авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«тема номера: 2005 №1 ПОВЕЛЕВАТЬ УРАГАНАМИ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ выключатель ВСЕЛЕННАЯ дисков ИНТЕРНЕТ жилища КЛЕТКИ, ...»

-- [ Страница 2 ] --

в развитии и эволюции живых водившихся на бактериях, таких как Далеко не все молекулярные биоло систем. Центральное место Escherichia coli, и других прокариотах ги принимают эту революционную в ней занимает РНК. (одноклеточных организмах, не име- идею, хотя она позволяет ответить в мире науkи www.FireWooD.net.ru МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ на многие вопросы, касающиеся раз- На ней в цитоплазме синтезируется ющих. Предполагалось, что степень вития и эволюции живых организмов, белок, а вырезанные интроны, каза- сложности организмов гораздо лучше и представляется весьма перспектив- лось бы, не выполняющие никаких коррелирует с числом белок-кодирую ной с точки зрения молекулярной функций, просто разрушаются. щих генов, но это не столь очевидно на медицины и фармакологии. Более Но если интроны совершенно бес- фоне хаотического нагромождения того, с ее появлением открываются полезны, то почему их так много в ге- интронов и других некодирующих невиданные возможности в сфере со- номе эукариот? У человека на их долю последовательностей.

здания сложных программируемых приходится 95% длины среднестатис- Затем, когда были секвенированы систем, как кибернетических, так тического белок-кодирующего гена. геномы самых разных организмов, и биологических. Вся эта масса генетического матери- обнаружилось, что корреляция меж ала долгое время считалась эволюци- ду степенью их сложности и числом Вездесущий «хлам» онным «хламом», неким рудиментом, генов на самом деле низка. Геном сов В 1997 г. Филип Шарп (Phillip A. Sharp) оставшимся с тех времен, когда еще сем простого организма, круглого и Ричард Робертс (Richard J. Roberts) не было никаких к леточных орга- червя Caenorhabditis elegans (он со из Массачусетского технологичес- низмов, а фрагменты белок-кодирую- стоит всего из 1000 клеток), содержит кого инстит у та обнару ж и ли, что щих нуклеотидных последовательно- 19000 белок-кодирующих генов, что устоявшиеся представления о сис- стей каким-то образом соединялись почти на 50% больше, чем у насеко теме регуляции генов дали трещину. друг с другом, образуя первые гены. мых (13500), и примерно столько же, Независимо друг от друга они по- Возможно, интроны сохранились сколько у человека ( ~25000). Гораздо казали, что гены эукариот – это не в ходе эволюции сложных организ- отчетливее со степенью сложности непрерывные бе лок-кодиру ющие мов, потому что были им чем-то полез- коррелирует количество некодиру н у к леотидные последовательнос- ны, например, облегчали перетасовку ющей ДНК.

JEFF JOHNSON (DNA background);

MOREDUN ANIMAL HEALTH LTD/SCIENCE PHOTO LIBRARY (bacterium);

LENNART NILSSON (embryo) (preceding pages) ти, а мозаика из экзонов (сегментов сегментов белковых молекул и созда- Парадоксально, но на долю белок ДНК, кодирующих у частки белко- ние новых, более выгодных комбина- кодирующих последовательностей вых молекул) и интронов (сегментов ций. А что касается прокариот, то они в геномной ДНК человека приходится ДНК, обычно весьма протяженных, утратили интроны под давлением от- менее 1,5%, основная же ее часть ко не кодиру ющих никаких белков). бора, в ходе острейшей конкуренции дирует только РНК. Либо геном чело В я дре эу кариотической к летк и в микромире. Для микроорганизмов века (и других сложных организмов) гены копируются от начала до конца, они служили балластом. транскрибируется в значительной включая и все интроны, в результате Возможно, интроны (а вместе с ни- степени попусту, либо РНК, на которых образуется длинный первичный РНК- ми и межгенные сегменты ДНК) были не синтезируются белки, выполняют транскрипт. Он подвергается сплай- отнесены к «хламу», потому что не какие-то неизвестные функции.

