Текст книги "Юный техник, 2010 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

СОЗДАНО В РОССИИ
Что поведает геном?

Новая вычислительная техника позволит в скором, будущем составить генетический паспорт буквально для каждого человека, считает руководитель исследований академик Алексей Скрябин.

В геноме микроба, как он ни мал, содержится примерно 2,5 млн. единиц информации – столько же, сколько содержится во всех четырех томах «Войны и мира» Льва Николаевича Толстого. В геноме каждого человека уже 6 млрд. единиц – 3 млрд. получены от мамы, еще три – от папы. Такое количество информации содержит вся библиотека Льва Толстого в Ясной Поляне.

Понятное дело, чтобы прочесть эту «библиотеку», обычному человеку понадобятся многие годы. Компьютер позволяет произвести расшифровку генома намного быстрее.

Для исследований ученые под руководством академика К.Г. Скрябина выбрали геном мужчины, поскольку в отличие от женского в нем имеется набор хромосом XY, в то время как женщины обладают набором XX. Стало быть, можно получить несколько больший объем информации.

Если на расшифровку первого генома ушло около 10 лет и 3 млрд. долларов, то сейчас такая расшифровка занимает порядка 100 дней и стоит 2 млн. долларов. В дальнейшем цена расшифровки упадет до 1000 долларов и будет занимать не более одного рабочего дня. Генетический анализ еще долго будет стоить дороже биохимического анализа крови, но позволит получить о человеке значительно больше информации. Зачем это нужно?

«Война и мир» это далеко не одно и то же, что «Война и мор». Изменение всего одной буквы в названии меняет смысл всего произведения. Так и изменение той или иной «буквы» в генетическом коде значительно меняет смысл генетической информации, и задача генетической медицины в чем-то похожа на работу учителя русского языка, правящего ошибки в диктантах своих учеников.

Только работа эта будет уже оцениваться не отметкой в тетрадке или в дневнике, а здоровьем или даже жизнью человека. Медицина получит возможность выращивать из отдельных клеток новые органы для данного человека взамен утраченных, не заботясь больше о преодолении иммунологических барьеров. Ведь выращенный орган будет столько же родным данному человеку, поскольку он выращен из его же клеток.

Можно будет предсказать течение жизни данного человека на много лет вперед и излечить его от врожденной болезни раньше, чем она начнется. Более того, можно будет совершенствовать человека примерно так же, как ныне мы совершенствуем те же компьютеры.

Владимир БЕЛОВ

Кстати…

ЕЩЕ ОДИН СУПЕРКОМПЬЮТЕР

Ученые МГУ планируют ускорить расшифровку генома конкретного человека с помощью нового суперкомпьютера, который станет самой мощной вычислительной системой в СНГ. Об этом сообщил ректор МГУ академик В.А. Садовничий.

Новый суперкомпьютер, получивший название «Ломоносов», заработает на полную мощность уже к весне 2010 года, сообщил ректор. Он сможет производить 500 терафлоп операций в секунду. То есть, говоря иначе, его мощность почти в 10 раз выше, чем у ныне работающего в МГУ суперкомпьютера «Чебышев».

ПРЕМИИ
Рентген «молекулярных машин»

Лауреатами Нобелевской премии 2009 года в области химии стали биохимики Венкатраман Рамакришнаниз Кембриджского университета (Великобритания), Томас Стайциз Йельского университета (CIIIA) и Ада Йонатиз израильского Института естественных наук имени Вайцмана. Престижную награду они получили за изучение структуры и функции рибосом с помощью рентгеноструктурного анализа.

Рибосомы, напомним, это крошечные частицы – органеллы, которые в клетках живых организмов выполняют важнейшую операцию – синтезируют белки из плавающих в клеточной жидкости аминокислот. А без белков, как известно, немыслим ни один процесс, происходящий в живом организме. Причем синтез каждой разновидности белка происходит по определенной, заранее заданной схеме.

Этот процесс называется трансляцией и происходит следующим образом. Через специальный канал в рибосоме протягивается линейная молекула малой рибонуклеиновой кислоты, или мРНК, с которой рибосома считывает информацию о составе будущего белка. А сама мРНК получает информацию с «главной» наследственной молекулы ДНК, где та закодирована генами.

