекарственные препараты на основе антител замедляют опухолевый рост и продлевают жизнь пациентам. Фактически антитела к ФРЭС — пока единственное антиангиогенное лекарство, уже появившееся на мировом фармацевтическом рынке. Ученые также синтезировали несколько молекул — аналогов ФРЭС, блокирующих рецепторы. Эти вещества тестируются в онкологических клиниках.

На стадии клинических испытаний находится и печально известный препарат талидомид. Почти полвека тому назад он применялся в качестве снотворного, но вызывал уродства плода у беременных женщин. Как случайно выяснилось впоследствии, это было связано с нарушением образования необходимых для роста плода сосудов, хотя механизм действия соединения так и остался до конца не выясненным. Талидомид оказался эффективным при лечении больных миеломой, раком простаты и легких, саркомой и ганглиобластомой.

К третьей группе веществ, подавляющих прорастание сосудов, а следовательно, и рост опухоли, относятся блокаторы (ингибиторы) активности опухолевых ферментов — металлопротеаз, которые разрушают внеклеточный матрикс и оболочку сосуда, давая клеткам эндотелия возможность мигрировать в сторону опухоли. В недавнее время созданы вещества, которые блокируют ионы металлов, входящих в активный центр ферментов, выводя ферменты опухоли из строя и тем лишая ее способности расти. Разработка препаратов такого типа действия: приномастата, маримастата и COL-3, — находится на стадии клинических испытаний.

Главное достоинство новых препаратов по сравнению с применяемыми в настоящее время состоит в том, что они не подавляют размножение других быстрорастущих клеток, например клеток кишечника и крови, но действуют избирательно на опухоли, причем именно злокачественные. Имеет значение и их относительная универсальность. Вещества, подавляющие рост сосудов опухоли, приходят если не на смену, то, во всяком случае, на серьезную помощь известным химиотерапевтическим средствам. На сегодняшний день уже более десяти тысяч пациентов прошли курсы лечения ангиостатиками. Но, по-прежнему, многие вопросы остаются без ответа — каких побочных эффектов можно ждать от антиангиогенной терапии, как долго может продолжаться курс лечения и не найдут ли опухолевые клетки какой-либо обходной путь, чтобы «опутать себя» кровеносными сосудами? Ответ на них — лишь вопрос времени.