Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Каждому из нас доводилось совершать досадные ошибки при письме, когда случайная замена в слове одной-единственной буквы (например, «О» на «И» в слове «кот») приводила к появлению принципиально иного смысла, а следовательно, и иного предмета, обозначаемого этим словом. К сожалению, в природе не происходит столь чудесных превращений котов в китов и т. п. На протяжении столетий люди вели скрещивание самых разных животных в надежде получить необычное потомство. Иногда это удавалось. Так появились, к примеру, лошаки и мулы, которые, однако, оказались бесплодны. Полноценное живое существо искусственно вывести не получалось, поскольку тому препятствовали законы наследственности. Со временем стало очевидно, что манипулировать жизнью возможно лишь при условии, что эти законы будут раскрыты.

Открытие кода ДНК

Итак, наследственность записана в каком-то виде, и эта запись скрыта внутри организма. Но что она собой представляет, оставалось для ученых загадкой. Путь к исследованию природы столь сложного явления был долог и сопровождался интереснейшими открытиями.

Во второй половине XVII в. английский ботаник P. Гук, впервые применивший микроскоп для исследования растительных и животных тканей, с удивлением обнаружил, что они сложены загадочными образованиями. Последние напоминали многочисленные пустоты, своеобразные ячейки, которые Гук окрестил клетками.

В дальнейшем удалось установить, что клетки не являются полостями, но содержат в себе жидкость и мельчайшие структурные элементы — органоиды. В 1838–1839 гг. в результате глубоких исследований клеток ботаник М. Шлейден и физиолог Т. Шванн создали клеточную теорию — учение о клеточном строении организмов. Ученые провозгласили, что все живые существа состоят из клеток. Все, что происходит внутри организма микроба, растения или животного, является результатом работы клеток. Вот только микробы состоят из одной-единственной клетки, а большинство растений и животных многоклеточные.

«Ячейки» растут, делятся, преобразуют питательные вещества в энергию, порождают движение, участвуют самым непосредственным образом в размножении. Из половых клеток рождаются новые существа, которые растут и развиваются по тем же законам. Биолог P. Вирхов добавил к этим утверждениям еще один принцип: всякое существо происходит из клетки, неклеточная жизнь невозможна. Сегодня ученые открыли тысячи неклеточных форм живой материи — вирусов и вироидов, однако эти создания способны к жизнедеятельности и размножению только внутри клеточной среды.

Постепенно стало очевидным, что носителем наследственности выступает либо сама клетка, либо ее часть. И только в первой половине XX столетия американскому ученому Моргану в результате длительного наблюдения за делением клеток удалось доказать, что носителями наследственности являются особые элементы клеточного ядра, т. н. хромосомы. В каждой клетке человека, за исключением половых (гамет), содержится по 46 хромосом.

В гаметах хромосом в 2 раза меньше, поскольку зачатие нового человека происходит при слиянии женской яйцеклетки и мужского сперматозоида, когда объединяются до целого половинчатые хромосомные наборы. Такие наборы названы учеными кариотипами. Кариотипы разных растений и животных сильно отличаются по числу хромосом и их размерам. Оттого скрещивание между существами с различными кариотипами в большинстве случаев или невозможно, или оно дает неполноценных гибридов. Так, у собаки имеется 78 хромосом, у шимпанзе — 48, у плодовой мушки — всего 8, у кукурузы — 20.

Облик и строение каждого существа определяются особенностями кариотипа. Хотя хромосомы одного вида одинаковы, они содержат в себе разные вариации генов. Ген — единица вещества наследственности, отвечающая за определенный признак или конкретную функцию организма. Количеству генов соответствует количество признаков и функций. Вот почему люди, имеющие одинаковые кариотипы, различаются по цвету глаз, волос, кожи, комплекции, форме лица, дактилоскопическому рисунку на пальцах и прочим признакам.

В 1953 г. состоялось долгожданное открытие. Ученые Ф. Крик и Д. Уотсон сумели проникнуть внутрь хромосом и извлечь из них вещество наследственности. Им оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК. Несмотря на свое название, ДНК не имеет ничего общего с обычными кислотами, а представляет собой жидкий кристалл, отдаленно похожий на те, что применяются в индикаторах электронных часов. Молекула ДНК представляет собой невероятно длинную цепочку, сложенную двумя спиралями из сахара и фосфора. Каждая спираль напоминает контур винтовой лестницы.

Обе спирали оборачиваются одна вокруг другой и объединяются с помощью химических «мостов», в качестве которых выступают аденин, гуанин, тиамин и цитозин (А, Г, Т, Ц). Последовательность четырех перечисленных веществ уникальна, она несет в себе закодированную информацию о синтезе белков и прочих клеточных веществ. Отдельный блок такой информации, т. е. смысловой отрезок ДНК, является единичным геном.

Когда этот ген включается, клетки начинают производить определенные белки, что приводит к запрограммированным биологическим процессам. ДНК служит матрицей для производства веществ, обеспечивающих протекание различных процессов в организме и само существование организма. Записать формулу гена можно как АГЦ-ТТА-ЦТГ-… и т. д., т. е. в виде любой кодирующей последовательности.

Расположение информации на молекуле нуклеиновой кислоты имеет следующий вид: САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ОДИН («формула») — САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ДВА. Под сайтом понимается участок узнавания, по которому организм отличает одну запись от другой. Впрочем, у некоторых вирусов, разновидностей т. н. бактериофагов, запись генетического кода очень неразборчива, в ней одни гены наслаиваются на другие: БЕЛОК НОМЕР ОДИЕЛОК НОМЕР ДВАЛОК НОМЕР ТРБЕЛОК… и т. д.

Размеры генов ничтожны. Если собрать все ДНК из клеток взрослого человека, то молекулы свободно уместятся в наперстке. Но при этом объем хранимой веществом наследственности информации колоссален. Если сравнить молекулу ДНК с перфокартой, то количество информации на первой напрямую зависит от протяженности молекулы. Ученые вычислили суммарную длину всей человеческой ДНК и получили астрономическое число — 60 млрд км! То есть если вытянуть ДНК из всех клеток человека в мировом пространстве в виде тончайшей нити, то эта нить протянется от Земли в 10 раз дальше, чем находится от нас планета Плутон.

Вещество податливо и после должной обработки приобретает те свойства, которые выгодны человеку. Дезоксирибонуклеиновая кислота — не исключение, она также способна видоизменяться, если правильно на нее воздействовать. А это означает возможность преобразования живой материи. Генетики (ученые, занимающиеся секретами наследственности), поставили перед собой несколько задач. Если эти задачи удастся без проблем решить, то человечество сможет управлять генетическим кодом и создавать новые виды организмов.

Первой задачей является выделение гена. Его нужно найти на бесконечно длинной двойной нити ДНК и вырезать оттуда. Это весьма сложно сделать не только технически, но даже теоретически: отрезок молекулы выбирается из десятков тысяч схожих отрезков. Затем необходимо научиться синтезировать ген, получать его искусственным путем в лаборатории в любых масштабах.

Эта мера вовсе не излишняя. Допустим, сельское хозяйство нуждается в овощах, содержащих животные жиры. Для этого необходимо внедрить овощам соответствующий животный ген. Но сначала его требуется найти в клетках животных и выделить оттуда, а затем размножить. В единичном экземпляре ген не представляет интереса. С одним геном нельзя провести серию экспериментов, нельзя обеспечить гибридизацию в масштабах всего растениеводства.

То есть первоначально выделенный отрезок ДНК будет использован в качестве матрицы, на основе которой произведут множество аналогичных генов, которыми можно будет смело пользоваться в исследовательских и хозяйственных целях. Третьей задачей является модификация гена. Полученный отрезок кислоты необходимо предварительно переработать, изменить его размеры и свойства.

На завершающей стадии от ученых требуется научиться внедрять генетический материал в чужие клетки и активировать его. Ген может попасть в такую область, где не станет функционировать. Вот почему необходимо, во-первых, точно разместить его на новом месте и подсоединить к уже имеющемуся генетическому материалу, а во-вторых, заставить там полноценно работать. Реализовать поставленные задачи оказалось возможным лишь в последние годы, когда была создана генная инженерия.

Изобретена технология генной инженерии

Генная инженерия представляет собой направление биологической науки, возникшее на стыке генетики, молекулярной биологии, биотехнологии, микробиологии, селекции и медицины. Эта область знания занимается разработкой способов управления генетическим кодом. То есть генная инженерия ищет пути внедрения в клетку новых генов и получения при этом положительного эффекта.