сингу: из него вырезаются интроны, было четкой корреляции между ко- Все эти рассуждения вместе с экспе а оставшиеся экзоны соединяются личеством геномной ДНК организмов риментальными данными свидетель друг с другом, и образуется непре- и степенью их сложности. Так, у не- ствуют о том, что многие гены в геноме рывная белок-кодирующая последо- которых амфибий к леточной ДНК сложных организмов (а возможно, и вательность – матричная РНК (мРНК). в пять раз больше, чем у млекопита- большинство генов) кодируют не бел ки, а только РНК, непосредственно вы полняющие регуляторные функции ОБЗОР (см. «Теневая часть генома», «В мире науки», №2 и 3, 2004 г. ). Возможно, ОТКАЗ ОТ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЫ РНК участвуют в передаче специфи Подавляющая часть геномной ДНК сложных организмов (эукариот) пред- ческой информации, существенной ставлена сегментами, не кодирующими никаких белков. Долгое время уче- для развития организмов и их эволю ные считали такой генетический материал эволюционным «хламом». ционных изменений.

Однако появляется все больше данных, подтверждающих то, что бессмыс Неутомимые труженики ленные сегменты кодируют молекулы РНК, выполняющие важные регулятор ные функции. Таким образом, способ генетического программирования Недавно появились данные, что ин у эукариот может быть качественно иным, чем у прокариот. троны возникли в генах высших ор Возможно, новая теория объяснит отсутствие корреляции между степенью ганизмов на поздних этапах эволю структурной и функциональной сложности организмов и числом белок-ко- ции. Скорее всего они представляют дирующих генов в их геноме. Кроме того, если она окажется верной, это собой производное от самосплайси будет иметь колоссальное значение для медицины. рующихся мобильных генетических элементов, аналогичных тем, которые 30 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ называют интронами группы II. Эти элементы-паразиты, небольшие фраг менты ДНК, обладают удивительной способностью: встроившись в геном ДНК хозяина, они вырезаются из него сразу же после транскрипции. 100 Доля последовательностей в геноме, У бактерий интроны группы II были не кодирующих никаких белков 90 обнаружены случайно. Бактериальные 80 к летки не содержат ядра, поэтому 70 транскрипция и трансляция у них 60 происходят почти одновременно:

белок на РНК начинает синтезиро- 50 ваться сразу же, как только РНК обра- 40 зуется. На вырезание интронной РНК 30 из белок-кодирующей РНК просто 20 нет времени, и в результате в боль 10 шинстве случаев интроны выводят 0 из строя гены, в которых они оказа Прокариоты Одноклеточные Грибы/ Беспозвоночные Хордовые Позвоночные Человек лись – с печальными последствиями эукариоты Растения для бактериальной клетки. У эукари У прокариот на долю последовательностей, не кодирующих никаких белков, от транскрипция протекает в ядре, приходится незначительная часть геномной ДНК. У эукариот же – чем сложнее а трансляция – в цитоплазме, тем са организм, тем больше в его геноме некодирующих последовательностей.

мым возникает временной интервал, Долгое время их считали балластом, но, по-видимому, именно они отвечают за в течение которого интронная РНК степень сложности организмов.

успевает подвергнуться сплайсингу.

В результате для эукариот интроны оказываются не столь губительными.

Пока интроны сами отвечали за на поле были не белки, а РНК. Место и ДНК, а РНК/РНК- и РНК/ДНК-взаи свое встраивание в геном и вырезание интронов – вовсе не на свалке эволю- модействия, в свою очередь, приво из него, их последовательности мало ционной истории, а у руля механизма, дят к образованию структур, которые чем отличались от таковых у интронов направляющего эволюцию. заставляют белки трансформировать группы II. Но затем у эукариот появи- Если это так, то нас ждут удивитель- сигналы в действия. Наличие у РНК лась особая структура, обеспечиваю- ные открытия. По-видимому, эукари- «битовой строки» повышает точность щая сплайсинг, – сплайсосома, т.е. ком- оты (и особенно наиболее сложные) системы и обеспечивает переход на плекс множества белков и небольших изобрели генетическую операцион- качественно иной уровень, сходный молекул РНК, обладающих фермента- ную систему и регуляторные сети го- с переходом от аналоговых систем тивной активностью. Ее функция за- раздо более сложные, чем те, что име- к цифровым.

ключается в правильном вырезании ются у прокариот: РНК и белки у них Свидетельства существования регу интронов из первичного РНК-транс- осуществляют регуляцию независимо ляторной системы на основе РНК мно крипта. друг от друга. гочисленны, хотя и фрагментарны.