В общем, именно рибосома превращает генетическую информацию, закодированную в ДНК, в конкретный набор свойств данного организма – определяет, скажем, будет ли человек правшой или левшой…

Рибосомы были замечены и описаны учеными в начале 50-х годов XX века. Их функцию в организме впервые определили Клод, Паладе и Де Дюв, которые в 1974 году получили за это Нобелевскую премию. Очень близки к открытию этих важнейших органелл, объяснению их функций были и наши отечественные ученые, однако в те времена все исследования в молекулярной генетике в нашей стране были остановлены. И лишь позднее наши соотечественники – прежде всего академики Андрей Белозерский и Александр Спирин – сумели внести свой вклад в решение проблемы.

В. Рамакришнан.

А. Йонат.

Т. Стамц.

А она состояла вот в чем. В 1964 году Джеймс Уотсон – тот самый, кто вместе с Френсисом Криком получил Нобелевскую премию за открытие спиральной структуры ДНК – сказал как-то по поводу рибосомы: «К несчастью, мы не сможем точно описать на химическом уровне, как действует эта молекула, пока мы не узнаем ее структуру».

Лишь спустя почти 40 лет после его высказывания, в 2001 году, структура рибосомы была наконец разгадана. Сделали это общими усилиями исследователи нескольких стран, в том числе и российские, прежде всего благодаря использованию рентгеноструктурного анализа.

Все вы имеете какое-то представление о медицинском рентгене – процедуре, с помощью которой врачи просвечивают наш организм и узнают, как работают внутренние органы, нет ли где переломов костей. А теперь попробуйте представить, что рентген нужно сделать не всему организму или каким-то его органам, но всего лишь отдельным частям клетки, которую даже не во всякий микроскоп можно рассмотреть. Какая же аппаратура нужна для этого?

Дело усложняется еще и тем, что рентгеновское излучение невозможно, словно световые лучи, фокусировать, поворачивать и т. д. с помощью обычных стеклянных линз и призм. Поэтому для управления ходом рентгеновских лучей используют их дифракцию, преломление на особых кристаллах.

Впервые такую возможность еще в 1912 году показал в своих экспериментах коллектив немецких физиков под руководством професора М. Лауэ. Годом позднее английский физик У. Брэгг и его коллега Г.Вульф выяснили, что дифракцию можно в данном случае рассматривать как отражение рентгеновского луча от одной из граней кристалла. А стало быть, поворачивая кристалл, делая его многогранным, можно в определенной степени управлять и ходом рентгеновского луча.

Однако все это легко сказать и очень трудно сделать. Ведь работать приходится, по существу, вслепую, поскольку рентгеновские лучи невидимы: даже еще при этом ухитряться вести «снайперскую стрельбу» по столь крошечным целям, какими являются рибосомы клетки!..

Пришлось конструировать особые рентгеновские аппараты, дифрактометры и гониометры, учиться выращивать моно– и поликристаллы с заранее заданными свойствами, отрабатывать методы их поворота и перемещения во время исследований… Наконец, надо было научиться и понимать, что именно изображено на полученных рентгенограммах; ведь «читать» даже обычные медицинские рентгеновские снимки умеют далеко не все специалисты…

Вот и получилось, что на все про все ушло около 100 лет. Лишь в начале нынешнего, XXI века удалось начать наконец планомерное изучение рибосом.

Нынешние лауреаты, используя рентгенокристаллографию, показали, как именно рибосома считывает информацию, записанную в ДНК. Разобрались они, и как рибосома производит белки, которые, в свою очередь, контролируют химические процессы во всех живых организмах. Оказалось, что именно внутриклеточная «фабрика белка» является ареной действий антибиотиков, когда те атакуют клетки вредных, патогенных микробов.

Причем, как известно, большинство из болезнетворных микробов умеют быстро адаптироваться, перестраиваться, и тогда антибиотики перестают на них действовать. Появление все новых вредных микробов, на которые не действуют испытанные лекарства, – одна из важнейших проблем современной микробиологии и медицины.

Механизм их перерождения тоже смогли разгадать ученые-лауреаты. Исследования, удостоенные Нобелевской премии, по идее позволят выиграть «сражение на опережение», помогут фармакологам создавать новые антибиотики быстрее, чем микробы смогут к ним приспосабливаться.