Возможности генной инженерии безграничны. Некогда античные философы любили аллегорически изображать все нереальное и противоестественное в виде мифического козлоконя. В наши дни генетическое конструирование организмов теоретически допускает существование козлоконей и прочих химерических животных — кентавров, сирен, грифонов, базилисков и т. п. Требуется лишь правильное оперирование с наследственным материалом. Однако это не является истинной целью генной инженерии.

На сегодняшний день задача генетического конструирования заключается в выведении штаммов бактерий (дробянок) с запрограммированными свойствами. Хотя задача выглядит весьма скромной, она многое дает для человека. Никакой химик пока не способен состязаться с бактериями в синтезе органических соединений. Как правило, эти соединения не представляют пользы для человека, а иногда и вредны: выделения болезнетворных бактерий токсичны.

Посредством генного конструирования можно заставить дробянок производить те вещества, которые чрезвычайно необходимы человеку. Бактерии размножаются в столь большом количестве, что их продукцию можно получать в колоссальных объемах. Главное — вывести новую разновидность (штамм) бактерий и создать условия для их размножения. В 1980 г. начался промышленный выпуск соматотропина, синтезированного бактериями с измененной генетической конституцией.

Бактерией-производителем выступила хорошо известная ученым кишечная палочка. Прежде соматотропин, необходимый для лечения детской карликовости (нанизма), получали из гипофиза мозга скончавшихся людей. Естественно, препарата катастрофически не хватало. Как, впрочем, не хватало и инсулина, получаемого из печени забитого скота. Потребность в инсулине, используемом при лечении диабета, была удовлетворена лишь на 7 %. Генетики получили штамм кишечной палочки, выделяющий инсулин, и начиная с 1982 г. это вещество производится в промышленных масштабах.

Для того чтобы достичь подобного результата, потребовалось «скрестить» бактерию (!) с человеком, поскольку только в человеческом организме есть гены, ответственные за производство нужной формы соматотропина и инсулина. Эти гены были вырезаны из последовательности человеческой ДНК и внедрены в ДНК бактериальную. Микроорганизм стал синтезировать человеческие гормоны. Сегодня ученые знают уже наверняка, что бактерии в состоянии синтезировать все.

Естественно, наука не собирается останавливаться на достигнутом. Когда изменение генотипа бактерий окажется весьма простым делом, то начнутся работы над сельскохозяйственными растениями и животными. Отдельные изыскания в этой области ведутся уже сейчас. К числу недавних открытий следует отнести обнаружение гена, удваивающего число клубней картофеля, и пр. Генная инженерия позволит выводить принципиально новые сорта культурных растений и породы домашних животных.

Ввести генетический материал в чужую клетку можно несколькими способами. Поколение трансгенных животных получается при внедрении генов в яйцеклетку матери с помощью микроинъекций. Но этот метод применим не всегда.

Ученые имеют дело со столь мелкими объектами, что манипулировать ими посредством любых инструментов невозможно. Вот почему генетики применяют для проведения операций по внедрению отрезков ДНК молекулярные векторы.

В качестве последних выступают вирусы, плазмиды и космиды. В природе постоянно происходит перенос генетической информации от одного организма другому посредством вирусов, которые распространяют инфекцию. Получается, что достаточно заразить подопытные клетки вирусами, несущими нужные гены, как эти гены окажутся внедренными в наследственный материал клеток. Вирусы самой природой устроены таким образом, чтобы внедрять свою ДНК или ее аналог РНК (рибонуклеиновую кислоту) в чужой генетический аппарат.

Впрочем, нельзя сказать, чтобы вирусам отдавалось предпочтение. Выбор вектора зависит от условий эксперимента. Плазмиды не так давно использовались чаще всего. Под плазмидами понимаются особые, кольцевые молекулы ДНК в бактериальных клетках.

В целом методы генной инженерии выглядят следующим образом. На начальной стадии, носящей название рестрикции, идет операция по извлечению нужного гена из человеческой или любой другой ДНК. На молекулу химически воздействуют ферментами, которые отщепляют необходимый отрезок. Ферменты влияют на нуклеиновую кислоту таким образом, что у отрезка остаются «липкие» концы. Это означает, что они легко присоединятся к любой другой молекуле ДНК. Затем следует процедура лигирования. На этой стадии бактериальную плазмиду рассекают ферментами и вклеивают в нее готовый ген-отрезок. Затем плазмиду склеивают веществом лигазой, чтобы она опять приняла кольцевую форму.

Третий этап носит название трансформации. Измененная плазмида (или рекомбинантная) вводится в бактериальную клетку. Это сравнительно нетрудно, поэтому ученые и пользуются плазмидными векторами. Бактерии часто обмениваются между собой генетической информацией с помощью плазмид. Этот процесс заменяет им половое размножение. К сожалению, плазмиды проникают внутрь далеко не всех бактерий. Вирусы более эффективны в этом отношении, поскольку при переносе информации они инфицируют 100 % клеток (бактерий).

Бактерии с измененным генетическим аппаратом называются трансформированными. Они впоследствии размножаются, в результате чего образуется колония генетически одинаковых организмов. Новый генотип оказывается растиражирован. Полученной колонии присваивается название клона. Поскольку клон является конечным продуктом генной инженерии, то само создание и тиражирование трансформированного наследственного материала таким путем носит название клонирования. Завершает процедуру клонирования скрининг — отбор клонов. Из множества трансгенных колоний выбирается одна, отвечающая всем требованиям. Осуществляется такой отбор за счет меток колоний радиоактивным веществом.

Генетическое конструирование включает в себя, помимо создания трансгенных существ, и другие приемы манипуляций над наследственным аппаратом. Среди этих методов числится искусственный мутагенез. Он менее впечатляет, чем операции с применением плазмид, однако весьма эффективен. Искусственный мутагенез сводится к усиленному воздействию на гены в клетках животного или растения активных веществ-мутагенов, ультрафиолета, рентгеновских лучей и прочих факторов, вызывающих изменения генов. Мутагенез протекает под контролем ученых, а потому приводит к возникновению существ с измененной в лучшую сторону наследственностью.

В природе встречается порядка 4 млн химических соединений. Это, безусловно, большое количество. Если хранить 100-граммовый образец каждого из них в специальном сейфе какой-нибудь лаборатории, то общая масса этих образцов составит 400 т. Однако если не внимательно изучить все химические справочники, то выяснится, что науке известны свойства порядка 15 млн веществ, т. е. почти в 4 раза больше! Откуда взялись лишние 11 млн соединений, понятно без лишних пояснений. Вещества, не встречающиеся в природе, человек получает самостоятельно, совершенствуя технику проведения реакций. Рост численности новых веществ происходит преимущественно за счет синтеза полимерных соединений, возможности которого практически безграничны.

Открыто строение полимеров

Слово «полимер» в переводе с греческого языка означает многокомпонентный, многосложный. Химики так называют соединения, образованные более простыми веществами. Слагающие компоненты выполняют ту же роль в огромной молекуле полимера, что и звенья в цепи. В науке такие звенья носят название мономеров. Они могут встречаться изолированно, как самостоятельные простые соединения.

Но после объединения при определенных условиях в молекулу полимера мономеры утрачивают многие прежние свойства, в результате чего образуется совершенно новое вещество. Полимеры чрезвычайно широко распространены в природе. Среди них в первую очередь следует назвать высшие полисахариды из группы сложных углеводов. Полисахариды по праву следует считать наиболее типичными органическими соединениями.

Одна только целлюлоза, синтезируемая растениями, составляет порядка 25 % от суммарной биомассы Земли, т. е. от общего веса живого вещества биосферы. Полимерная молекула-цепочка целлюлозы состоит из мономеров-звеньев, в роли которых выступает простой сахар глюкоза. Глюкоза является моносахаридом. Все полимеры из группы сложных углеводов сложены моносахаридами. Как правило, любая гигантская молекула образована 5 или даже 6 видами моносахаридов, но известны полимерные вещества, которые сложены, как целлюлоза, только одним видом мономера. В первом случае углеводные полимеры носят название гомополисахаридов, а во втором — гетерополисахаридов.

Пектиновые вещества, заполняющие мякоть ягод и фруктов и благотворно влияющие на пищеварение, также относятся к полисахаридам. Эти вещества известны малому кругу людей, в основном тем, кто занимается промышленными технологиями изготовления мармеладов и желе. Если продолжить тему питательных веществ, то необходимо упомянуть крахмал.