Освободив нейтроны от необходи- Считалось, что всю функцио- Если такая система имеется, то вполне мости заниматься самосплайсингом, нальную работу в клетках выпол- резонно предположить, что многие сплайсосомы фактически подтолк- няют белки, т.к. они имеют большое гены эволюционировали исключи LUCY READING;

SOURCE: R. J. TAFT AND J. S. MATTICK нули процесс эволюции и экспансии структурное и химическое разно- тельно благодаря изменениям в РНК, интронов. Любая случайная мутация образие. Однако РНК способны пе- которая является звеном регулятор в них, дающая хозяйскому организму редавать информацию и осущест- ной системы более высокого порядка.

преимущество, закреплялась в ходе влять регуляцию непосредственно И тому есть подтверждение: в ходе не естественного отбора. Интронные на уровне генома: РНК могут содер- давних исследований транскрипции РНК смогли эволюционировать фак- жать короткие сигнальные участ- у млекопитающих были обнаруже тически независимо от белков. По су- ки со строго определенной после- ны тысячи РНК, которые никогда не ществу вторжение интронов в царство довательностью. Руководствуясь транслируются в белки (некодирую эукариот могло стать стимулом к но- внутренними инструкциями, они щие РНК). К этой категории относится вому этапу эволюции на молекуляр- безошибочно распознают цель – спе- не менее половины (а возможно, 3/4) ном уровне, и основными игроками цифические участки в других РНК всех РНК-транскриптов.

в мире науkи www.FireWooD.net.ru ИЗМЕНЕНИЕ НАШИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О РЕГУЛЯЦИИ РАБОТЫ ГЕНОВ РЕГУЛЯЦИЯ РАБОТЫ ГЕНОВ ТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РЕГУЛЯЦИИ РАБОТЫ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ У ЭУКАРИОТ Геномная ДНК прокариот почти целиком Гены у эукариот состоят из экзонов – последовательностей, каждая из состоит из белок-кодирующих генов. Они которых кодирует часть белковой молекулы, и интронов – некодирующих служат матрицами для синтеза РНК, кото- участков. Транскрипции подвергается ген целиком, но затем из первич рые немедленно транслируются в белки. ного транскрипта вырезаются интронные РНК, а экзонные РНК сшиваются Последние регулируют работу генов и вы- друг с другом с образованием матричной РНК (мРНК). На ней синтезиру полняют другие функции в клетке. ется белок, а интронная РНК расщепляется за ненадобностью.

Ген Ген Экзон Интрон Транскрипция Транскрипция Регуляция работы гена Регуляция работы гена Первичный РНК Сплайсинг РНК-транскрипт Трансляция Разрушение Белок мРНК Интронная РНК Трансляция Другие функции Белок Другие функции Многие из РНК могут подвергаться более важно то, что РНК-сигналы мо- Хроматин – это нуклеопротеидный процессингу с образованием неболь- гут служить звеньями эффективной комплекс, составляющий хромосо ших сигнальных молекул, специфич- генетической программы, обеспечи- мы. В клетке к входящим в его состав ных в отношении определенных ми- вающей регуляцию путей экспрессии ДНК, белкам и другим молекулам мо шеней в регуляторной сети. У растений, генов. В таком случае ученые смогут гут присоединяться специфические животных и грибов уже обнаружены хотя бы частично приподнять завесу группы (например, метильные или сотни «микроРНК», продуктов расщеп- тайны, окутывающую процессы кле- ацетильные), которые дают команду ления интронов и более длинных РНК- точной дифференцировки и развития к транскрипции соответствующих транскриптов, не кодирующих белки. организма. генов или, наоборот, заставляют их Многие из них контролируют важные молчать. Согласно недавним иссле Регуляция развития для развития организма процессы: дованиям, экспрессией генов заведу поддержание стволовых клеток, кле- Формирование человеческого эмбри- ют РНК. От биохимических процес точную пролиферацию, апоптоз. она начинается с оплодотворенной сов с участием РНК зависят сложные РНК-сигналы, четко нацеленные яйцеклетки. Претерпевая множество превращения в к летке, например, на конкретные участки в РНК, ДНК превращений, она развивается в совер- митоз (деление) или мейоз (образо и белках, могут самыми различными шенный организм, состоящий из 100 вание предшественников яйцеклеток способами влиять на генетическую триллионов клеток, где каждая точ- и спермиев), а также многие события программу организма. Например, они но знает свое место и роль. Стержень на генетическом уровне.

