Степан Карпенков - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Степан Карпенков
• Жанр: Биология

Учебник написан в соответствии с государственными образовательными стандартами. В нем изложены вопросы естественно-научного познания окружающего мира, фундаментальные концепции, принципы и законы природы, рассмотрены актуальные проблемы современного естествознания, связанные с изучением природных процессов и свойств веществ на молекулярном уровне, отражены естественно-научные аспекты энергетики, экологии и освещены важнейшие достижения естествознания, лежащие в основе современных наукоемких технологий. Предназначен для студентов высших учебных заведений. Может быть интересен и полезен широкому кругу читателей.

---

Атомный лазер. Одним из важнейших последних достижений естествознания является создание в 1997 г. атомного лазера, способного излучать не свет, а пучок атомов. Пучок атомов обладает необычным свойством – когерентностью, присущей волнам, т. е. он похож на лазерное излучение.

На первой стадии формирования когерентного атомного пучка производился захват атомов натрия магнитной ловушкой. Захваченные атомы подвергались охлаждению, при котором эквивалентные им длины волн увеличиваются. Когда температура приближается к абсолютному нулю, длины волн становятся настолько большими, что они начинают перекрываться и вся группа атомов представляет собой единое целое. Такой конденсат атомов, подчиняющийся статике Бозе – Эйнштейна, был получен в 1995 г. в Американском национальном институте стандартов и технологии университета штата Колорадо. При этом применялся метод лазерного охлаждения и удержания атомов, за разработку которого американские ученые С. Чу и У. Филипп, а также французский физик К. Коэн-Таннуджи удостоены Нобелевской премии 1997 г. в области физики. Следует отметить, что идея лазерного охлаждения атомов и принципиальная схема экспериментальной установки для его осуществления были предложены в Институте спектроскопии Российской академии наук группой ученых под руководством В. Летохова, результаты исследований которых опубликованы еще в 1986 г.

В сложной лазерной ловушке, основанной на комбинации нескольких эффектов, удалось охладить атомы гелия до 0,0002 К. С применением сильного охлаждения можно удерживать антиматерию, изучать взаимодействие атомов, производить сверхточные спектральные измерения, исследовать на молекулярном уровне свойства молекул ДНК и т. п. Полученный в лазерных ловушках конденсат является рабочей средой для атомного лазера, открывающего новое весьма перспективное направление в современном естествознании.

Молекулярные пучки. Молекулярный пучок представляет собой струю молекул при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере со сверхвысоким вакуумом, исключающим межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагент – соединение, вступающее в реакцию, – при сравнительно низком давлении (10-10атм) возрастает вероятность участия каждой молекулы только в одном столкновении, приводящем к реакции. Для проведения такого сложного эксперимента требуется камера со сверхвысоким вакуумом, источник молекулярных пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. С помощью молекулярных пучков удалось определить, например, ключевые реакции при горении этилена.

Технология атомных размеров. Современная наноэлектроника основана на технологии с атомным разрешением, включающей молекулярную эпитаксию, нанолитографию и зондовую микроскопию. Молекулярная эпитаксия позволяет получить моноатомные слои вещества, толщина которых сравнима с размером атома. Разрешение электроннолучевой нанолитографии достигает 1–10 нм. Методы современной зондовой микроскопии обеспечивают наблюдение с атомным разрешением. Зондовая микроскопия основана на применении сканирующего туннельного микроскопа, разработанного физиками Гердом Биннингом (р. 1947, Германия) и Генрихом Рорером (р. 1933, Швейцария), удостоенными Нобелевской премии по физике в 1986 г. Достигаемое сегодня разрешающая способность сканирующего туннельного микроскопа не может не поражать: оно составляет сотые доли нанометра по высоте и десятые в плоскости исследуемой поверхности. Сфера приложений зондовой микроскопии значительно расширилась с разработкой атомно-силового микроскопа, позволяющего получить изображение непроводящей поверхности. Современную зондовую микроскопию применяют для определения распределения электронной плотности проводников, топографии твердых материалов, магнитной структуры ферромагнетиков, строения живой молекул ДНК и т. п. Атомные зонды, кроме того, можно использовать для перемещения отдельных атомов, локального окисления и травления, а также для исследования свойств атомных частиц. Все это вместе взятое составляет техническую базу для создания современных наноэлектронных устройств.

