Текст книги "Юный техник, 2011 № 05"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Математические способности… микробов

Согласитесь, трудно заподозрить бактерии в умении считать. Однако, как показали недавние исследования зарубежных ученых, несмотря на это, их можно использовать для создания компьютеров, которые ждет большое будущее. Во всяком случае, в том уверен журнал Nature Biotechnology.

Спасибо бактериям

Биологи и математики Университета Западного Миссури совместно со своими коллегами из Колледжа Дэвидсона (Северная Каролина) несколько лет изучают возможность построения биологического компьютера, пишет журнал. Для этого они провели детальный анализ ДНК бактерий Escherichia coli и на их основе смогли построить бактериальную вычислительную систему, способную разрешить несколько фундаментальных проблем математики.

Одной из них является так называемая проблема Гамильтонова пути, названная так в честь ирландского ученого Уильяма Гамильтона, жившего в XIX веке (1805–1865). Этот путь представляет собой ломаную линию, которая вписана в сложную трехмерную фигуру таким образом, что проходит через каждую ее вершину только один раз.

Сам Гамильтон сумел решить эту задачку на примере додекаэдра – правильного 12-гранника. Однако при переходе к фигурам с большим количеством вершин сложность задачи быстро растет.

Микробы, оказывается, способны решать проблемы Гамильтонова пути не только на примере додекаэдра (справа).

Обычные компьютеры тоже начинают буксовать, когда количество вершин переваливает за несколько десятков. Между тем решение этой задачи для возможно большого числа вершин и граней имеет огромное значение не только для теоретической науки, но и для практического применения. Например, при построении компьютерных сетей, в которых сигнал должен с минимальными потерями пройти от начала до конца, побывав в каждом ключевом узле не более одного раза. Задача кажется простой и даже тривиальной для точек, расположенных на прямой, но по мере усложнения структуры превращается в головоломку.

Тогда из генетически модифицированных клеток бактерий студенты старших курсов Университета Западного Миссури создали произвольный многогранник, в котором требовалось провести беспрерывную линию между вершинами. Органический компьютер справился с этой задачей. Колония бактерий стала разрастаться, и через несколько дней, благодаря встроенным в клетки флуоресцирующим генам, правильно выбранный путь Гамильтона вскоре стал светиться желтым цветом. Руководитель научной группы Джордан Баумгарднер уверен, что это только начало.

«Наше исследование в первую очередь показывает, насколько сильна и могущественна синтетическая биология, – сказал он. – Мы нашли ей применение в математике, в то время как она может оказаться полезной и в медицине, экологии, энергетике…»

А доктор Тодд Эк даль из того же университета отметил еще одну сторону проводимых опытов. «Эксперименты с бактериями очень зрелищны и позволяют заинтересовать молодежь, привлечь ее к занятиям математикой и биологией», – сказал он.

В настоящее время ученые заняты усовершенствованием своего изобретения. Они уверены, что уже следующее поколение бактериальных компьютеров будет действовать быстрее, обзаведется большими вычислительными способностями и поможет решить еще множество других математических задач, которые не поддаются обычному вычислительному анализу.

Особый упор авторы исследования делают на применение бактерий в криптографических системах. Если микроорганизмы смогут считывать разные нелинейные алгоритмы, полагают они, то их можно будет использовать для кодирования и декодирования информации, создания уникальных ключей для шифрования.

Биокомпьютеры в медицине

Еще одно применение микроскопическим биокомпьютерам из ДНК, РНК и белков человека нашли исследователи Гарвардского и Принстонского университетов. Они сделали свой шаг к созданию биологических компьютеров, которые смогут контролировать состояние и деятельность даже отдельной клетки организма.

Такие биокомпьютеры состоят полностью из ДНК, РНК и белков. В каждой живой клетке есть все компоненты, необходимые для создания подобного устройства. В данном случае ученые использовали РНК клеток почек человека для создания «молекулярного компьютерного центра». Информация на входе такого вычислительного устройства – это белки и химические вещества, находящиеся в цитоплазме клетки. А на выходе – особые сигнальные молекулы, которые надежно распознает лабораторное оборудование.

Электронные ДНК – наше ближайшее будущее.