могут сообщать тому или иному гену трансформации – строжайшая ре- Альтернативный слайсинг обеспе о транскрипции некой белок-кодиру- гуляция экспрессии генов, которая, чивает образование широкого спект TERESE WINSLOW ющей последовательности, и эта цепь в свою очередь, опосредуется моди- ра разных РНК и белков в клетках раз обратной связи запустит механизм фикацией хроматина и альтернатив- личных тканей (при том, что клетки параллельной регулировки. Однако ным сплайсингом. содержат одинаковый набор генов).

32 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru ИЗМЕНЕНИЕ НАШИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О РЕГУЛЯЦИИ РАБОТЫ ГЕНОВ НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА РЕГУЛЯЦИЮ РАБОТЫ ГЕНОВ ЭУКАРИОТ Ген Некоторые интронные РНК и да же часть экзонных принимают участие в регуляции работы Экзон Интрон Транскрипция генов, связываясь с молекулами Регуляция работы гена ДНК, другими РНК и белками.

Воздействуя на синтез белков на Первичный различных уровнях, некодирую РНК-транскрипт Сплайсинг щие РНК могут служить дополни тельным источником генетичес Регуляция работы гена кой информации.

Интронная РНК Экзонная РНК Разрушение Процессинг Процессинг мРНК Трансляция Белок микроРНК и другие РНК Некодирующая РНК Другие функции Другие функции Другие функции Регуляция уровня сложности У млекопитающих альтернативно- Более вероятным и логичным му сплайсингу подвергается боль- представляется другой механизм – Такие рассуждения логично подводят шая часть первичных транскриптов. прямая регуляция сплайсинга с по- нас к более общему вопросу: какая не Их кодирующие участки после вы- мощью РНК. Эти молекулы могут осу- обходима информация, чтобы запро резания интронов могут соединять- ществлять беспрецедентно гибкую ГРАММИРОВАть развитие сложного орга ся разными способами, в результате регуляцию, маркируя определен- низма? Для создания любого сложного образуются белки более чем одного ные последовательности в первич- объекта (будь то какое-нибудь здание вида. А льтернативный сплайсинг ном транскрипте и диктуя сплай- или живое существо) нужна докумен имеет фундаментальное значение сосоме, как соединять фрагменты. тация двух типов. Первая относится для развития животных и растений, Косвенным подтверждением идеи к строительным материалам, вто правда, остается непонятным, как служат данные о сохранении в ходе рая содержит инструкции по сборке.

клетки узнают, какие белки им нужно эволюции нуклеотидной последова- В биологии, в отличие от строитель синтезировать. Идентифицировано тельности ДНК в местах сочленения ства, оба типа документации исходят несколько белковых факторов, регу- интронов с экзонами. Кроме того, из одного источника – молекулы ДНК.

лирующих альтернативный сплай- показано, что искусственно синтези- Белки (строительные блоки, из кото синг первичных транскриптов ряда рованная антисмысловая РНК, связы- рых состоят разные организмы) у раз генов. Ученые полагают, что альтер- вающаяся в этих местах с ДНК, изме- ных видов в основном одинаковы: так, нативность в разных условиях обес- няет характер сплайсинга в культуре у человека и мыши аналогичны 99% печивают многочисленные комбина- клеток и у животных. Конечно, было белков. Многие из них есть и у других ции нескольких основных факторов, бы замечательно, если подобный животных, а те, что принимают учас незначительно отличающихся друг феномен удалось бы продемонстри- тие в основных внутрик леточных от друга. Однако так это или нет – до ровать in vivo, но пока этого не про- процессах, у всех эукариот сходны.

конца не установлено. изошло. Таким образом, разница в строении в мире науkи www.FireWooD.net.ru МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ Таким образом, усложнение прока риот в ходе эволюции могло сдержи ваться не биохимическими и средо выми факторами, а недостаточностью miR-39 регуляторной информации. Об этом свидетельствует и тот факт, что жизнь miR- на Земле очень долго была представ miR- лена иск лючительно микроорга низмами. Простое увеличение числа регуляторных факторов не могло miR- miR- удовлетворить все возрастающим тре бованиям, предъявляемым усложняю щейся системой.