С. ЗИГУНЕНКО

КУРЬЕР «ЮТ»
Чемпионат по эсэмэскам

Всего 3 минуты 41 секунда понадобились московскому студенту Дмитрию Соколову, чтобы набрать SMS-фразу, состоящую из 218 символов. По его словам, если бы разрешили пользоваться своим мобильником, он бы справился еще быстрее.

Сначала организаторы этого своеобразного чемпионата России поделили всех участников на четыре команды. После отборочного тура определились восемь финалистов. Дальше ребятам выдали новые, незнакомые им телефоны, дали минут 15 на ознакомление с ними и начали предлагать фразы для набора.

На каждом этапе за каждую правильно набранную эсэмэску участник, первым отправивший ее на компьютер, получал от 100 до 300 очков. Уровень подготовки финалистов оказался примерно одинаковым: к последнему, двенадцатому, этапу все подошли с почти равным количеством баллов, никто не набрал больше 300.

Последний же этап давал победителю сразу 400 баллов. Надо было набрать текст песенки Винни-Пуха: «Хорошо живет на свете Винни-Пух, оттого поет он эти песни вслух»…

Тут случилось то, чего никто не ожидал: первым с заданием справился студент Дима Соколов, который до этого в лидерах никак не числился. Ответ был засчитан – и Дима разом стал обладателем 1 млн. рублей и бесплатного пакета на 1 млн. эсэмэс. Кроме того, его ожидает поездка в США на финал мирового чемпионата.

Редактор российской Книги рекордов Гиннесса Алексей Свистунов вписал имя победителя в историю российских рекордов.

Правда, пока непревзойденным мировым чемпионом по набору эсэмэс считается 16-летний гражданин Сингапура, студент-первокурсник Чуан Ян. Он безошибочно набрал сложный текст из 160 символов за 41,52 секунды.

Рабочий момент соревнований. Мобильник Д. Соколова(справа).

Победитель дает интервью прессе.

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
Быль про пыль

…Она надоедлива и вездесуща. Ее можно найти на подоконнике, книжной полке и в шкафу. Стоит протянуть руку – и на наших пальцах может оказаться неизменная спутница человека – пыль. И мало кто догадывается, что среди пылинок есть те, что ветер принес из джунглей далекой Африки, и даже те, что занесли на Землю с далеких планет странники-метеориты.

Охотники за невидимками

«На каждом квадратном сантиметре любой поверхности содержится не менее 20 000 пылевых частиц, представляющих практически всю таблицу Менделеева – здесь и алюминий, и железо, и барий…» – начал свой рассказ один из специалистов, изучающих пыль, научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН) Андрей Борисович Палкин.

По словам ученого, пыль бывает на свете самая разная – бытовая, уличная, промышленная, радиоактивная, вулканическая, цветочная, космическая…

Для того чтобы распознать «что есть что», до недавнего времени приходилось прибегать к дедушкину способу. Помните липучки для мух? Примерно так же ловили и пыль. Выставляли на определенное время подложки, покрытые липким составом (например, желатином), а потом изучали их под микроскопом и подсчитывали, сколько каких пылинок осело за определенный промежуток времени.

Метод кропотлив и не отличался большой точностью. Потому группа сотрудников ИПКОН в составе В.В. Кудряшова, В.А. Большакова, Е.С. Иванова и А.Б. Палкина взялась разработать серию приборов для точного анализа пыли.

Для начала вместо стеклышек, покрытых желатином, или иных «липучек» ими был разработан специальный пылесборник. Внутри ящичка размером с портативный магнитофон стоит вентилятор, работающий от аккумуляторов. При работе его вращающаяся крыльчатка прогоняет поток воздуха через фильтр, на котором остается пыль. После окончания замера собранные образцы можно проанализировать под микроскопом. А чтобы при сборе данных можно было работать дольше, в приборе использовали принцип, давно известный в фотографии.