Один из создателей биокомпьютера, Яков Бененсон, так прокомментировал возможности, которые открываются перед учеными и врачами: «Подобные компьютеры способны преобразовать сложную информацию о состоянии клетки, которое является результатом активной работы множества генов, в отчетливо различимый сигнал. Это единственная на сегодня возможность прямого контроля состояния отдельной клетки…»

Биокомпьютеры могут быть использованы как для маркирования больных клеток, так и для последующего их лечения. Более того, исследователь и его коллеги полагают: достаточно запустить специальную генетическую программу, и наш организм сможет под ее руководством самостоятельно строить биокомпьютеры по мере надобности. Далее они смогут контролировать состояние клеток и сообщать о нем врачу, а также направлять лекарства только к больным клеткам и тканям, не затрагивая здоровые.

Электронная ДНК

И наконец, в американском космическом агентстве НАСА проходит проверку уникальная технология, разработанная датскими учеными. Она получила неофициальное название «электронная ДНК».

«Мы придумали новый тип компьютера, который не требует наличия специального центрального процессора. Вместо этого он работает с сетью небольших клеток, выполняющих роль этого самого процессора. Эти клетки получают сигналы от электронной ДНК на определенной частоте и исполняют полученные инструкции.

Если одна из биологических клеток погибает, другие могут занять ее место», – сказал один из разработчиков, Д. Мэдсен. Таким образом, компьютер способен «самовосстанавливаться» и обеспечивать практически бесперебойную работу», – добавил он.

Исследователь полагает, что такой подход позволит резко повысить безотказность вычислительных систем. Использовать же эту разработку имеет смысл там, где особенно важна способность бесперебойной работы компьютеров, к примеру, во время долгих космических полетов.

И.ЗВЕРЕВ

Кстати…

ПАМЯТЬ ПАЛОЧКИ

Всего лишь 1 грамм бактерий кишечной палочки (E.coli) способен заменить 450 жестких дисков с объемом памяти 2 Тб каждый. К такому выводу пришли исследователи из Китайского университета Гонконга. Во всяком случае, ныне они работают над созданием биологической компьютерной памяти. Не исключено, что когда-нибудь домашние компьютеры будут снабжены контейнерами с кишечными палочками, что позволит им по количеству хранимой информации не уступать современным специализированным центрам», – говорят ученые.

Исследователи выяснили, что ДНК этих бактерий прекрасно подойдут в качестве долговременных хранилищ данных. Дело в том, что в геноме кишечной палочки используется лишь часть информации. Именно на неиспользуемые участки и будут записывать информацию для дальнейшего хранения.

Исследователи уже пробовали кодировать на этих участках свои имена, адреса электронной почты и т. д.

ДНК бактерий E.coli можно будет использовать в качестве долговременной памяти.

При этом выяснилось, что бактерии в процессе деления передают информацию своим потомкам, обеспечивая таким образом хранение данных в течение долгого срока.

Впрочем, биосистему придется еще серьезно совершенствовать, поскольку считывать сохраненные данные пока очень хлопотно и происходит это слишком медленно по сравнению с современными технологиями хранения данных. Да и запись сведений на ДНК не происходит в том виде, как это представляется обычным пользователям современных компьютеров, – создал файл, сохранил.

Тут процесс сложный, длительный, осуществимый только в условиях лаборатории. Ведь происходит не запись как таковая, а синтез последовательности нуклеотидов, которые подсаживаются в геном бактерии. Но это, как уже говорилось, имеет и свои преимущества. Информация затем может храниться тысячелетиями – до тех пор, пока будет существовать популяция бактерий.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Из-под воды да в небо

История эта давняя. Еще Жюль Верн в романе «Робур-завоеватель» описал транспортное средство, которое могло передвигаться по суше, воздуху, воде и под водой. С той поры прошло немало времени, но мечта эта так и не осуществлена. Это не значит, что таких попыток вовсе не предпринималось. Кое-чего инженерам добиться все же удалось.

Летающие лодки и подлодки

Еще в 1916 году известный немецкий авиаконструктор Э. Хейнкель спроектировал и построил маленький биплан W-200, который можно было быстро разобрать и укрыть на борту подводной лодки.

Это, конечно, была еще далеко не та машина, о которой мечтали морские и воздушные асы. Скорость самолета составляла всего лишь 120 км/ч, радиус полета – не более 40 км. Кроме того, вскоре Германии, потерпевшей поражение в Первой мировой войне, было запрещено иметь совершенную военную технику.