Геном человека. Летом 2000 г. средства массовой информации сообщали: американские ученые успешно завершили подготовку полного текста генома человека, т. е. всей совокупности его генов, состоящей примерно из 3 млрд «букв» – пар нуклеотидов. Такая огромная работа завершена в 2000 г., через 100 лет после подтверждения открытых Г. Менделем (1822–1884) фундаментальных законов наследственности. В 2003 г. опубликован окончательный текст генома человека, допускающий не более одной ошибки на 10 тыс. пар нуклеотидов. Этот год также был юбилейным – исполнилось 50 лет открытию Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК.

Информация о геноме человека открыта и доступна для ученых всего мира. По международному соглашению в работе с геномом нет приоритета конкретных авторов – результаты принадлежат всему человечеству. Это – уникальный пример сотрудничества ученых многих стран для достижения действительно эпохальной цели.

Расшифровка ДНК, создание генетической карты человека – первая задача ученых, работающих по проекту генома человека. Вторая – разбить такую карту на отдельные характерные группы. И наконец, функциональный анализ генома – третья весьма важная задача. Нужно определить, например, как работают те или иные гены в клетках организма в разные периоды его жизни.

Наиболее важный практический результат исследований генома человека – это молекулярная медицина, т. е. генная диагностика болезней, их профилактика и генотерапия. Предполагается, что новые лекарственные препараты будут действовать на генные и белковые мишени, что будет способствовать повышению их эффективности.

Каждый человек обладает уникальным геномом: мы отличаемся друг от друга приблизительно одной позицией нуклеотидов из тысячи. Изучение генного разнообразия может дать ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. В обозримом будущем станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода Декарта научного познания?

2. Как определяется достоверность научных знаний?

3. Что составляет основу научной теории?

4. Какова роль эксперимента и опыта в постижении естественнонаучной истины?

5. Чем обусловливается неточность экспериментальных результатов?

6. Назовите основные положения теории естественно-научного познания.

7. Охарактеризуйте три стадии естественно-научного познания истины.

8. Что означает относительность естественно-научных знаний?

9. В чем заключается единство эмпирического и теоретического знаний?

10. Какова роль ощущений и представлений в процессе познания?

11. Как устанавливается научный факт?

12. Что такое эксперимент? Чем отличается эксперимент от наблюдения?

13. Каковы особенности современных технических средств эксперимента?

14. Назовите основные формы мышления.

15. На чем основывается научное предвидение?

16. В чем заключается методология естествознания?

17. Дайте краткую характеристику методов и приемов естественнонаучных исследований.

18. Что такое научное открытие?

19. Какова роль творческого воображения в научном поиске?

20. Как строится научное доказательство?

21. Назовите основные аргументы, определяющие практическую направленность эксперимента.

22. Из каких этапов состоит эксперимент?

23. Как повышается точность экспериментальных измерений?

24. Какие операции включает обработка экспериментальных результатов?

25. В чем заключается специфика современных экспериментальных и теоретических исследований?

26. Назовите причины оторванности теории от эксперимента.

27. В каких трех направлениях, важных для эксперимента, развивается лазерная техника?

28. Для чего применяется синхронное излучение?

29. Какие процессы и свойства исследуются методом ядерного магнитного резонанса?

30. Дайте краткую характеристику возможностей оптической и масс- спектроскопии.

31. Что можно определить методами рентгеноструктурного анализа и нейтронографии?

32. Какова разрешающая способность туннельного микроскопа?

33. В каких материалах и когда обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость?

34. В чем специфика и преимущества химического лазера?

35. Каковы особенности атомного лазера?

36. Для чего применяются молекулярные пучки?

37. На чем основана технология атомных размеров?

38. Каковы результаты и перспективы исследований генома человека?

39. Назовите важнейшие последние достижения современного естествознания.