Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - Сергей Бердышев

В 1954 г. под руководством И. Е. Тамма была создана первая тороидальная электромагнитная ловушка для плазмы, получившая название «ТОКАМАК». Ее название представляет собой аббревиатуру, которая расшифровывается как «Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками». В названии подчеркнуто, что главным элементом конструкции являются катушки, создающие мощное, в несколько Тл (тесла), магнитное поле. За последующие годы ученым удалось построить еще несколько установок подобного типа, которые также были названы Токамаками.

Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера Токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии в вакууме и придают ему форму, которая не дает шнуру касаться стенок.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры не более 10 млн °С, для получения большей температуры необходимо применить другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле. Если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится и он, прорывая теплоизоляцию, будет касаться стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения (инжекции) в камеру пучков быстрых атомов.

В современных Токамаках удалось получить температуру плазменного шнура около 200 млн °С. Этого более чем достаточно для проведения термоядерных реакций. Однако Токамак нельзя считать энергетической установкой. Он не вырабатывает энергию, а служит для проведения опытов и научных исследований. Это устройство является одним из сложнейших инструментов физиков. Работа на Токамаке напоминает генеральную репетицию перед выступлением — созданием энергетики синтеза.

Ученые предполагают, что в будущем термоядерный синтез окажется гораздо более важным и нужным для человека, поскольку позволит нам зажечь искусственное Солнце, когда погаснет настоящее. Это катастрофическое событие случится спустя 5 млрд лет. Человечество должно к тому времени освоить контроль над термоядерными реакциями настолько, что бы не дать гаснущему Солнцу взорваться и погибнуть, погубив заодно жизнь на нашей планете. Следовательно, энергетика синтеза имеет одновременно гораздо более значимое будущее, чем может показаться на первый взгляд: ей суждено спасти обитателей Земли.

На этом завершается еще один раздел, посвященный великим открытиям и изобретениям. А заодно закрывается в книге и тема физики. При всем уважении к заслугам этой науки нельзя не заметить, что другие дисциплины дали человеку не меньше благ и ценных знаний. Среди этих наук биология, химия, математика, геология и другие. Некоторые из их достижений настолько ошеломительны и обладают таким влиянием на все сферы деятельности человека, что не будет преувеличением сказать: образ жизни человечества есть результат чьих-то фантастических открытий.

9. Облик современного мира

Наша эпоха отличается невиданной властью человека над природой. Властью, которая позволяет нам создавать новые виды растений и животных и получать вещества, не встречающиеся в природе. Другим свидетельством нашего безграничного могущества являются компьютеры, которые внедряются во все сферы общественной жизни и производства. Однако именно эта неограниченная власть человека приносит ему наибольшее количество проблем, главнейшей из которых на сегодняшний день является, пожалуй, угроза экологического кризиса. Понять причины нынешнего сложного положения человечества помогают открытия и изобретения, во многом повлиявшие на облик современного мира.

Манипуляции жизнью

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.