И тогда на сцену выступили американцы. Они заказали немецкому конструктору Хейнкелю, оставшемуся не у дел, два компактных самолета V-1, которые также можно было бы хранить внутри подлодки. Интерес к подобным машинам стали проявлять также в Англии, Италии, Франции, Японии… Весть об этих работах дошла и до Советского Союза.

В начале 30-х годов известный конструктор «летающих лодок» И. Четвериков предложил свой вариант самолета для подводных лодок. Конструкция понравилась морякам, и в 1933 году они приступили к постройке сразу двух машин нового типа. Год спустя одна из них была отправлена в Севастополь для испытаний. Летчик А. Кржижевский совершил несколько полетов, показавших, что машина хорошо держится в воздухе. Пилот даже установил в 1937 году на этой машине мировой рекорд, развив на дистанции 100 км скорость 170,2 км/ч.

Однако специалисты все-таки посчитали машину непригодной для использования в военно-морских силах СССР. Возможно, потому, что в обстановке строжайшей секретности в стране велись работы по созданию «летающей подлодки».

Дело в том, что в 1934 году курсант Высшего морского инженерного училища им. Дзержинского Б. Ушаков представил схематический проект такого аппарата в качестве курсовой работы. Идея показалась интересной, и в июле 1936 года проект был рекомендован для дальнейшего совершенствования.

Вот как воентехник 1-го ранга Б.Ушаков представлял себе действия летающей подлодки. Обнаружив в полете корабль противника и определив его курс, она скрытно садилась на воду за горизонтом и уходила в глубину. При появлении корабля на расчетной дистанции производился торпедный залп. Если же противник менял курс, «ныряющий самолет» всплывал, вновь отыскивал цель в полете и снова нырял. Для большей эффективности боевой работы предполагалось использовать звено из 3 подобных машин, чтобы можно было обложить противника, до минимума снижая возможность его маневра.

Работы над проектом продолжались до начала 1938 года, после чего он был сдан в секретный архив. Громоздкость конструкции, малая скорость под водой (всего 3 узла), сложная и длительная процедура погружения – все это делало проект малореальным.

Приключения «Аэрошипа»

Впрочем, идея не была забыта окончательно. Уже после Второй мировой войны, в середине 60-х годов, американский инженер-электрик Дональд Рэйд обнародовал свой проект, над которым он трудился 20 лет.

Вначале изобретатель построил опытный образец «Коммандер» – 7-метровый аппарат с дельтовидным крылом. В воздух машину поднимал двигатель внутреннего сгорания мощностью 65 л. с., под водой – электродвигатель мощностью 736 Вт. Пилот-аквалангист сидел в открытой кабине. «Коммандер» развивал в воздухе скорость 100 км/ч, а на глубине – 4 узла.

Получив необходимый опыт, Рэйд затем соорудил более совершенный реактивный аппарат «Аэрошип». Выпустив лыжи-поплавки, двухместная машина садилась на воду. С пульта управления пилот закрывал воздухозаборники и выхлопное отверстие турбореактивного двигателя задвижками; при этом открывались водозаборники и выхлопное сопло водомета. Включался насос, заполняющий балластные цистерны, и «Аэрошип» погружался. Оставалось убрать поплавки, запустить электромотор, поднять перископ – и самолет превращался в подлодку. Чтобы всплыть и взлететь, все операции повторялись в обратном порядке.

В августе 1968 года на глазах у тысяч посетителей Нью-Йоркской промышленной выставки «Аэрошип» спикировал, нырнул в воду, немного поманеврировал на глубине, а потом с ревом взмыл в небо.

Однако даже столь впечатляющая демонстрация не произвела особого впечатления на экспертов. Они указали, что дальность полета машины всего 300 км, скорости под водой и в воздухе тоже невелики – 8 узлов и 230 км/ч соответственно.

«Коммандер» Д.Рейда

Рэйд грустно улыбнулся: «Хорошо еще, что не надо скрещивать атомную субмарину со сверхзвуковым истребителем». И обещал подумать еще. Однако проект так и не был доведен до завершения, хотя до самой своей смерти, последовавшей в 1991 году, Дональд Рэйд бился за свой проект.

В 2004 году его сын Брюс издал книгу, в которой подробно описал злоключения отца и его машины, вошедшей в историю под индексом RFS-1. Ныне этот уникальный аппарат находится в Пенсильванском музее авиации.

