Чего мы достигли

В XX в. население Земли, в том числе и благодаря достижениям медицины, выросло в 4 раза. То, чем природа уже не могла обеспечить увеличившееся человечество, стала создавать наука. Прилавки магазинов наполнились продуктами из генетически модифицированных организмов (ГМО), а химики создали искусственные полимеры, заменяющие дерево, каучук и натуральные волокна.

В XX в. фундаментальные исследования стали быстрее переходить в сферу прикладных наук и воплощаться в полезные изобретения. Изучение атома и элементарных частиц вызвало бурное развитие электронных информационных технологий и связи, дало человечеству ядерную энергию и лазер, новые источники света, сверхточные атомные часы. Будущее науки в глубоком взаимодействии разных областей знания, и самые грандиозные открытия произойдут на стыке разных наук. Одна из важнейших задач науки и техники, над которой сейчас трудятся математики и программисты совместно с нейрофизиологами, — создание искусственного интеллекта.

ГМО — друг или враг?

Веками люди выводили новые сорта растений и породы животных селекцией — отбором и скрещиванием особей с полезными человеку признаками. Требовалось вырастить не одно поколение, чтобы эти признаки выявились и закрепились. Генная инженерия ускорила и упростила этот процесс, а также позволила передавать полезные признаки между нескрещиваемыми видами. ГМ (генетически модифицированные) сорта сельскохозяйственных растений устойчивы к насекомым-вредителям, болезням, засухе и засолённости почв, быстрее растут и созревают, они вкуснее и питательнее обычных растений.

Повышенная урожайность ГМ растений и простота их выращивания решает проблему обеспечения скота дешёвыми кормами, а населения более доступными продуктами питания, сделанными из ГМО. Хотя пока не обнаружено прямых негативных последствий употребления ГМ продуктов, но, возможно, эти последствия проявятся лишь спустя десятилетия. Выращивание ГМ растений может неблагоприятно сказываться на окружающей среде: например, массовое исчезновение пчёл в ряде регионов Земли некоторые исследователи связывают с выращиванием ГМ кукурузы.

Стволовые клетки

В человеческом организме более 220 видов клеток, и все они произошли от первой клетки. Первые, плюрипотентные (развивающиеся по всем направлениям) стволовые клетки составляют главный ствол «родословного древа» всех клеток организма. От них ответвляются унипотентные стволовые клетки более узкой «специализации»: стволовые клетки крови, нервной, мышечной, костной и других тканей. Плюрипотентные клетки есть только у эмбриона (зародыша), а унипотентные стволовые клетки сохраняются и у взрослых людей. Они — неприкосновенный запас организма, который в случае необходимости будет пущен на воспроизводство утраченных клеток.

Стволовые клетки крови были открыты русским учёным А.А. Максимовым в 1909 г., а с 1960-х гг. их стали использовать в медицине. С тех пор было открыто ещё несколько видов унипотентных клеток. Их стали выделять из спинного мозга и других тканей и трансплантировать для регенерации (восстановления) повреждённых тканей. Также разрабатываются методы использования терапевтически клонированных плюрипотентных стволовых клеток для лечения повреждений спинного мозга, некоторых видов слепоты, болезни Паркинсона. Некоторые учёные видят будущее медицины за стволовыми клетками, с помощью которых наши потомки будут выращивать для себя любые органы взамен старых или повреждённых.

«Родословное древо» стволовых клеток. Оплодотворённая яйцеклетка (а), начиная делиться, производит плюрипотентные (эмбриональные) стволовые клетки (6), которые при дальнейшем делении начинают «специализироваться», образуя унипотентные стволовые клетки (в) крови, кожи, нервной, сердечно — сосудистой, костной и других видов тканей. От унипотентных стволовых клеток образуются разные типы клеток всех тканей организма.

Применение стволовых клеток крови в медицине. Для восстановления повреждённых (например, при радиационном облучении) клеток крови используют здоровые донорские стволовые клетки. Донорскую кровь прогоняют через центрифугу (1), отделяя стволовые клетки, и заполняют ими пластиковый пакет (2). Пакет хранят замороженным в особой морозильной камере (3). Перед использованием клетки размораживают и через капельницу (4) вводят в вену больного. По венам и сосудам стволовые клетки крови (5) достигают своего «дома» — костного мозга (6), где приживаются и начинают делиться, превращаясь в новенькие эритроциты (7), тромбоциты (8), лейкоциты (9).

