Панорама современного естествознания

79 I . Панорама современного естествознания . Введение В XX в. естествознание развивалось невероятно быстры ми темп а ми, что обусловлива лось потребностями практики. Промышленност ь требовала новых технологий, в основе ко торых лежало ест е ственнонаучное знание. Мощным стимулятором для развития науки и техни ки стали мир о вые войны , а также экон омическое и военное противостояние двух в о енно -политических блоков, во главе ко торых стояли СССР и США. Развитые промышленные стра ны н а чали выделять большие средства на развитие сис темы образования, подготовку и воспроизводство н а учных кадров. Существенно расшири лась сеть научно-исследовательских учреждений, финансируемых как государст вом, так и част ными комп а ниями. Наука в XX столетии перестала быть частным делом, ка ковой она была в XVIII — XIX вв., когда ее р азвивали любоз нательные самоучки: адв окаты, свяще н ники, медики, ремес ленники и т. д. Наука ста новится профессией огромного чис ла людей. Современные исследования по к а зывают, что раз витие науки может быт ь выражено экспоненциальным зако ном. Объем научной деятельности удваивается кажд ые 10-15 лет. Это проявляется в ускорении роста количества научных откр ы тий и объема научной информации, а также числа людей, занятых в науке. В р е зультате — феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато уше д шее XX столетие . 1. ФИЗИКА МИКРОМИРА И МЕГАМИРА 1.1. Атомная физика Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились р а дикально. В конце XIX века ученые считали, что: 1) химические атомы каждого элемента неизменны, и существуют столько со р тов атомов, сколько известно химических элементов (в то время — примерно 70); 2) атомы данного элемента одинаковы; 3) атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса; 4) взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозм о жен. В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона (1897 г.), затем пр о тона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становит ся важнейшей зад а чей физики XX в. После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона, было установлено существование большого числа новых элемента р ных частиц. В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны — н е стабильные микрочастицы; различного рода гипероны — нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22 — 10 -24 с); нейтр и но — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино — античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного з а ряда, и др. В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представл е ние — взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия . Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия ок о ло (10 - 13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить. Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус де й ствия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; вза и модействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, с и лах упругости, трения. Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия мен ь ше 10 - 15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с в е ществом. Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет р е шающее значение, когда речь идет об очень больших массах. Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие кла с сы: 1. Фотоны - кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электр о магнитном. 2. Лептоны (от греч. leptos - легкий), к числу которых относятся эле к троны, нейтрино; все они не обладают силь ным взаимодействием, но уча с вуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд — также и в электромагнитном взаимодейс т вии. 3. Мезоны - сильно взаимодействующие н е стабильные частицы. 4. Барионы (от греч. berys - тяжелый), в состав которых входят нуклоны (н е стабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из рез о нансов. Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зр е ния, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества закл ю чается в том, чтобы разыс кивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых сост о ит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпич и ков». Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появл я ются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это в о все не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в прир о де. Приблизительно в 1963-1964 гг. появилась гипотеза о существовании ква р ков - частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки имеют весьма необычные сво й ства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микроча с тиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком эле к трического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких деся т ков. Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следу ю щим образом: 1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую част и цу химического элемента. 2. У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтез и рованы). 3. Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти проце с сы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусстве н ным путем (посредством различных ядерных реа к ций). Таким образом, физика XX в. давала все более глубокое обоснование идеи разв и тия. 1.2. Астрофизика. Релятивистская косм о логия Современная космология начала складываться в 20-е гг. XX в. на основе созданной Эйнштейном общей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кр и визна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, осн о ванная на этих постулатах, - релятивистская. Еще в 1922 г. советский математик и геоф и зик А.А. Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сж и маться. Уравнения Фридмана теоретически обосновали нестационарность Вс е ленной. На этот вывод ученые не обращали внимание вплоть до открытия американским астроном Эдвином Хабблом (1889— 1953) в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело в том, что еще в XIX веке австри й ский физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил, что если источ ник света приближается, спектральные линии смещ а ются в сторону более коротких волн, если удаляется — в сторону более длинных (красных) волн. Это явление было назв а но эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких источников света. Красное смещение оказалось пропо р циональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расш и рении видимой части Вселенной. Тем самым теоретически построенные Фридманом модели нестационарной Вселенной были обоснованы результ а тами наблюдений. Существует два различных типа моделей Фридмана. Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой кр и тической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть простра н ственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продо л жаться всегда. В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той лее критической вел и чины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае коне ч на, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов о с тановить расши рение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой пло т ности. В 1965 г. американские ученые-астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон сд е лали с помощью радиотелескопа — устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, - открытие большой важн о сти. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное с о ветским ученым И. С. Шкловским ре ликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселе н ной, когда ей было всего около 3 млрд лет. Два экспериментально установленных положения — расширение Вс е ленной и реликтовое излучение — являются убедительными доводами в пользу так называемой теории «большого взрыва», ставшей теперь общ е признанной. До утверждения этой теории существовала теория стационарного с о стояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII — XIX вв. и даже в первой половине XX в. в астр о номии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто статическое, не и з меняющееся. Основываясь на теории расширяющейся Вселенной, оказалось возмо ж ным проследить развитие Вселенной в «обратную сторону», т. е. попроб о вать вернуться возможно дальше назад. Хотя осуществить такую реконструкцию было далеко не просто, но все же она ок а залась успешной. По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд. градусов К (1011 К). При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых пр е обладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и не й троны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной, в 4000 млн. раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непр е рывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (109 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра ат о мов, в частности ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из ф о тонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен т ы сяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для во з никновения галактик и звезд. Как следует из сказанного, за последние примерно 50 лет достигнуты значительные р е зультаты в изучении звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции. 2. ДОСТИЖЕНИЯ В ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соед и нений. Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения с о единений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинет и ке и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускор е нию и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие темп е ратуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлен и ем электронных схем. Неорганические соединения применяются как конструкционные мат е риалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармаце в тические материалы. Органическая химия — наиболее крупный раздел химической науки. Если число известных неорганических веществ исчисляется тысячами, то органических веществ известно несколько миллионов. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году СВ. Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него кауч у ка. В 1936 г. У. Карозерс синтезирует «найден», открыв новый тип синт е тических полимеров — полиамиды. В 1938 г. Р. Планкет случайно открыв а ет тефлон, создавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной термостабильностью, созд а ются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химич е ской и электротехнической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полим е ров). Начавшиеся в 30-40-е гг. широкие исследования фосфо рорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологич е ски активных соединений — лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты ра с тений и др. Химия красителей практически дала начало химиче ской индустрии. Например, химия ароматических и гетероциклических соединений создала первую отрасль химической про мышленности, продукция которой ныне превосходит 1 млрд. тонн, и породила новые отрасли — производство душистых и лекарственных в е ществ. Проникновение органической химии в смежные области - биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство - привело к изучению свойств, у с тановлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредит е лями. Ощутимые результаты дает применение математического моделиров а ния. Если нахождение какого-либо фармацевтического препарата или инсе к тицида требовало синтеза 10— 20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается, лишь в результате синтеза нескольких десятков соед и нений. Роль органической химии в биохимии трудно переоценить. Так, в 1963 г. В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антиди уретическим де й ствием), брадики кин (обладает сосудорасширяющим действием). Разработаны полуавтоматические метод ы синтеза полипептидов (Р. Мер и фи лд, 1962). Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился пе р вый синтез активного гена ( X . Корана, 1976). В 1977 г. синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 78-м - ген соматостатина (способен угнетать се к рецию инсулина, пептидный гормон). Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая химия последних десятилетий характ е ризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (использует идеи и методы квантовой физики для об ъ яснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании те о ретических расчетов; наряду с этим широко используются физические методы исследования — рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на пр и менении изотопов и др. Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения х и мического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других матери а лов высокой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, хим и ко-спектральный анализ и др. Современная химия предстает перед нами как исключительно мног о гранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенси в ное развитие. Важнейшим стратегическим ориентиром этого процесса явл я ется все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного произво д ства. 3. БИОЛОГИЯ XX в.: ПОЗНАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО УРОВНЯ ЖИЗНИ 3.1. Предпосылки развития современной биологии Современная биология основывается на тех достижениях, которые б ы ли сделаны в этой науке во второй половине XIX в.: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, важне й шие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И.