Он входит в состав картофельных клубней, зерен кукурузы и прочих злаков, а также содержится в стеблях, семенах и луковицах многих других растений. Этот полимер сложен всего двумя видами мономеров: моносахаридами амилопектином и амилозой. Крахмал прекрасно известен каждому, он относится к наиболее полезным и необходимым пищевым продуктам и содержится в таких изделиях, как хлеб и крупы.

Полисахариды активно взаимодействуют с белками и принимают участие во многих жизненно важных физиологических процессах. Иммунитет, свертывание крови, жировой обмен, оплодотворение яйцеклетки и многие другие важные процессы жизнедеятельности организма осуществляются благодаря этим полимерам. Полисахариды играют важную роль в промышленности. Наиболее существенна для народного хозяйства целлюлоза, применяемая при изготовлении целлофана, вискозы, бумаги, эфиров целлюлозы.

Помимо полимерных углеводов в природе встречаются и прочие виды супермолекул. Они тоже связаны с живым веществом, поскольку только живое способно производить столь сложные соединения. Оттого природные полимеры чаще всего называют биополимерами (от греческого биос — «жизнь»). Ранее уже назывались такие полимеры. Это белки, представляющие собой огромные молекулярные цепочки из аминокислот.

Размеры белков значительны, равно как и велик спектр выполняемых ими функций. Молекула белка гемоглобина из группы глобинов весит в 3000 раз больше молекулы этилового спирта. А масса молекулы мышечного белка миозина в 10 000 раз превосходит массу спиртовой молекулы. Простейшие белки являются цепочками из нескольких сотен мономеров, как правило, 200–300 аминокислот. Поэтому нет ничего удивительного в том, что белковые молекулы называются в химии макромолекулами (гр. макрос — «очень крупный»).

Большие полимерные белки являются полипептидами, поскольку аминокислоты объединяются в длинные цепочки за счет особого рода химической связи, т. н. пептидной. Белки выполняют огромное количество функций, это рабочие молекулы нашего организма. Ученые называют их самыми удачными нанороботами. Белки защищают организм, слагают собой клетки, транспортируют вещества, ускоряют химические реакции и выполняют множество другой разнообразной работы.

Самыми известными естественными полимерами нужно назвать нуклеиновые кислоты, о которых подробно рассказано в настоящей главе в разделе, посвященном наследственности. Молекула ДНК является носителем генетической информации. Считывать эту информацию помогает другая нуклеиновая кислота, называемая РНК. Все нуклеиновые кислоты невероятно велики, степень их полимеризации чудовищна.

Под степенью полимеризации химики понимают количество мономеров, образующих одну молекулу. Масса одной-единственной молекулы ДНК примерно в 1 млн раз (а иногда и в 10 млн раз) превосходит массу молекулы этилового спирта. Длина такого исполинского полимера как минимум в 1000 раз больше длины самых крупных белковых молекул. Мономерами этого гиганта служат вещества нуклеотиды. Полимерное строение нуклеиновых кислот было открыто в ходе генетических исследований 1944–1953 гг. Вещества оказались одними из самых поздних классов биополимеров, описанных учеными. Все остальные классы были изучены задолго до того.

Само открытие биополимеров произошло в середине XIX в. После успешного синтеза Ф. Велером в 1828 г. мочевины начались активные биохимические исследования. Полимером, открытым Т. Шванном в 1836 г., оказался фермент желудочного сока пепсин, представляющий собой пептидную цепочку из 327 аминокислот. Затем, уже во второй половине XIX столетия, биологи и химики открывают пептидную связь, сцепляющую пепсин и белки (Э. Фишер), а также получают начальные сведения о структуре белков, углеводов и жиров. Биохимические исследования оказались во многом плодотворными благодаря открытию причин брожения Л. Пастером, Э. Бухнером и Ю. Либихом.

Разработка технологий получения синтетических материалов

После подробного изучения основных представителей биополимеров химики поставили перед собой задачу попытаться синтезировать хотя бы одно из таких веществ. Промышленность была крайне заинтересована в подобного рода материалах. Например, хорошо было бы получить искусственную резину взамен редкого каучука. Кроме того, в природе имеется много простых соединений, которые практически не используются. Они могли бы послужить мономерами для крупных молекул, более необходимых в хозяйстве и обладающих массой полезных свойств.

Поскольку полимерные цепи образуются за счет химической связи между атомами углерода в соединениях, содержащих непременно водород, то синтез макромолекул возможен на основе простейших углеводородов. Ученых заинтересовали алкены, которые охотно соединяются друг с другом, образуя внушительный гомологический ряд. Начинается этот ряд с элементарного этилена, состоящего из двух групп CH₂. За ним следует пропилен, формула которого уже гораздо сложнее: молекула включает в себя 3 углеродных атома. Бутен и трансбутен содержат по 4 атома углерода в своих молекулах, пентен — 5 углеродных атомов.

Продвигаясь по гомологическому ряду нетрудно, т. о., заметить нарастание углерода в молекулах. Это означает, что простые алкены в качестве мономеров охотно вступят в химическую реакцию с образованием макромолекул. Этот процесс синтеза химики нарекли реакцией полимеризации, но добиться ее осуществления никак не удавалось. Лишь в 1884 г. отечественный химик Г. Г. Густавсон впервые осуществил неполную полимеризацию и получил олигомер этилена. Олигомер является полимером крайне малой массы и с очень низкой степенью полимеризации.

Примитивный полимер Густавсона резко отличался от этиленового газа. То была вязкая и мутная жидкость, отдаленно напоминающая техническое масло. Затвердевать полимер не мог, но химики уже думали о том, какое замечательное вещество получат, если доведут реакцию до конца. Твердый полимер удобно применять в целях промышленного выпуска самых разнообразных изделий. Впервые синтез макромолекул на основе газовых мономеров удалось осуществить англичанам на рубеже XIX–XX столетий.

Английские ученые использовали при получении вещества высокое давление, превосходящее 1 млн Па (в 1000 раз выше атмосферного). Синтетический продукт чудесным образом отличался от исходного материала. Взамен газа в руках ученых оказалась восковидная масса, которая была сравнительно прочной, легкой и очень эластичной. Гибкий воск назвали полиэтиленом, т. е. множественным этиленом.

Трудно подсчитать, какое количество мономеров входит в состав полиэтилена, т. к. одна молекула отличается от другой. Число их чрезвычайно велико. Однако не следует думать, будто молекула не имеет конца. Конечно, при благоприятных условиях она могла бы тянуться до бесконечности. Именно в таком беспредельном виде и записываются формулы всех полимеров. Однако на самом деле каждая макромолекула имеет два окончания, где находятся какие-то атомы, служащие пограничными отметками. У полиэтилена в роли таких пограничных маркеров выступают атомы водорода.

Популярность вещества стремительно росла, а химики испытывали новые синтезы. В 1939 г. произошло знаменательное событие в истории промышленной химии. Из полиэтилена был изготовлен изоляционный слой для телеграфного кабеля, который проложили на дне Атлантического океана. Стало очевидным, что возможности нового соединения почти безграничны (как и его молекулы!). Кабели, провода, волокна, пленки, покрытия, баллоны воздушных шаров и дирижаблей и многое другое можно было успешно изготавливать из синтетического вещества.

Однако первоначально полиэтилен добывать было невероятно трудно, да и стоил он дорого. Лишь в Германии был освоен сравнительно простой способ получения больших количеств полиэтилена в промышленности. Но в годы Второй Мировой войны одно-единственное предприятие по выпуску ценного вещества было разрушено. Несмотря на это, уже в послевоенные годы во многих странах работы по дешевому и несложному синтезу этого вещества возобновились и завершились победой ученых.

С середины 1950-х гг. реакцию полимеризации этилена научились осуществлять на индустриальных предприятиях при невысоких давлениях и температуре в пределах +100 °C. Сегодня из алкенов путем полимеризации получают массу других необходимых веществ. Тефлон обладает большой устойчивостью к высоким и низким температурам, а также отличается большой химической инертностью.

Воздействовать на тефлон могут лишь немногие вещества. Это в основном расплавленные натрий и калий, с которыми полимер вступает в реакцию. Тефлоновые волокна используются для изготовления одежды, с которой легко удаляются грязь, пятна и пыль.

Поливинилхлорид является продуктом реакции полимеризации хлористого винила. Он очень устойчив к разным воздействиям, но при этом легко окрашивается. Из него получают пластмассы, идущие на изготовление пленок, клеенок, плащей, электрической изоляции. Полистирол добывается путем полимеризации стирола. Его используют для разных нужд, но чаще всего как сырье для легких пластмасс (пенопластов).