Искусственные волокна

В 1892 г. появилось первое искусственное волокно на основе природного полимера — целлюлозы. Первым синтетическим волокном, полученным из синтезированного (искусственного) полимера стал полиамид «нейлон». В 1935 г. его синтезировал американский химик У. Карозерс по заказу химической компании «Дюпон». Он получил полимер с очень длинными молекулами, хорошо вытягивающимися в волокна. Из нейлоновых волокон прядут нити и делают различные ткани, например материал для женских чулок, которые изначально так и назывались «нейлон». Вслед за нейлоном появились капрон, лавсан, лайкра (эластан), акрил и многие другие синтетические волокна, названия которых мы видим на бирках одежды.

Производство нейлоновых волокон. Гранулы нейлона (а) плавят в плавильнях (6), расплав перемешивают миксером (в) и выливают на частую решетку фильеры (г). Струйки нейлона (д), вытекающие из фильеры, охлаждаются потоком воздуха (е), застывают, вытягиваются (ж), так чтобы все молекулы расправились вдоль волокна, и наматываются на бобины (з). Из волокон прядут нити, а из нейлоновых нитей делают чулки (и) и ткани, например для пошива непромокаемых курток (к).

Атомные часы

В основе отсчёта времени лежат процессы, происходящие со строгой периодичностью: солнечные часы используют периодичность вращения Земли, механические часы — периодичность раскачивания регулятора. Но в XX в. точность этих процессов оказалась недостаточной. Повышенные требования к точности измерения времени выставило, например, освоение человечеством сверхзвуковых и космических скоростей — временная ошибка в тысячные доли секунды даёт большие просчёты в определении положения космического корабля, спутника или самолёта.

В 1967 г. за временной эталон была принята периодичность электромагнитного излучения атома цезия — 133, возникающего при его переходе с одного энергетического уровня на другой. Частота этого излучения составляет 9 192 631 770 Гц (т. е. колебаний в секунду) и настолько стабильна, что допускает ошибку в 1 секунду за 30 000 000 лет. Прибор для измерения этих колебаний и отсчёта по ним времени — атомные часы — самый точный хронометр на сегодняшний день.

Светящиеся трубки

Эффект свечения газа под воздействием электрического тока был обнаружен ещё в середине XIX в. Но тогда этот эффект не получил ни научного объяснения, ни практического применения, потому что газ под воздействием тока вступал в реакции с материалом электродов и, образуя с ним химические соединения, слишком быстро расходовался.

В 1898 г. шотландский химик У Ремзи открыл газ неон, а к 1904 г. ещё криптон и ксенон, свойства которых оказались схожи и между собой, и со свойствами уже открытых гелия и аргона. Атомы этих газов прочно удерживают свои электроны, что мешает им вступать в химические реакции с другими веществами, т. е. они химически не активны — инертны. Инертные газы хорошо подходят для создания газосветных ламп — под воздействием тока в запаянной колбе они не расходуются.

Даже слабый ток способен возбудить атомы газа и заставить их испускать фотоны оптического диапазона. Энергия электричества не растрачивается на ненужное тепло, а идёт только на создание света, что очень экономично. Первым создал неоновую газосветную лампу французский инженер Ж. Клод в 1910 г.

Устройство газосветной лампы с инертным газом. Свободные электроны (а), вылетающие из подключённого к источнику тока электрода (6) в наполненную инертным газом трубку (в), сталкиваются с электронами (г) в атомах газа, но не могут выбить их из атомных оболочек и лишь отдают им при ударе свою энергию, возбуждая атомы. Возбуждённый атом избавляется от лишней энергии, испуская фотон (д) — квант света. Так происходит свечение — люминесценция газа.

Атомные часы

В основе отсчёта времени лежат процессы, происходящие со строгой периодичностью: солнечные часы используют периодичность вращения Земли, механические часы - периодичность раскачивания регулятора. Но в XX в. точность этих процессов оказалась недостаточной. Повышенные требования к точности измерения времени выставило, например, освоение человечеством сверхзвуковых и космических скоростей - временная ошибка в тысячные доли секунды даёт большие просчёты в определении положения космического корабля, спутника или самолёта. В 1967 г. за временной эталон была принята периодичность электромагнитного излучения атома цезия-133, возникающего при его переходе с одного энергетического уровня на другой. Частота этого излучения составляет 9 192 631 770 Гц (т. е. колебаний в секунду) и настолько стабильна, что допускает ошибку в 1 секунду за 30 000 000 лет. Прибор для измерения этих колебаний и отсчёта по ним времени - атомные часы - самый точный хронометр на сегодняшний день.