М. Сеченова и И.И. Па в лова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала XX в., но уже выполне н ные их выдающимся автором. XX в. явился продолжением не менее интенсивного прогресса в биол о гии. В 1900 г. голландским ученым-биологом X . де Фризом (1848-1935), н е мецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-19 33) и австрийским уч е ным Э. Чер мак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установле н ные Менделем. Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят при н цип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родит е лей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известн ым датским биологом Вильгельмом Иога нсо ном (1857-1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного призн а ка. Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезокс и рибонуклеиновую кислоту (ДНК) — высокомолекулярное соединение, нос и тель наследственных признаков. Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной ч а стью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК — носитель всей наследственной информ а ции организма. Развитию генетики способствовали в большой мере исследования и з вестного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866— 1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растител ь ных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением по ловых) имеют н а боры парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании призн а ков. Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, пер е даваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно назы вают ест е ственными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированн ы ми). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутир о вать, т.е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — и з вестно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуциро ванные мутации могут возникать в результате радиоактивного о б лучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых хим и ческих веществ. Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский уч е ный-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867— 1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году во з действие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890— 1967), раб о тавший в течение 1933— 1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дал ь нейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное обл у чение вызывает мутации. Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность, которым Дарвин придавал большое значение, пол у чили более глубокое толкование. Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соотве т ствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и н а следственности, а следовательно, всему процессу эволюции живо го мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии в ы двинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, прои с ходящих на молекулярном уровне. 3.2. Молекулярная биология Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины наш е го века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, ск о рость его резко возросла. У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е г. почти повсем е стно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 г. О. Эв е ри, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеи новой кисл о те). Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уо т сон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напом и нающую двойную спираль. Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исслед о вания структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространс т венной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разр а ботанную в 1951 г. Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плоской, а свернута в спираль, характеристики которой были также определ е ны. Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспрои з ведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих ви русов, и разг а даны пути их биогенеза в клетке. Другое направление молекулярной генетики — исследование мутации генов. Совреме н ный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, п о зволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е гг. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электроф о реза. В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автомат и зирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как н е живой. В последнее время в средствах массовой информации активно обсу ж даются опыты по клонированию и связанные с этим нравственные, правовые и религиозные проблемы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплод о творении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим обр а зом. 1973 г. — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали катего рические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США. 1978 г. — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пр о бирки». 1997 г. - 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне ми к рофотографии яйцеклетки — знаменитую овечку Долли, родившуюся в инстит у те Рослин в Эдинбурге. 1997 г. — в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести овец, полученных по рослинскому методу. Три из них, в том числе и овечка Долли, несли человеческий ген «фактора IX », или кровоостанавл и вающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несверт ы ваемостью крови. 1997 г. — чикагский физик Сиди объявляет о создании лаборатории по клонированию людей: он утверждает, что отбоя от кл и ентов у него не будет. 1998 г., начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной т е лочки. Все это открывает уникальные перспект и вы для человечества. Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биол о гии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции отторж е ния и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автом о бильные аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь из-за заболеваний пожилого возраста (изношенное сердце, бол ь ная печень и т. д.). Самый наглядный эффект клонирования — дать возможность безде т ным людям иметь своих собственных детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обреченными ост а ваться без потомков. 3.3. Расшифровка генома человека Первоначально (в 1988 г.) средства на изучение генома человека выделило министерс т во энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал пр о фессор Чарлз Кэнтор. В 1990 г. Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавл е ны к бюджету министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в вед е ние дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Н а циональные институты здоровья ( National Institutes of Health , сокращенно NIH ). В составе NIH появился новый институт — Национальный институт исследования генома человека ( NHGRI , директор Фрэнсис Ко л линз). В мае 1992 г. ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил, о создании нового, частного исследовательского учрежд е ния — Института геномных исследований ( The Institute for Genomic Research , сокращенно - TIGR , или ТИГР). Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах З а пада началась настоящая гонка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 г. британский «Белком траст» (формально правительс т во Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном челов е ка» через этот частный благотворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн. фунтов стерлингов (примерно 167 млн. долларов) нескольким английским лабораториям, за нимающимся исследов а ниями генома человека, из них 77 млн. долларов было выделено на 1999 г. Сэнгеровскому центру в Кэмбридже. При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 г. предп о лагалось, что точность исследования генома составит 99,99%. Потом сроки подвинули, о с новываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90% -ой точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 г. 2 декабря 1999 г. журнал « Nature » обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва в исследовании генома человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и американских лабораторий был завершен полный ан а лиз одной из хромосом человека (правда, одной из самых мален ь ких) — хромосомы 22. На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил журнал « Science » со ссылкой на газету «Ле Монд» от 14 мая 1999 г., фра н цузское правительство решило в этот момент «впрыснуть» дополнительно 330 млн. долларов на ближайшие три года в бюджет расположе н ного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври. В июне 1999 года Германия, которая до этого выделяла явно недост а точно средств на исследования генома человека (всего 23 млн. долларов в год, начиная с 1996 г.), и з менила свой подход: на ближайшие пять лет было отпущено 550 млн. долларов. В ноябре — декабре 1999 г. стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома ч е ловека до 280 млн. долларов. 13 июля 1999 г. об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило правительство Яп о нии. То, что участвовавшая в начале создания международного проекта «Г е ном человека» Россия фактически приостановила свой вклад в него, можно рассматривать однозначно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отношении на ск а тывание на уровень второстепенных государств, обреченных на экономическую зависимость в будущем от тех, кто вложил средства в эту перспективную научную о б ласть. Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планирова в шихся сроков (2005— 2010 гг.). Уже в канун нового, XXI в. были достигнуты сенс а ционные результаты в деле реализации указанного проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вм е сто предполагавшихся ранее 80— 100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 т ы сячи). Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информ а цию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технол о гии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качес т венно новый уровень трансплантология, получат развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится мед и цинская диагностика и т. д. Выводы Научные исследования физических, химических, биологических явл е ний, проводившиеся в XX в., существенно расширили, углубили прежние представления о стру к туре и свойствах материи. Если на рубеже XIX и XX вв. была известна лишь одна элементарная частица — электрон, то на рубеже XX и XXI вв. количество известных эл е ментарных частиц исчисляется сотнями. Во второй половине XX в. было выяснено, что эл е ментарные частицы, образующие ядра атомов, сами обладают внутренней структурой и состоят из «еще более элементарных» частиц — кварков. Наряду с успехами в исследовании микромира современная наука имеет значител ь ные достижения и в познании мегамира. В XVIII — XIX вв. и даже в первой половине XX в. господствовала теория стационарной Вселенной, которая представлялась статичной, не изм е няющейся в пространстве. Такое понимание во второй половине XX в. было отброшено и заменено теорией расширяющейся Вселе н ной. Современная астрофизика внесла много нового в понимание эволюции звезд, открыла совершенно новые, неизвестные ранее космические объекты (пульсары, кваз а ры). Крупнейшее достижение науки начала XX в. — создание теории относител ь ности — явилось естественно-научным подтверждением важнейшего положения диалектико-материа-листической картины мира о единстве мат е рии, движения, пространства и времени. Творцу теории относительности удалось показать не просто единство, но зависимость свойств пространства и времени от движущейся м а терии и друг от друга. Существенно расширились в XX столетии представления и о структу р ных уровнях органической природы, которые включают молекулярный ур о вень жизни, клеточный уровень (микроорганизмов, тканей и органов), уро в ни целого живого организма, сообществ организмов, биологических видов, биогеоценозов (совокупности видов различных организмов в единстве с природными условиями их существования) и, нако нец, биосферы в целом, т.е. области распространения жи з ни на Земле. Если важнейшими доказательствами единства органического мира в XIX в. стали открытие клеточного строения организмов и эволюционная теория Дарвина, то в XX в. такими доказательствами явились открытия в области молекулярных основ наследственности в ж и вой природе. Прогресс в биологии еще в первой половине XX в. привел к введению понятий гена (как единицы наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака) и хромосомы (как стру к турного ядра клетки, обозначаемого ДНК и являющегося высокомолекуля р ным соединением — носителем наследственных признаков). Расшифровка молекулы ДНК в середине XX в. послужила началом интенсивных исслед о ваний в области молекулярной биологии, которые к концу XX в. вплотную подвели к расшифровке генома человека. II . Атомная энергия в народном хозяйстве Одной из самых замечательных ядерных реакций является реакция деления. Дел е нием называется реакция расщепления атомного ядра на две примерно равные по ма с се части (осколки деления). Тяжелые ядра ( Z