Одним из наиболее примечательных синтетических полимерных материалов следует считать капрон (или нейлон). Его история увлекательна и полна неожиданных поворотов. Это шелковистое волокно, обладающее водоотталкивающими свойствами, впервые удалось получить химикам одной из американских фирм в начале 1930-х гг. Таким образом, капрон оказался в числе самых первых синтетических веществ. Следует напомнить, что полимеры из этилена в то время получали с большими трудностями, а элементарный полиэтилен ценился на вес золота. Производство же капрона было сравнительно легким.

Промышленники верили в большое будущее новооткрытого вещества. Возник вопрос о том, какое название ему дать. Был объявлен конкурс, в ходе которого было предложено более 350 наименований, из которых специалистам по маркетингу, входящим в состав жюри, понравилось оригинальное и благозвучное слово «nylon», т. е. нейлон. Для этого названия характерны краткость, эффектность, приятная «скользкость», указывающая на свойства материала.

В русском языке за данным материалом почему-то закрепилось иное название — капрон. Немцы же предпочли именовать его дедероном. Однако оба названия являются производными от первоначального. Изготовители первого синтетического волокна ввели в употребление суффикс «-он» («-лон»), который в дальнейшем послужил для создания названий следующих поколений искусственных материалов полимерной природы.

Впоследствии появились ксилон, перлон, крепон, дакрон, а также поролон и многие другие. Все вещества, синтезированные по модели нейлона, получили в добавление к длинным химическим названиям промышленные и торговые наименования (марки), оканчивающиеся на стандартный суффикс «-он» или «-лон».

Перечислять возможности применения полимерных соединений можно бесконечно долго, тем более что химики и техники постоянно находят новые сферы применения этих веществ. Поэтому далее будут рассмотрены исключительно композиты в качестве наиболее интересных видов синтетических полимерных веществ.

Композиционные материалы представляют собой объединение из нескольких синтетических веществ, причем не все из них имеют полимерную природу. Ученые при создании этих веществ руководствовались тем, что металлические сплавы обладают более выгодными свойствами, чем чистые металлы. Например, использование чистого железа в большинстве случаев невыгодно. Зато сталь, особенно нержавеющая, применяется в промышленности невероятно широко. Если объединение металлов дает такие замечательные материалы, значит, можно попробовать получить смесь из полимеров.

Ожидания не обманули ученых. Полученные в результате такого смешения композиционные материалы (их называют еще композитными сплавами) обладали совершенно новыми качествами, добиться которых в случае с чистыми полимерами было невозможно. В композитах синтетические вещества улучшают и дополняют желаемые свойства друг друга. Наиболее распространены в наше время композиты, включающие синтетические упрочняющие волокна. Такие волокна, к которым относятся, например, стекловолокно и похожие вещества, повышают прочность материала. Волокна армируют композитную смесь.

Без волокон композит отличался бы гибкостью, пластичностью и податливостью. Это тоже положительные качества, но они не всегда могут оставаться таковыми. Армированные композиционные материалы конкурируют по прочности с металлом, обладая при этом неоспоримыми преимуществами перед любыми сплавами. Композиты поглощают шумы, гасят вибрации, обладают завидной прочностью и долговечностью, слабо изнашиваются.

Изделия из композитов, в отличие от металлической продукции, не намагничиваются, не поддаются коррозии, не нуждаются в смазке и прочих видах ухода. Главное преимущество композитов перед металлом — их легкость. Композитные детали намного снижают вес техники, в которой они используются. Разработки по созданию устройств и деталей из новых армированных композиционных материалов ведутся в течение последних 20 лет, начиная с конца 1970-х — начала 1980-х гг.

В связи с быстрыми темпами развития автомобилестроения одними из наиболее перспективных изделий из композитных сплавов становятся автомобильные колеса. Поэтому привлечение в эту сферу промышленности принципиально новых материалов представляется особенно заманчивым. Инновации касаются не только колес, однако здесь старания техников и химиков увенчались успехом, наиболее заметным для автомобилистов.

Дело в том, что композитные колеса, получаемые из сплава полиэстера и винилэстера, значительно облегчены (на 2 кг легче алюминиевых) и обладают лучшими ходовыми качествами при аналогичной прочности. Как известно, изобретение колеса состоялось свыше 6000 лет назад. Разумеется, вторично изобрести колесо нельзя. Зато вполне реально его усовершенствовать.

Завершая рассказ о полимерах и их роли в жизни человека, конечно же, нельзя не вспомнить о т. н. разовых изделиях, без которых невозможно себе представить современную жизнь. Достаточно напомнить, что легкость получения полимерных материалов, главным образом пластмасс, позволила сформироваться в 1960-х гг. новой экономической культуре — культуре разовых изделий.

Все началось с авторучек «Бик», после которых уже появились зажигалки, автоматические карандаши, фломастеры, пластиковая посуда, одноразовые шприцы и т. д. Основателем новой культуры потребления — мира товаров одноразового пользования — является предприниматель Марсель Бич. Он разработал концепцию товара, который исправно и качественно служит положенный срок, не причиняя неудобств и не угрожая безопасности человека, а затем выбрасывается.

Идея была великолепна, поскольку большинство людей предпочло пользоваться разовыми изделиями, вместо того чтобы тратить время и деньги на ремонт обычных товаров. Авторучки «Бик» впервые появились в 1957 г. Вся разовая культура базируется на полимерных материалах, т. к. товары-однодневки получают преимущественно из пластмасс.

Информация представляет собой одну из наиболее важных сторон жизни, она является главной характеристикой структурной сложности материи. Это определение, конечно же, нельзя назвать исчерпывающим, абсолютно точным. Поэтому для глубокого понимания природы этого явления необходимо его подробное рассмотрение.

Открытия информатики

Все физические тела, окружающие человека, сложены материей. Даже бесконечный космический вакуум представляет собой особую форму материи. Формами материи являются время, пространство, энергия, физические поля и излучения. Эти формы взаимодействуют одна с другой, превращаются друг в друга, образуют разнообразные комплексы, в которых протекают всяческие процессы.

Данные комплексы объектов и форм материи со всеми сопутствующими природными процессами названы системами. Оценить в полной мере работу любой системы можно посредством всего одной-единственной величины — сложности. Сложность описывает характер взаимодействий в системе, ее структуру, количество входящих объектов, количество энергии, если это требуется.

Системы могут быть разнообразны в зависимости от того, что конкретно мы рассматриваем. Существуют транспортные, экономические, аграрные, живые, технические и прочие системы. Одними из наиболее сложных можно назвать системы компьютерных сетей, телефонные сети и спутниковую связь. Эти системы имеют большее число пользователей. В них задействована ультрасовременная техника, которая объединена по особым правилам в сети, охватывающие половину земного шара.

Но если сравнить сложность мировой телефонной сети со сложностью головного мозга человека, то оказывается, что техника в этом смысле значительно уступает. Кора мозга включает в себя 17 млрд нервных клеток (нейронов), между которыми проведено свыше 1 трлн связей. Это позволяет мозгу выполнять операции, с которыми не справятся все сети мира. Таким образом, голова человека превосходит сложнейшие искусственные системы. К сожалению, этот потенциал не всегда разумно используется. Люди имеют привычку не задействовать до 90 % потенциала мозга.

Величина, измеряющая сложность количественно и качественно, получила название информации. Характеристика сложности несет в себе подробнейшие сведения о системе. Поэтому информацией еще можно назвать совокупность сведений.

Окружающий человека мир наполнен информацией. Все сколько-нибудь сложное и подлежащее описанию несет в себе информацию: код молекулы ДНК, макет газеты, система дорог области, параметры радиоволн, траектория космического корабля… Сложность живой природы, к примеру, оценивается в 10⁵⁰ единиц!

К слову, такая единица называется битом. Термин «бит» происходит из английского языка, где был образован на основе слов «binary digit» — двоичная цифра. Бит действительно двоичен. Он представляет собой минимум информации, т. е. кратчайший ответ на любой вопрос: «да» или «нет». Ответ «да» предполагает наличие какой-то простейшей информации, а потому обозначается в двоичной системе единицей. Ответ «нет» означает отсутствие информации. Но поскольку отсутствие сведений — уже сведение, то отрицательный ответ тоже имеет свое обозначение. Он отмечается нулем.

Если говорить о сложности человеческого мозга, о которой зашла речь ранее, то окажется, что он в состоянии сохранить за всю жизнь человека до 100 трлн бит информации и свободно оперировать в памяти, мышлении и сознании 10 млрд бит информации. Наш мозг постоянно нуждается в новых сведениях. Поэтому человек, в течение длительного времени не узнающий ничего нового, начинает испытывать дискомфорт.