Устройство атомных часов. Термоконтейнер (1) испаряет атомы изотопа цезия — 133 в разном энергетическом состоянии (2). Для работы атомных часов необходимы атомы, находящие в строго определенном состоянии, например в невозбуждённом. Входной сортирующий магнит (3) отсеивает возбуждённые атомы (4), а невозбуждённые (5) попадают в резонатор (6). В резонаторе на них воздействует электромагнитное излучение частотой 9 192 631 770 Гц, которое генерирует кварцевый излучатель (7). Атомы цезия — 133 поглощают только фотоны частоты 9 192631 770 Гц и меняют своё энергетическое состояние (8). на выходе сортирующий магнит (9) отделяет оставшиеся невозбуждёнными атомы (10), а атомы, изменившие своё энергетическое состояние (11), попадают в детектор (12). Максимальное количество изменивших состояние атомов свидетельствует о том, что частота излучения генератора была равна точно 9 192 631 770 Гц. Часы идут верно. В детекторе количество атомов регистрируется изменением величины проходящего тока, который поступает в делитель частоты (13). Там частота сигнала делится на 9 192631 770 для получения 1 импульса в секунду, который и подаётся на табло (14) часов. Если показания тока уменьшились, частоту излучения в излучателе надо скорректировать, чтобы отрегулировать ход часов.

На стыке наук

Головной мозг - это сложный электрический аппарат, управляющий деятельностью организма, посылая по нейронам, как по проводам, электрические импульсы ко всем органам. В 1929 г. немецкий нейрофизиолог Г. Бергер изобрёл электроэнцефалограф (ЭЭГ) - аппарат для фиксации слабых мозговых импульсов, которые «считывались» электродами (датчиками), наложенными на голову пациента.

На стыке нейрофизиологии и информатики возникла идея управления компьютером электрическими командами мозга, считанными ЭЭГ-датчиками. Воплощение этой идеи позволило бы парализованным людям с помощью компьютера управлять инвалидными колясками и роботизированными протезами. Первые опыты по компьютерному считыванию мозговых команд провели в конце XX в.

Человек, подключённый к компьютеру ЭЭГ-датчиками, просматривал возникающие на экране буквы. При появлении нужного символа, активность мозга наблюдателя повышалась, компьютер это фиксировал и записывал «отмеченную» букву. Так силой мысли человек набирал сообщения. Усовершенствование обработки сигналов позволило создать компьютер, считывающий до 8 команд в секунду с точностью до 95%. Сигналы считываются точнее, если электрод имплантирован непосредственно в кору головного мозга. Такой эксперимент был успешно проведён в 2005 г.: полностью парализованный человек с вживлённым электродом научился мысленно управлять роборукой, совершая ею простейшие движения.

В мозгу возбуждается тело (а) нервной клетки — нейрона (б). Электрический импульс (в) от тела нейрона по его отростку, аксону (г), передается следующему нейрону, и так по нейронной цепочке достигает нужного органа (д). При мысленном управлении компьютером роль тел нейронов играют ЭЭГ — датчики (е), роль аксонов (ж) — провода, а компьютер (з) становится исполнительным органом.

Искусственный интеллект

В 1956 г. американский информатик Дж. Маккарти выдвинул идею создания искусственного интеллекта (ИИ) — компьютерных программ, выполняющих творческие функции человека и способных к самообучению. А первые шаги в этом направлении были сделаны ещё раньше, с появлением первых ЭВМ: для них стали писать программы игры в шахматы. Число позиций, возникающих на доске во время игры, достигает 10⁴⁰. Записать все эти варианты невозможно, для этого потребуется электронный носитель величиной с Луну. Поэтому число возможных ходов должно быть ограничено анализом игры, расчётом ближайших ходов и выбором подходящих вариантов. И эти задачи решает ИИ.

Для определения уровня «интеллектуальности» компьютера английский математик и логик А. Тьюринг в 1950 г. предложил тест, в котором судья (человек) на основании вопросов и ответов должен определить, с компьютером или с человеком он общается. Ежегодно проводятся соревнования компьютерных программ по прохождению теста Тьюринга. Но программы пока не могут реагировать настолько по-человечески, чтобы обмануть всех судей.

Сейчас ИИ используется в самых разных сферах: от компьютерных игр до распознавания автомобильных номеров с камер видеонаблюдения. Многие учёные видят будущее науки и техники в развитии ИИ, который будет помогать совершать открытия и воплощать их результаты на практике.

Для входа на некоторые сайты с целью предотвращения атаки автоматических систем пользователю предлагается распознать набор искажённых цифр и букв. Для человека это не составит труда, а для компьютера эта задача непосильна. Компьютеры распознают печатный текст, но в их программу невозможно ввести все возможные варианты искажений множества знаков, а без этого он пока не может проанализировать изображение.