Летающая подлодка Д. Рэйда. Цифрами па схеме обозначены:

_{1 – перископ; 2 – фотокамера; 3 – управление перископом; 4 – насос; 5 – баллон сжатого воздуха; 6 – носовой балласт; 7 – двойная обшивка; 8 – пилот; 9 – экран радара; 10 – люк; 11 – штурман; 12 – турбореактивный двигатель; 13 – руль направления; 14 – хвостовой балласт; 15 – задняя задвижка; 16 – электромотор; 17 – руль погружения и элероны; 18 – бак с топливом; 19 – прожектор; 20 – воздухозаборник; 21 – передняя задвижка; 22 – водозаборник; 23 – радиопередатчик; 24 – излучатель радара.}

На очереди – «Баклан»

Однако история летающих подлодок на том не закончилась. Сейчас появились первые сведения о том, что недавно конструкторское бюро Skunk Works вернулось к этой идее на новом уровне. Среди разработок, которые реализует это подразделение компании Lockheed Martin, немалый интерес представляет беспилотный летательный аппарат (БПЛА) Cormorant, что в переводе на русский означает «баклан».

Бакланы, как известно, могут пикировать и глубоко нырять, охотясь за рыбой, а потом снова взмывать в воздух. Аппарат Cormorant, как предполагается, должен уметь делать то же самое – выныривать и взлетать, а потом снова нырять.

Создается этот БПЛА для нужд военно-морского флота США. Он должен уметь стартовать с подводных лодок, находящихся на глубине до 45 м. Роль пусковой установки для него будет играть одна из шахт, ранее предназначавшихся для запуска баллистических ракет Trident, которыми вооружены американские субмарины проекта «Огайо». В связи с сокращением ядерного вооружения и общим изменением характера современных войн эти пусковые установки сегодня нередко пустуют. Заполнить образовавшиеся вакансии и смогут аппараты Cormorant.

Они изготовляются с использованием технологии «Стеллс» и будут оснащаться различным оружием ближнего боя или оборудованием для разведки. Главная сложность – создать конструкцию, способную стартовать из ракетной шахты диаметром чуть больше 2 м. Понятное дело, такая пусковая установка совершенно не подходит для самолета традиционной конструкции. Кроме того, аппарат должен быть достаточно прочен, чтобы выдерживать давление воды, которое может достигать 50 атмосфер. Поэтому конструкторы Skunk Works предложили для 4-тонного аппарата складные крылья, которые затем будут расправляться в начале полета.

Чтобы конструкция могла противостоять давлению воды, ее скорее всего изготовят из титана. А пустоты в самолете для большей прочности заполнят пластиковой пеной. Кроме того, некоторые пустоты при движении под водой будут «наддуваться» сжатым газом, а сопла двигателей и другие компоненты – закрываться сдвижными герметичными крышками. Из шахты Cormorant будет не «выстреливаться» подобно ракете, а скорее просто всплывать. Но как только БПЛА окажется на поверхности воды, включатся его реактивные двигатели – и он взлетит.

Так будет выглядеть вынырнувший из воды «Баклан».

Кроме профессионалов, летающими субмаринами занимаются и любители: французский проект Focus-1

Американский Autodesk.

Выполнив свою задачу, беспилотник вернется в точку встречи с подлодкой, опустится на морскую поверхность и выбросит буксирный трос. Конец этого троса подцепит подводный робот и доставит конец на борт субмарины. Там включат лебедку и утянут самолет обратно в пусковую шахту, где он и будет ждать следующего пуска.

Публикацию подготовил Г. МАЛЬЦЕВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

АНТИЧАСТИЦЫ И ГРОЗА. Функции Большого андронного коллайдера вполне способна взять на себя обычная гроза. К такому неожиданному выводу пришли американские ученые. Более того, они установили, что при разряде молнии порой возникают загадочные античастицы, за которыми охотятся в ЦЕРНе. Остается лишь разработать методику получения антиматерии с помощью грозы.

НА ЧТО ПОХОЖА ТОЛПА? Известно, что человек в толпе – например, на трибуне стадиона или на демонстрации – ведет себя вовсе не так, как у себя дома. При этом наблюдается такой парадокс: если индивидуальный мозг человека – сложная и загадочная система, то при объединении в коллектив вся эта сложность зачастую пропадает. При этом чем больше толпа, тем ниже ее интеллект. А потому при моделировании поведения масс людей можно опираться на простые алгоритмы.