miR- Выходом из тупика мог стать пе 5' 3' miR-41 реход к совершенно другой системе регуляции, в которой действовали Молекулы микроРНК (синий цвет), образующиеся в результате процессинга не белковые факторы, а особые мо некодирующих РНК, могут складываться сами на себя и связываться с другими, лекулы РНК. Возможно, именно с та комплементарными им РНК с образованием самых причудливых структур. Таким ким переходом связан быстрый рост образом они выполняют функции, которые обычно приписывают белкам. числа многоклеточных организмов за последний миллиард лет. Этим же можно объяснить почти мгновенное животных происходит из различий онирования. Для этого необходима в историческом масштабе появление в замыслах «архитекторов». информация совсем другого уровня самых разнообразных беспозвоноч Информация о самих структурных и масштаба. ных примерно 525 млн. лет назад, белках содержится в генах, которыми Как показывают математические в Кембрийский период. Разумеется, кодируются белки, но где находится расчеты, объем информации с увели- феномен качественного скачка при таинственный архитектурный план? чением числа генов возрастает нели- переходе к иному, более тонкому Большинство биологов полагает, нейно (чаще всего имеет место квадра- механизму регуляции должен быть что «сборкой» сложных организмов тичная зависимость). Таким образом, свойственен не только биологичес управляют внутрик леточные регу- процесс усложнения организмов име- ким системам. Резкое усложнение – ляторные факторы, которые по ходу ет внутреннее ограничение, налагае- это всегда результат появления более строительства образуют между собой мое непропорциональным увеличе- совершенных способов регуляции на комплексы и связываются с молеку- нием объема данных, необходимых более глубоком уровне.

лами ДНК и РНК. Однако по данным для контроля за их работой. Возможно, мы вообще неправиль Дэниела Деннета (Daniel C. Dennett) Число регуляторных белков у про- но понимали механизм геномного из Университета Тафта, подавляющее кариот увеличивается пропорци- программирования и первопричи ALICE CHEN;

FROM NELSON C. LAU ET AL. IN SCIENCE, VOL. 294;

OCTOBER 26, большинство возможных комплексов онально квадрату размера генома. ны изменчивости организмов. 95% регуляторных факторов образуется Более того, экстраполяция показы- генома сложных организмов – это случайным образом и не может вы- вает, что точка, в которой число но- не «хлам», а очень важная функцио полнять никаких функций. Организм вых регуляторных белков начинает нальная часть, имеющая огромное же в своем развитии должен следовать превышать предел, налагаемый мак- эволюционное значение.

четкому плану, иначе он будет нежиз- симально возможным числом функ- Недавно ученые обнаружили, что неспособен. Создать замысловатую циональных генов, близка к верхне- геном позвоночных содержит тыся конструкцию не так уж сложно, го- му порогу размера бактериального чи некодирующих последователь раздо труднее добиться ее функци- генома. ностей, почти не изменившихся за миллионы лет. Они гораздо более консервативны, чем те, что кодиру ОБ АВТОРЕ: ют белки, – а это уже полная неожи данность. Механизм подобного «за Джон Маттик (John Mattick) – директор Института молекулярной биологии при мораживания» неизвестен, но если Квинслендском университете. Был организатором и руководителем работ, свя- какие-то участки ДНК абсолютно занных с исследованием генома, которые проводились в Австралии, первым не изменились за время эволюции, в стране создал вакцину с помощью методов генной инженерии. значит, они участвуют в жизненно 34 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ Расте- Живот Грибы ния ные важной для организмов системе се Многоклеточные организмы тевого управления. Таким образом, Уровень сложности геном человека и других сложных организмов нельзя рассматривать Одноклеточные эукариоты как безбрежную пустыню с немно гочисленными оазисами – белок-ко Одноклеточные организмы дирующими последовательностями. Эубактерии Это скорее информационный оке- Архебактерии ан, в котором разбросаны островки 4000 3000 2000 1000 Наши дни генов, и жизнь на них регулируется Время, миллионы лет назад с помощью РНК.

Многие миллиарды лет на Земле господствовали одноклеточные организмы, Существование разветвленной ре в основном прокариоты. Но как только появились первые многоклеточные, гуляторной сети на уровне РНК мо темпы эволюции возросли. Возможно, в основе этого скачка лежит переход жет иметь большое значение для со живых систем на более изощренные способы генетической регуляции.