Врачи установили, что этот эффект позволяет лечить курильщиков от никотиновой зависимости. Доказательством тому может служить один из проводимых экспериментов. Его суть заключалась в том, что курильщиков запирали в темных комнатах, предварительно завязав этим людям глаза и надев звукоизолирующие наушники. Полное отсутствие необходимых для мозга сигналов внешнего мира вызвало у испытуемых столь сильный информационный голод, что они затем с живым интересом выслушали лекцию о вреде курения, которую в других условиях сочли бы скучной. Сосредоточенное внимание к словам лектора способствовало более глубокому воздействию: почти все участвующие в эксперименте люди бросили курить.

Жажда информации — это вопрос биологического выживания, поскольку чем лучше информировано живое существо (например, о пище, опасностях, условиях местности и т. д.), тем больше у него шансов уцелеть в борьбе за выживание. Человек уже давно не борется за выживание в природе, но наше существование немыслимо без развития духовной культуры и материального производства. Эти стороны человеческой жизни требуют непрерывного поступления новых сведений, позволяющих контролировать происходящие в обществе процессы.

На планете проживают 6 млрд человек, которые для своих нужд ежегодно используют сотни миллионов тонн металла, пластмасс, горючих материалов. Мы за год перемещаем такую массу горных пород, что, если бы удалось загрузить ее в один поезд, этот состав протянулся бы на расстояние, превышающее расстояние от Земли до Луны в 1,5 раза! Каждый год промышленность выпускает десятки миллионов автомобилей и телевизоров, массу других товаров. Колоссальным размахом обладает литература, особенно периодическая печать. Чтобы все это контролировать, требуется с высокой скоростью собирать и обрабатывать информацию о различных видах хозяйственной деятельности человека.

Столь острые потребности сформировались у человека сравнительно недавно. Сегодня многие историки склонны рассматривать процесс общественного развития по диаграмме Парето, т. е. как смену нескольких основных обществ. Первым было аграрное общество, в котором преобладало сельское хозяйство. Его сменило индустриальное, характерное для всех развитых стран, включая Россию. В таком обществе главным источником благ служит машинная промышленность.

Со временем это общество сменится постиндустриальным, которое отчасти сформировалось в США и Японии. Для него характерно преобладание сферы сервиса в экономике. Каким будет следующее общество? Информационным, т. е. таким, хозяйственное воспроизводство которого всецело базируется на информационных технологиях.

В таком обществе получат самое широкое распространение ЭВМ всех видов, достигнет невиданных размеров роботизация производства, решающую роль в социальных процессах будут играть компьютерные сети. На каждого человека в среднем будет приходиться один компьютер, два сотовых телефона и множество вспомогательной электроники. Отдельные признаки этого общества просматриваются уже сейчас.

Развитие информатики, кибернетики и вычислительной техники невозможно представить без разработки теории устройства и работы вычислительной машины (компьютера). Эта теория базируется на принципах фон Неймана, названных так в честь их создателя. Теория включает в себя всего четыре принципа. Настоящий программируемый компьютер должен состоять из следующих устройств: а) арифметического логического устройства; б) запоминающего устройства; в) внешних устройств; г) устройства управления.

Арифметическое логическое устройство отвечает за вычислительные операции, оно работает с логическими связями и математическими величинами. Запоминающее устройство представляет собой память счетной машины, куда записывается задача и откуда компьютер берет данные для проведения операций. В памяти записаны программы применения операций и программы решения задач. Каждая программа представляет собой алгоритм работы компьютера, записанный на машинном языке.

Внешние устройства, или периферия компьютера, представляют собой приспособления для ввода и вывода информации. Эта техника обеспечивает эффективное сообщение между пользователем программ и прочих ресурсов компьютера и самим компьютером. Устройство управления, опираясь на записанные в памяти команды, координирует процесс выполнения программ.

Современный персональный компьютер полностью соответствует принципам фон Неймана и включает в себя все перечисленные устройства. Арифметическое логическое устройство, память и устройство управления находятся в системном блоке ПЭВМ. Управление осуществляет центральный процессор, жесткий диск является запоминающим устройством.

Логические операции выполняются при использовании ресурсов жесткого диска, а также чипов (микросхем). Внешние устройства представлены клавиатурой, «мышью», дисководом (инструменты ввода), дисплеем, принтером, графопостроителем, звуковыми колонками (инструментами вывода). Инструменты ввода-вывода информации весьма разнообразны, поэтому здесь перечислены только основные.

Следует ли считать растущую компьютеризацию злом или благом? Сама постановка вопроса придает ему философский смысл. Во зло можно обратить что угодно. Культура пользования возможностями ЭВМ напрямую зависит от общей культуры человека. Если же говорить об экономическом и научно-техническом значении компьютеризации, то здесь необходимо непременно отметить несколько малоприятных моментов.

Во-первых, человек всегда остается незаменим. Он никогда не ошибается в том, в чем допускает промахи ЭВМ. Человек в подавляющем большинстве случаев способен оценивать ситуацию гораздо более верно, чем машина, при нехватке исходной информации. В некоторых сферах деятельности человек-работник остро необходим. Во-вторых, ЭВМ не безгрешны, поскольку их создают обычные люди. Возможности компьютеров всегда ограничены знаниями и возможностями человека. Каждая вычислительная машина работает по алгоритму, составленному людьми. Если нет алгоритма работы, то компьютер не справится с порученным ему заданием.

Наконец, человек может просто заложить в ЭВМ неверные исходные данные, которые проистекают от нашего собственного незнания. Горизонты науки вполне отчетливо различимы, особенно в таких дисциплинах, как космология, физика термоядерного синтеза, молекулярная биология, психология, физиология старения и т. п. Чего не знает человек, того не может знать компьютер. Правильно будет утверждать, что компьютер необходим лишь для решения задач, на которые человеку катастрофически не хватает времени. Ни больше, ни меньше.

Стоит упомянуть в этой связи о самом примечательном достижении астрофизиков 1998 г. Учеными была построена на одном из 10 самых мощных в мире суперкомпьютеров трехмерная модель видимой части Вселенной. Насколько она справедлива? Ровно настолько, насколько полны сведения о космическом пространстве, добытые астрономами. Спустя два года были получены фотографии более далеких областей Вселенной, где замечены другие закономерности распределения небесных тел. Вполне вероятно, эти закономерности перечеркнут многое из того, что выдал по завершении работы суперкомпьютер.

Изобретение компьютера

Эволюцию вычислительной техники принято разделять на несколько этапов: домеханический, механический, электромеханический и электронный. Домеханический этап начался 40 000 лет назад, когда завершилось становление кроманьонца — человека современного типа. Определенно он умел считать и пользовался при этом первоначально пальцами и другими частями тела, а в дальнейшем палочками и камешками.

О предыстории математических вычислений подробнее рассказано в первой главе книги. Наивысшим достижением домеханического этапа стало изобретение счетов. Прародителем данного инструмента был созданный греками и римлянами абак. В X в. н. э. китайцы изобретают обычные счеты, которые хорошо знакомы и современному человеку.

Механический этап вычислительной техники берет начало в середине XVII столетия, а точнее, даже несколько ранее. Знаменитый французский физик Б. Паскаль сконструировал свою суммирующую машину в 1642 г. Почти одновременно работал над счетной машиной Шиккард. На рубеже XVII–XVIII вв. появляются первые арифмометры. Их создатель — немецкий философ и математик Г. Лейбниц. В XVIII в. арифмометры окончательно дорабатываются и почти в неизменном виде господствуют в математике как самые типичные счетные устройства, соперничающие с логарифмической линейкой и прочими приспособлениями.

В 1824 г. появляется ткацкий станок Ш. Жаккара (Жаккарда), снабженный перфокартой. Перфокарта представляла собой квадрат картона с пробитыми на нем дырочками. Порядок дырочек определял последовательность действий вычислительной машины. Ее считывающее устройство, принимая перфокарту, опускало часть металлических стержней в отверстия в картоне. Остальные стержни не могли пробить картон и оставались в прежнем положении. В зависимости от комбинации отверстий менялась комбинация стержней, и устройство срабатывало иначе.

История станка Жаккара поучительна. Она показывает, что прогресс — это не только создание нового, но и борьба с невежеством. Гениального изобретателя едва не бросили в воду жители его родного города Лиона, поскольку Жаккар якобы вознамерился оставить половину горожан без работы. Сам станок, будущие модели которого обеспечат столько рабочих мест и принесут процветание многим странам, сожгла разъяренная толпа.