Так, ученые из University College London при планировании новогоднего карнавала в лондонском районе Ноттинг-Хилл использовали «муравьиную» компьютерную модель. То есть они представили себе людскую толпу неким аналогом муравейника. Модель оказалась довольно удачной и позволила разработать рациональные маршруты передвижения людей по аттракционам без особой давки.

А вот исследователям из Университета Будапешта смоделировать явление «мексиканской волны», когда футбольные фанаты на стадионе начинают дружно вскакивать с мест, помогло знание законов… гидродинамики. Оказалось, что для запуска «волны» достаточно всего 30 человек, которые встанут первыми. Далее волна будет раскручиваться против часовой стрелки со скоростью около 12 м/с.

ЛЮБОВЬ НА ВСЮ ЖИЗНЬ. Да, столь долговременные чувства возможны даже в наше время. Это доказали американские психологи. Они провели серию экспериментов с добровольцами, которые прожили в браке не один десяток лет и уверяли, что до сих пор счастливы.

Им предлагали для просмотра фотографии родных и знакомых, в том числе и спутника жизни. Параллельно ученые отслеживали активность участков головного мозга испытуемых. Для сравнения такой же процедуре подвергли и молодые пары, переживающие состояние влюбленности.

Выяснилось, что люди, которые вместе много лет, реагировали на изображение своих любимых точно так же, как и юные влюбленные. И у тех, и у других вырабатывалось одинаковое количество гормона любви дофамина.

МЕБЕЛЬ НА «МОЛНИЯХ». Тайваньский изобретатель Ши Чанван придумал, как избежать мучений с шурупами во время сборки мебели, – он создал мебель на «молниях». Теперь, купив шкаф или сервант в разобранном состоянии, достаточно «застегнуть» его в нужном месте квартиры. Еще одно преимущество такой мебели – «молния» позволяет соединять детали из разных материалов, будь то панели из дерева, пластика или металла.

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
«Денисов» – человек алтайский

Представители нового вида человека были более умелыми, чем неандертальцы и предки современных людей, обитавших в Южной Сибири 30–50 тысяч лет назад. К такому выводу пришли специалисты Института археологии и этнографии Сибирского отделения РАН. Свое открытие они сделали совместно с коллегами из немецкого Института эволюционной антропологии имени Макса Планка.

Пещеру на территории Алтайского края называют Денисовой по имени жившего здесь отшельника Дионисия. (Согласно другой версии, в тех краях пас свое стадо пастух по имени Денис, чьим именем и назвали пещеру.) Именно здесь обитали некогда человекообразные существа во времена раннего палеолита. По словам директора Института археологии и этнографии СО РАН академика Анатолия Деревянко, суть дела такова. Самые-самые первые люди появились в Африке.

Эту точку зрения сейчас разделяют все специалисты в мире. Затем стало происходить расселение их по планете. При этом в разных регионах мира началось формирование отдельных культурных очагов человечества.

В пещере Окладникова и Денисовой пещере, находящихся примерно в 100 км друг от друга, были обнаружены останки древних людей. Причем, если в пещере Окладникова были найдены останки людей монголоидного типа, то в Денисовой пещере в 2008 году обнаружили останки совершенно необычного существа.

Немецкие исследователи тщательно изучили ДНК, извлеченную из останков, и анализ показал, что у жившего 44 тысячи лет назад человека ДНК имела 50 процентов отличий от генетического кода как современного человека, так и неандертальца.

«Речь, видимо, идет о виде человека, который ранее не был известен мировой науке», – заявили руководители исследований Йоханес Краузе и Сванте Паабо. Они назвали его «Денисов человек» – по пещере, в которой был обнаружен фрагмент скелета. Раньше считалось, что в хронологическом диапазоне 150 – 30 тысяч лет на Земле существовали два вида человека. Это «сапиенс», давший начало современным людям, и род неандертальцев, впоследствии вымерший. И вот оказалось, что в то же самое время существовал третий подвид человека.

У него была своя духовная и материальная культура, вполне сравнимая по уровню с той, что имели два остальные подвида человечества. Например, в том же культурном слое, где были обнаружены останки, были также обнаружены украшения – в том числе браслет и кольцо из мрамора. Там же нашли множество изделий из кости и камня, с помощью которых древние люди охотились, трудились, украшали друг друга.