Когда-то первые фотоаппараты заряжали фотопластинками, которые приходилось менять после каждого кадра. Затем появились более удобные пленочные аппараты. Одной катушки пленки хватает на 36, а то и на 72 кадра. И наконец, в последнее время широкое распространение получили электронные фотоаппараты, в которых изображение фиксируется не на пленку, а на специальную фотоэлектронную матрицу. Тут уж изображение проявлять не нужно – его сразу можно видеть на встроенном дисплее, переписать на диск персонального компьютера или распечатать на принтере.

Примерно такой же путь прошли в своем совершенствовании и пылемеры. Некоторые из них, например индивидуальный дозиметр пыли ДП, имеют внутри фильтр-пластину. Пыль осаждается на ней вентилятором в течение всей рабочей смены. А потом фильтр вынимают из корпуса и взвешивают. Масса чистого фильтра известна, остается вычесть ее из результата взвешивания, чтобы узнать массу пыли.

В другом пылесборнике пластина фильтра заменена целой лентой. После каждого сеанса контроля ее перематывают, как в фотоаппарате, на один «кадр», а затем ведут анализ всей ленты, соотнося каждый замер с записями в рабочей тетради.

Но и здесь анализ приходилось вести вручную. И разработчики внедрили в свою конструкцию два новшества. Пылесборник сделали выносным, чтобы щуп можно было просунуть в любую щель. А в самом приборе поставили измеритель количества пыли и цифровой индикатор.

Принцип анализа пыли основан на методе, позаимствованном у… археологов. Те оценивают возраст «пыли веков» по количеству изотопа углерода С ₁₄, содержащегося в образце. Чем его меньше, тем, значит, образец древнее. В данном же случае очередной «кадр» ленты фильтра после замера попадает в измерительную камеру. С одной ее стороны стоит источник изотопов бета-излучения (капсула с тем самым углеродом С ₁₄), а с другой – измеритель бета-частиц. Сами бета-частицы, в отличие от жесткого гамма-излучения, используемого, скажем, в рентгеноустановках, отличаются довольно малой пробивной способностью.

Часть их задерживается частицами пыли. А стало быть, зная интенсивность исходного излучения и пересчитав число пришедших частиц, можно судить о концентрации пыли. Причем в автоматическом режиме, поскольку нужные цифры сразу высвечиваются на цифровом дисплее прибора. В итоге получился легкий и точный прибор, с которым можно было отправляться на разведку.

В компьютерах может скапливаться огромное количество пыли.

Золото под ногами

В книге К.Г. Паустовского «Золотая роза» есть рассказ о том, как мусорщик, просеивая мусор ювелирных мастерских, набрал достаточно золота, чтобы его хватило на ювелирное украшение. Так вот, скажем, на московских улицах можно в принципе набрать десятки, а то и сотни килограммов драгоценных металлов. Эти крохотные частички платины и золота попадают сюда прежде всего из автомобильных катализаторов. Кроме того, как мы уже говорили, в городской пыли содержится вся таблица Менделеева…

Собирать городскую пыль для переработки экономически не выгодно. Зато вот определять по образцам пыли, в каком районе, на каком предприятии неполадки в фильтрах, не только можно, но и нужно. И выдавать руководителям этих предприятий соответствующие предписания, чтобы воздух в городах стал чище. Но есть, конечно, у охотников за пылью более масштабные исследования.

Так, например, установлено, что африканская пыль долетает даже до Южной Америки. Причем в огромных количествах. Ежесуточно в сторону Америки улетает более миллиона тонн пыли! Если погрузить всю ее на товарный состав, то длина его превысит 200 км. Ежегодно только Сахара теряет свыше 500 млн. т пыли, а все мировые пустыни – более 2 млрд. т пыли в год.

Африканская пыль, как удобрение, подпитывает леса Амазонии, ведь она содержит некоторые химические вещества, которые не встретишь в американских почвах. Ежегодно на каждый гектар тропического леса оседает 12,6 кг калия, 2,7 кг фосфора и до 16 кг кальция. А всего каждый год в сезон дождей на тропические леса выпадает около 30 млн. т пыли, принесенной из Сахары. Усваивая это «небесное удобрение», растения начинают стремительно расти.

Пыль также оседает на землю с каждой каплей дождя, с каждой снежинкой. Ведь пылинки выполняют еще и роль так называемых ядер конденсации, вокруг которых в облаке группируются молекулы воды. Так что пыль, кроме удобрений, приносит еще и влагу.