Итак, Жаккар первым употребил кодированную запись задачи. Независимо друг от друга Ч. Бэбидж и А. Лавлейс, опираясь на это изобретение, разработали алгоритмический язык формулировки и решения задач на машине, тем самым создав программирование. Лавлейс, дочь поэта Дж. Байрона, стала первым в истории человеком-программистом. В начале XIX в. темпы промышленного роста требуют создания все более совершенных счетных устройств, способных выполнять математико-логические операции.

Первая настоящая аналитическая машина также была механической, она построена в 1834 г. и состояла из 50 000 деталей. Электромеханический этап развития вычислительной техники начинается с 1890-х гг. Электричество, совершив подлинный переворот в промышленности, вторгается в сферу механизированных расчетов. Предвестником старта электромеханических устройств, совмещающих в себе принципы механики и электротехники, становится табулятор Голлерита, сконструированный в 1887 г.

История электронных вычислительных машин (ЭВМ) берет начало в середине 1940-х гг. В 1945–1946 гг. в США была создана одна из наиболее прогрессивных ЭВМ того времени — машина «ENIAC» Эккерта и Маучли. Устройство в целом занимало огромную комнату, однако его мощность была очень мала. Сегодня такой мощностью обладает чип размерами в 6 мм. Первый настоящий электронный компьютер, работающий по принципу фон Неймана, был создан в 1949 г. Морисом Уилксом. Дальнейшее развитие компьютерной техники напрямую зависело от миниатюризации деталей.

Большие электронные лампы, выполнявшие функцию вентилей (ключей) в счетных устройствах, были главной причиной, препятствующей созданию быстродействующих и небольших по размерам ЭВМ. Транзисторы появились в 1948 г. Эти радиодетали замещали собой большие лампы и даже совокупности ламп. В результате дальнейшей миниатюризации в 1965 г. удалось собрать первый в истории мини-компьютер, известный под маркой PDP-8. Его создателями были инженеры фирмы «Диджитал иквипмент». Их детище по размерам соответствовало холодильнику, однако в то время устройство считалось очень маленьким.

Ровно 10 лет спустя после изобретения транзистора Дж. Килби изобретает способ размещения на небольшой пластинке из полупроводника сразу нескольких транзисторов и необходимых соединений между ними. Роль транзисторов выполняют мелкие кристаллики кремния. Готовое устройство было названо чипом (или микросхемой). Уже в 1959-м году основатель компьютерной фирмы «Интел» P. Нойс создает усовершенствованный вариант микросхемы — интегральную схему, положенную в основу вычислительной техники.

Впервые ЭВМ на интегральных схемах выпускается в 1968 г., а уже в 1970 г. «Интел» изобретает интегральную микросхему, почти полностью вмещавшую в себя большое и сложное устройство компьютера, состоявшее из нескольких деталей, — центральный процессор. Произошла миниатюризация процессора, новая схема получила название микропроцессора. Год 1974-й принес очередной успех на пути к созданию идеальной ЭВМ. Создается микропроцессор 8080, послуживший эталоном для последующих поколений процессоров.

На следующий же год был выпущен первый коммерческий компьютер, поступивший в продажу. Торговое название ЭВМ было «Альтаир-8800». Машинный язык для этого компьютера создавался специально У. Гейтсом и П. Алленом. С тех пор компьютеры стали очень популярны. В 1981 г. фирмой «IBM» создается коммерческий компьютер индивидуального пользования, пригодный для самого различного рода занятий человека — программиста-любителя, бизнесмена, ученого, обывателя. Новый компьютер вышел под маркой «IBM-PC», причем последние буквы означали «персональный компьютер». Броское и удачное название прижилось, с тех пор началась эпоха персональных микро-ЭВМ.

Компьютерные технологии непрерывно совершенствуются и усложняются, особенно значительные изменения произошли в сфере периферии. Ранее уже рассказывалось о создании дисплеев на жидких кристаллах. К числу прочих оригинальных и полезных достижений следует отнести совершенствование клавиатур, которые создаются с учетом рекомендаций эргономики (медико-гигиенической науки о взаимодействии человека с техникой), а также развитие других устройств ввода информации и мультимедийных средств.

Особенно впечатляют разнообразием новые модификации вводного устройства типа «мышь». Эту область уже давно в шутку окрестили «мышестроением», на основе обычной механической «мыши» построены трэкболл, инфракрасная, оптическая, оптико-механическая, лазерная «мыши» и «радиомышь». Лазерные мыши, напоминающие скорее летающие тарелки, способны сканировать поверхность, над которой скользят. Их особенно удобно использовать, когда под рукой нет коврика или любого другого предмета, по которому можно передвигать обычную мышь. По желанию пользователя лазерная «мышь» вводит в компьютер данные о том объекте, над которым парит. Естественно, летает устройство не само: его держит в руке пользователь ПК.

Немногие даже сегодня знают, что конкретно представляют собой средства мультимедиа. Обычно под мультимедиа ошибочно понимают т. н. аудиокарточки, которые устанавливают в компьютер для прослушивания на нем музыки. Или же, в лучшем случае, мультимедийные средства обеспечивают владельцу возможность просматривать видео и фото, манипулируя по желанию картинкой (увеличивая, очищая, добавляя яркости, останавливая кадр и т. д). То есть мультимедиа воспринимаются как устройства, позволяющие сделать из компьютера разумный аудио- или видеомагнитофон.

Такой взгляд, разумеется, неверен. На самом деле возможности мультимедиа гораздо шире. Сюда входят создание полноценной виртуальной среды, синтезирующей в себе ресурсы теле-, видео- и аудиоаппаратуры и позволяющей пользователю компьютера строить эту среду по своему желанию, полностью управлять ею, участвовать в ее внутренней жизни наподобие игрока компьютерных игр и, наконец, работать со спецэффектами. Впрочем, слово «наконец» верно лишь отчасти, поскольку перечень не ограничен данными пунктами. Они являются основными, а кроме них существует масса «второстепенных».

Достигнуты и принципиальные новшества в сооружении периферийных устройств. Наиболее замечательной новинкой по праву можно назвать трехмерный цветной принтер. Это устройство действует по принципу чертежного графопостроителя, т. е. по заданной программе составляет макет. Но если графопостроитель выполняет чертежный макет на бумаге, то цветной принтер строит объемную модель, которую к тому же может и раскрасить в зависимости от желания пользователя. Авторство изобретения принадлежит фирме «Зед Корпорейшн», где и было создано удивительное устройство.

Принтер загружается порошком и клеем, после чего послойно конструирует из порошка фигуру, внесенную в программу. Частицы порошка скрепляются клеевым веществом, наносимым по контуру, просчитанному компьютером. Линейные размеры готовой модели не превышают 20–25 см. Сложность объекта не влияет на качество работы. Принтер выполняет любые макеты, в т. ч. содержащие внутренние детали. Порошок бесцветный, но в клей можно добавить пищевой краситель. Компьютер способен различать тысячи цветов и оттенков и благодаря этому сообщать разным частям макета разную окраску. Сложные объекты выполняются со скоростью 2 слоя в 1 мин, более простые и одноцветные — со скоростью 6 слоев в 1 мин.

Персональные ЭВМ широко применяются в научных исследованиях, в частности для проведения психологического тестирования. Не так давно, в 2000 г., учеными были разработаны компьютерные тесты, которые позволяют выявить степень одаренности каждого человека и указать в чем именно проявляются таланты тестируемой личности. Психолог по результатам такого тестирования сможет найти причины, по которым человек не раскрыл себя и не реализовал свои способности. Таким образом, оказались сильно преувеличенными опасения касательно того, что компьютеризация вызовет отупение масс. Напротив, компьютеры, если использовать как покорных и надежных слуг, способны содействовать гармоничному развитию нашего интеллекта.

Одним из величайших недостатков человека замечательный натуралист и писатель Дж. Даррелл считал то, что люди возомнили себя богами. По непонятной причине человек объявляет себя «царем зверей», стремится устанавливать собственные законы бытия и настойчиво отказывается признавать свое единство с органическим миром, хотя в действительности все мы являемся не только живыми существами, но и крупицами Вселенной — материальными телами, сложенными теми же атомами, что и окружающие объекты космического пространства. Все мы, подобно растениям, животным, минералам и др., пребываем в потоке энергии, движущейся в направлении роста энтропии.

Открытия Дарвина и Вернадского

Еще великий древнеримский анатом Клавдий Гален называл обезьян «смешными копиями людей» и, проводя вскрытия этих животных, изучал по обезьянам строение человеческого организма (вскрытия трупов людей были в античную эпоху запрещены). Позднее анатомы насчитали более 700 анатомических признаков, роднящих нас с миром животных.

Подобно 8000 видов других млекопитающих, люди обладают волосяным покровом на теле, теплой кровью, четырехкамерным сердцем и т. д. Наши зубы также различаются на резцы, клыки и коренные.

Главное свойство млекопитающих — вынашивание детенышей в собственном теле и питание их за это время через плаценту, а кроме того, вскармливание новорожденных детенышей молоком — присуще и человеку. Перечисленные факты указывают на то, что люди являются живыми существами, сходными со многими другими организмами. Уже в последние годы удалось изучить химический состав белков в теле человека, описать его кариотип, исследовать строение клеток. Оказалось, что на этом уровне мы не менее близки к животным. Генетически люди вообще мало чем отличаются от обезьян.

Однако в течение длительного времени родство человека с живой природой упорно игнорировалось. Религиозные философы и богословы утверждали, что столь сложное создание, каковым является человек, не могло возникнуть само по себе. Его сотворил высший Создатель из «праха земного», т. е. столь же чудесным образом, каким произвел на свет всех прочих существ. Философы и богословы были совершенно правы, когда утверждали, что на пустом месте человек появиться не мог. Но именно в этом заключалась их крупнейшая ошибка.

Человечество в наши дни воспроизводится вполне естественным путем. Рождение живого от живого обеспечивает связь поколений и даже связь видов. Механизмы этой связи впервые изучил английский натуралист Ч. Дарвин. Совершив кругосветное путешествие и собрав в результате обширный фактический материал, он смог обосновать происхождение видов под действием естественного отбора. Дарвин показал, что в природе постоянно протекает процесс эволюции — исторического развития органического мира.

Тремя китами этого процесса являются наследственность, изменчивость и отбор. Изменчивость проявляется при передаче наследуемых признаков от поколения к поколению. Благодаря изменчивости потомство отличается от родительских особей. Самые выгодные отличия дают потомкам большие шансы в борьбе за существование. Таким созданиям проще спастись от стихийных бедствий, от холода, проще найти пищу и избежать гибели в столкновениях с врагами.

Естественно, положительные изменения помогают животным находить наилучших партнеров в брачный сезон. В результате благоприятные генетические изменения передаются новому поколению и закрепляются в генотипе вида. К слову, сходные процессы происходят и в растительном царстве, т. к. растениям нужно бороться за место под солнцем, противостоять травоядным и выдерживать засушливые периоды. По мере накопления генетических изменений вид все больше преобразуется и в результате этого процесса превращается в новый вид, совершенно отличный от предшествующего.

Палеонтологическая летопись сохранила до нашего времени в виде окаменелых останков следы существ, развитие которых шло разными путями эволюции. Среди окаменелостей можно найти как удачные, так и явно неудачные решения. Наглядным примером послужит историческое древо любого современного вида или семейства, в частности жирафов.

Древнейшие жирафы появились на планете в верхнемиоценовую эпоху неогенового периода, т. е. порядка 20 млн лет тому назад. Это были обитатели тропических лесов и лесостепей, питавшиеся лесной растительностью и укрывавшиеся от хищников в непроходимых чащах. Ученым известно несколько форм, таких как палеотрагус, самотерий, альцицефалус, херсонотерий и др.

Эти формы вымерли, когда во многих регионах планеты началось сокращение площади лесов и увеличение саванн. Кроме того, древнейшие жирафы были приспособлены к жизни в лесостепных условиях. Ни наступающая саванна, ни отступающий лес не давали им надежной защиты. Некоторые палеотрагусы и их сородичи попытались приспособиться к новым условиям. Часть животных перешла к сугубо лесному образу жизни. Размеры таких копытных уменьшились, чтобы обеспечить благоприятное существование в тропических дебрях.

По прошествии нескольких миллионов лет на Земле появляются окапи — конечный продукт эволюции в данном направлении. Жирафы-окапи — реликтовые животные, которые сильно напоминают своих древних предшественников и даже немного примитивнее их. Сохраниться такие формы смогли лишь в дождевых лесах. Численность окапи невелика, что неудивительно, если учитывать, что вид плохо приспособлен к современной окружающей обстановке.

Другое направление — увеличение массы тела. В саваннах появились буйволообразные жирафы сиватерии и вишнутерии. Кости этих гигантских животных впервые были найдены в Индии, отсюда необычные названия копытных, запечатлевшие имена индуистских божеств Шивы и Вишну. Сиватерии вымерли, поскольку не смогли конкурировать с настоящими буйволами и защищаться от хищников и первобытного человека.

Последняя ветвь древних жирафов осваивала открытые саванны. Здесь выживали только самые крупные, длинноногие и длинношеие животные, которые могли защитить себя от хищников и достать листву с вершин высоких деревьев. Признаки выживших животных закреплялись в генах и передавались из поколения в поколение.

Направление эволюции оказалось очень удачным, и порядка 1 млн лет назад в Африке появились камелопардалисы — современные жирафы. Эти животные гибнут при нападениях хищников лишь в молодом возрасте, тогда как взрослые обладают столь внушительными размерами и силой, что в состоянии забить копытами почти любого зверя-охотника. Длинная шея позволяет дотягиваться до кормовых ресурсов, которые не потребляют остальные копытные. Таким образом, у камелопардалиса нет конкурентов среди травоядных.

Так происходит эволюция живой природы, в результате которой на Земле появился и человек. С возникновением трудовых коллективов первобытного человека, освоившего речь и пользование огнем, наш вид постепенно вышел из-под действия законов естественного отбора. Сегодня человек в большей степени подчиняется законам общества, однако, как показывают исследования, эволюция нашего вида все еще продолжается. Правда, это не большая эволюция, ведущая к образованию новых видов, но медленная микроэволюция. Она направлена на изменение некоторых генов и устранение ненужных их форм из генофонда человека.

Признание наукой единства человека с природой имело огромное теоретическое значение, поскольку позволило совершить огромный шаг вперед многим биологическим дисциплинам. К сожалению, колоссальное практическое значение этого открытия было осознано с запозданием, только во второй половине XX столетия. Смысл единства живого вещества был открыт благодаря другому замечательному открытию, сделанному корифеем русской науки В. И. Вернадским, разработавшим учение о биосфере и ноосфере.

До Вернадского никто из ученых не придавал деятельности живых организмов сколько-нибудь существенного значения. Великий Ч. Лайель, первооткрыватель геологической эволюции планеты и учитель Ч. Дарвина, первым показал, как видоизменялись организмы на протяжении миллионов лет, приспосабливаясь к переменчивым условиям среды. Однако и этот гениальный мыслитель видел в неразумных обитателях Земли лишь материал, который преобразуют слепые силы природы.

Вернадский пришел к более серьезному обобщению, чем единство человека и животных. Он понял, что живая и неживая природа есть неразделимая целостность. Вещество, слагающее живые тела, столь же активно, как и вещество, слагающее тело планеты. Совокупность всех обитателей Земли — её геомерида — есть могущественная геологическая сила, сравнимая по масштабам деятельности с вулканизмом, выветриванием пород или прочими планетарными процессами.

Прежде геологи изучали процесс изменения органического мира под влиянием внешних факторов, в первую очередь необратимых перемен в строении и геохимическом составе планетных оболочек — земной коры, атмосферы, Мирового океана. Вернадский понял, что если геомерида приспосабливалась к новым условиям, то составляющее ее живое вещество вступало в ответную реакцию. Это вещество активно впитывало в себя энергию и мертвую материю из окружающей среды и преобразовывало ее.

Новое, биокосное вещество поступало в природу и дополняло измененные условия среды, формировало на их основе экологические ниши, подключалось к циклам биологических систем, поддерживая тем самым существование организмов. Жизнь, вступая в противостояние с мертвой материей, сама творила мир, необходимый для ее существования. Через пищевые цепи перекачивались вещество и энергия, приобретавшие иные, отличные от изначальных формы.

Основу такой цепи представляют зеленые растения: микроскопический морской планктон, затем водоросли, лесные массивы и пр. Растения моря и суши поглощают из окружающей среды простейшие минеральные вещества, которые вымываются водой из горных пород. Благодаря солнечной энергии растительные организмы преобразуют минеральные соединения в белки, углеводы и прочие сложные вещества, содержащие углерод.