Поскольку пылинки очень легкие, то они и секунды не находятся в покое, постоянно перемещаются потоками воздуха. В итоге пыль проникает в любую трещину. Даже в убранной дочиста комнате все пронизано пылью; солнечным летним днем на свету хорошо видно, как кружатся пылинки в воздухе.

«Естественная фоновая нагрузка» – так называют этот «столп пыли» специалисты – достигает 20 микрограммов на один кубический метр. Правда, в последние годы в развитых странах Европы пыли становится меньше. Сказываются принятые меры по защите окружающей среды. Так, в Германии в 1990 г. автомобили, электростанции и отопительные системы выбросили в воздух около 1,9 млн. т пыли, в 1999 г. это количество уменьшилось до 0,33 млн. т, а спустя еще 10 лет – до 0,2 млн. т.

И все же пыли в воздухе еще много. Мириады пылинок, рассеянных в воздухе, меняют тональность рассветов и закатов, окрашивая их в багровые тона.

Пыльная буря в Техасе в 1935 году.

Впрочем, не только человечество в том виновато. Так, при каждом извержении вулканов в атмосферу попадают сернистые газы и огромное количество пепла. Перекрывая доступ солнечному свету к поверхности планеты, такие пылевые облака вызывают местное понижение температуры. Впрочем, иногда, попав в средние слои атмосферы, такие частицы не отражают солнечный свет, а, наоборот, поглощают его – то есть способствуют потеплению.

Таким образом, пыль еще участвует в регулировании климата на всей планете. Правда, как признают ученые, влияние пыли на атмосферные процессы очень сложно, а потому до конца еще не изучено.

На пыльных тропинках далеких планет…

Пыль царит и в космосе. И не только на поверхности других планет. Лунная пыль, например, в свое время доставила немало хлопот членам экспедиции «Аполлон», проникая даже внутрь лунной посадочной кабины. Пришлось американцам брать с собой специальный пылесос.

А наши исследователи под руководством академика О.Н. Богатикова нашли в лунной пыли самородный цезий и другие редкие элементы. Есть также планы использовать лунный грунт – реголит – в качестве источника топлива для термоядерных реакторов, добывая из него гелий-3.

Немало пыли и на Марсе. Зафиксированы случаи, когда пыльные марсианские бури, способные длиться неделями, выводили из строя посадочные модули и прочую исследовательскую аппаратуру.

Межпланетной пыли много и на Земле. Ведь в космосе не отыскать и кубического метра пространства, в котором не мелькнула бы пылинка. Причем пылинки прилетают к нам не только с Луны или с Марса.

Межзвездная пыль – ровесница Вселенной; она возникла еще в момент Большого взрыва. Кроме того, огромные количества межгалактической пыли выбрасываются в пространство после вспышек сверхновых. Пылевая завеса защищает новорожденные звезды от жаркого излучения соседних звезд.

В окрестностях Солнца собрана пыль межпланетная. Она состоит из смеси газа и крупных пылинок (их длина достигает миллиметра). Эта пыль образуется в поясе астероидов, где миллиарды малых небесных тел, постоянно сталкиваясь, постепенно перетирают друг друга.

Кометы – тоже потенциальные поставщики пыли. Оказавшись близ Солнца, они могут терять до нескольких тонн массы в секунду, образуя при этом характерный кометный хвост.

Некогда, как полагают ученые, именно из межпланетной пыли и сформировались все планеты и прочие небесные тела Солнечной системы, да и само наше светило тоже.

Если при изготовлении микросхемы в нее попадет пыль, то эту сложнейшую деталь компьютера можно выбрасывать. Поэтому работы ведутся в герметично закрытых цехах и спецкостюмах.

«Подсчитано, что типичная спиральная галактика содержит в сто миллионов раз больше пыли, чем весит Солнце, – сказал в заключение своего рассказа Андрей Борисович Палкин. – Из этой пыли можно было бы сформировать многие сотни миллиардов планет, похожих на нашу Землю. И где-то, наверное, такие процессы идут и поныне»…

Вот, оказывается, как много значат для нашей планеты и жизни на ней крошечные частички той самой пыли, что лежит у нас под ногами и которую мы так не любим.

Станислав СЛАВИН