Солнечный свет поддерживает процесс фотосинтеза, который позволяет растениям забирать углерод из углекислого газа, имеющегося в атмосфере, и насыщаться энергией, формируя сложные углеродные молекулы. Дополнительная энергия приобретается растениями в процессе дыхания — потребления кислорода и выделения взамен углекислоты. Фотосинтез протекает в таких невероятных масштабах, что в атмосфере Земли за всю историю растительного мира накопился порядочный избыток кислорода.

Животные не обладают способностью синтезировать белки и углеводы, а потому вынуждены поглощать готовые соединения, питаясь растениями или промышляя охотой на своих травоядных сородичей. Трупы животных и растительные останки поедаются бактериями и грибами, которые перерабатывают белки и прочие органические соединения в неорганические, возвращая эти вещества обратно в окружающую среду. Круг замыкается.

Живые существа всей планеты в процессе взаимодействия с окружающей средой ежегодно производят свыше 2000 млрд т органики и прочего белка, потребляя за это же время 2475 млрд ГДж (гигаджоулей) солнечной энергии, пропуская через себя 2500 млрд т воды, 100 млн т углерода. При этом живые существа выделяют в природу ежегодно 1550 млн т кислорода и до 5 млрд т отмирающей органики, которая присовокупляется к почвенным слоям и отложениям пород.

На сегодняшний день масса горных пород, сформированных из остатков живых существ или биокосного вещества (известняков и других карбонатов, торфа, углей и других горючих ископаемых), составляет до 10¹⁶ т. В результате живое и биокосное вещество Земли образует сферу действия геомериды, область ее распространения и влияния на косную материю. Эта сфера проявления преобразующей работы организмов на земном шаре получила название оболочки жизни, или биосферы.

Человек — такое же живое существо, каким являются миллионы других видов геомериды. Поэтому он представляет собой неотъемлемую часть биосферы. Вернадский назвал существование человечества функцией оболочки живой материи. Наш вид возник в результате длительного эволюционного развития биосферы именно тогда, когда для его появления была подготовлена почва, т. е. подходящая среда, способная обеспечить выживание человечества.

Разумную материю можно назвать продуктом биосферы. По мере развития и усложнения последней возник качественно новый тип особым образом организованной материи, приспособленной к сознательной деятельности и мышлению. Внутренняя логика развития биосферы требует ее разрушения со временем и смены новой планетарной оболочкой, обладающей высокой геохимической активностью. Но такая смена означает вымирание человечества как вида и неизбежную гибель всего живого.

Вот почему прогрессивное развитие общества направлено на максимальное освоение природных ресурсов и преобразование среды обитания. Переделка условий существования не столько поддерживает наше нынешнее существование, сколько создает базу для обеспечения существования и в дальнейшем. Биосфера будет видоизменяться, но не под действием разрушительных сил Земли и космоса. Фактором эволюции оболочки живой материи выступит хозяйственная деятельность человека, подчинившего себе планетарные процессы.

Контролируя и направляя закономерные изменения в окружающей среде, человек сохранит и улучшит условия своего существования. Таким образом, в целом жизнь на Земле будет сохранена. Однако это дело далекого будущего. Пока же цивилизация своим неумелым управлением природой уверенно приближает наступление экологической катастрофы и выступает в роли деструктивного, а не созидательного фактора.

Успешное преодоление современного экологического кризиса и устранение его последствий позволят человечеству благополучно преобразовать биосферу и сохранить ее в новой эволюционной форме — ноосфере, т. е., если следовать мысли Вернадского, оболочке разума, координирующей все природные процессы на Земле и в околоземном космическом пространстве.

Изобретение экологических технологий

Взаимоотношения природы и человека на протяжении всей нашей истории были довольно сложными, неоднозначными. Конфликты между развивающимся обществом и окружающей средой всегда происходили по вине человека и, как правило, заканчивались экологическими кризисами. Только научно-технический прогресс спасал человеческий род от вымирания. В целом наше покорение природы выглядело следующим образом. Доисторический человек на раннем этапе своего развития занимался преимущественно собирательством, реже промышлял охотой на мелких животных.

Постепенное увеличение численности человечества привело к сокращению ресурсов промысла и собирательства и послужило причиной первого в истории экологического кризиса. Вряд ли стоит считать этот кризис антропогенным, т. е. вызванным человеком в ходе своей добывающей деятельности. Эксплуатация ресурсов не привела к сколько-нибудь существенным нарушениям в экосистемах, но заставила часть собирателей перейти на более активный промысел. Произошедшая за период 50–10 тыс. лет назад биотехническая революция изменила способ взаимоотношения человека с природой.

Охота становится главным средством добычи пропитания, начинается специализация первобытных племен по методам загона и прочих приемов лова, по видам промысловых животных, по типу охотничьих орудий. Многие племена на этом пути зашли в тупик и вымерли. Пагубным последствием усиленного сосредоточения на охоте, вылившегося в перепромысел крупных животных, стало полное истребление мегафауны.

Мегафауной называется совокупность гигантских птиц и млекопитающих, обитавших на планете до нашей эры. В Евразии к мегафауне относят мамонта, ископаемого бизона, шерстистого носорога, дикую лошадь, пещерного льва, пещерного медведя, тура и других животных. В Северной Америке человек истребил бизона и саблезубого тигра, в Южной Америке — гигантского ленивца и глиптодонта, в Австралии и Новой Зеландии — дипротодонта, сумчатого волка, нелетающую птицу моа.

Меньше всего пострадала фауна Африки, поскольку здесь животные успевали приспособиться к опасному двуногому соседу. Но и здесь по вине человека вымерли один вид львов, сиватерии (разновидность жирафов), гигантские лемуры и гигантские птицы эпиорнисы. Этот первый антропогенный кризис называется еще кризисом перепромысла. За ним последовали и другие. Человечество спасалось переходом к более разумным формам управления природой. Чтобы уцелеть после кризиса перепромысла, первобытные люди от охоты перешли к земледелию и скотоводству.

Затем последовал кризис поливного земледелия, обернувшийся засолением почв и вынудивший человека перейти к богарному земледелию. Именно этот кризис, по мнению некоторых исследователей, стал причиной падения Вавилона.

В Элладе и Древнем Риме начался кризис продуцентов, т. е. кризис сокращения лесной растительности. Дефорестация (исчезновение лесов) усилилась в средние века и повлекла за собой индустриальную революцию. Человек перешел на широкое использование металлов, горючих ископаемых и прочего минерального сырья.

Последствия развития цивилизации в этом направлении проявились в наше время, когда разразился кризис загрязнения окружающей среды и нехватки минеральных ресурсов. Этот кризис называется еще кризисом редуцентов, т. е. бактерий и грибов, перерабатывающих отмирающие останки и играющих в природе роль мусорщиков. Человек производит столько ядовитых отходов, что нейтрализовать их не могут все бактерии Земли. Кроме того, многие производимые нами соединения являются синтетическими, т. е. искусственными, которые никогда не участвовали в геохимических круговоротах вещества в биосфере.

В настоящее время человечество уже приняло ряд мер, направленных на предотвращение перехода кризиса в глобальную катастрофу, несущую гибель всему живому. Например, почти решена проблема нехватки минеральных ресурсов. Следует благодарить за это знаменитый Римский клуб — организацию, которая в 1970-х гг. занималась анализом экологической обстановки на планете и на основании проведенных исследований предрекла катастрофическое сокращение минерального сырья. Неутешительный прогноз заставил промышленников разрабатывать ресурсосберегающие технологии и перейти на более экономное и рациональное использование минерального сырья.

Проблема антропогенного кризиса загрязнения не решена окончательно и по сей день. Для ее решения необходимо перевести промышленность на безотходное производство с замкнутым циклом, позволяющее полностью использовать исходное сырье. Экология, однако, предупреждает, что полностью безотходное производство невозможно. Если что-то берется из среды, то что-то должно поступать взамен. Однако почти не давать отходов может предприятие, где производственный цикл завершается правильно спланированной утилизацией веществ, легко перерабатываемых бактериями.

В совокупности ресурсосберегающие и безотходные технологии называются экологическими. В последнее время к ним относятся устройства, использующие альтернативные источники энергии. Под альтернативными понимаются источники энергии, заменяющие современные гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции. Производство большого количества энергии на ГЭС, ТЭС и АЭС чревато серьезными нарушениями в окружающей среде. Электростанции производят много вредных выбросов и нарушают естественный энергетический баланс на планете. Гораздо более безопасным представляется использование естественных энергоресурсов вулканов, термальных вод, приливов и отливов, солнечного излучения.