здания новых лекарственных средств и генетического скрининга. Такие известные наследственные заболе вания, как муковисцидоз и талассе- Помимо интронов к генетическо- происходит в 100 раз чаще, чем дума мия, связаны с катастрофическими му «хламу» относили транспозоны ли раньше, и почти всегда в так на повреж дениями специфических и другие повторяющиеся элементы, зываемых Alu-повторах – элементах, белков, выводящими их из строя. при том, что на их долю приходит- находящихся в некодирующих пос Однако большинство генетических ся 40% генома человека. Они счита- ледовательностях. Особенно активно вариаций, которые детерминируют лись молекулярными паразитами, процесс протекает в клетках головно предрасположенность к различным которые когда-то давно колонизиро- го мозга, а если в нем возникает сбой, болезням или индивидуальные осо- вали наш геном. Поначалу, как и все то могут появиться патологии – эпи бенности, определяются архитек- иммигранты, они чувствовали себя лепсия и депрессия.

турой некодирующей части генома. неуютно, однако постепенно освои- РНК-редактирование происходит у всех животных, но Alu-последова тельности есть только у приматов.

Очень заманчивой представляется Создать сложную конструкцию не так идея, что «заселение» Alu-элемента уж трудно, гораздо сложнее добиться, ми именно генома линии приматов привело к появлению более сложных чтобы она функционировала. и динамичных нейронных сетей, ставших предпосылкой к формиро ванию памяти и высших познава Уже установлена связь между некоди- лись, и их потомки стали неотъемле- тельных функций, характерных для рующими РНК и такими заболевани- мой частью «общества» и эволюцио- человека.

ями, как В-клеточная лимфома, рак нировали вместе с ним. Поняв, как устроена чрезвычай легких, рак простаты, аутизм и ши- Убедительные данные свидетель- но запутанная регуляторная сеть зофрения. ствуют о том, что транспозоны участ- у сложных организмов, можно будет Дефекты в РНК-рег уляторной вуют в регуляции работы генома выс- использовать эту информацию для системе будет нелегко выявить ме- ших организмов и играют ключевую конструирования самоорганизую тодами молекулярно-генетической роль в эпигенетическом наследова- щихся самоконтролируемых сис эпидемиологии и столь же трудно нии признаков. Более того, в июле тем, т.е. для создания искусственных исправить. Но понимание устройс- 2003 г. Erev Y. Levanon of Compugen живых систем и искусственного ин тва системы поможет установить, и другие ученые сообщили об инте- теллекта. Тот генетический матери чем определяется наша физичес- реснейшем феномене, который они ал, который долгое время считался кая и психологическая индивиду- назвали «A-to-I (adenosine-to-inosin)- «хламом», вполне может стать клю альность. Кроме того, это создаст editing» («А–И-редактирование»). Он чом к разгадке необычайной слож предпосылки к выработке тончай- состоит в изменении нуклеотидной ности человеческого организма LUCY READING ших методов воздействия на наш последовательности РНК в строго оп- и путеводной нитью к программи организм для улучшения состояния ределенном сайте. У человека такое рованию всевозможных сложных здоровья. «редактирование» РНК-транскриптов систем.

в мире науkи www.FireWooD.net.ru Росс Хоффман ПОВЕЛЕВАТЬ УРАГАНАМИ www.FireWooD.net.ru МЕТЕОРОЛОГИЯ Каждый год атмосферные вихри, бури – зону затишья, вокруг которой скорость ветра в которых достига- закручивается вихрь. Оказавшись ет порой 120 км/ч, проносятся над над сушей, ураган утрачивает под тропическими морями, опустошая держивающий его источник теплой побережье. В Атлантике и восточ- воды и быстро ослабевает.

ной части Тихого океана их назы Можно ли Первый блин комом вают ураганами, на западном побе режье Тихого океана – тайфунами, Так как ураганы получают большую бороться в Индийском океане – циклонами. часть энергии из тепла, освобожда с ураганами Когда они врываются в густо насе- ющегося при конденсации водяных ленные районы, гибнут тысячи лю- паров над океаном и образовании и другими дей, а материальный ущерб достигает дождевых облаков, первые попытки мощными миллиардов долларов. Сможем ли мы укрощения непокорных гигантов когда-нибудь обуздать беспощадную сводились к искусственному созда тропическими стихию? Что нужно сделать, чтобы нию облаков. В начале 60-х гг. XX в.

циклонами? ураган изменил свою траекторию этот метод был опробован в ходе эк или потерял разрушительную силу? спериментов, проведенных научно Прежде чем приступить к управ- консультативной комиссией Project лению ураганами, необходимо на- Stormfury, учрежденной правитель учиться точно прогнозировать их ством США.

маршрут и определять физические Ученые пробовали замедлить раз параметры, влияющие на поведение витие ураганов, увеличивая количе атмосферных вихрей. Затем можно ство осадков в первой полосе дождей, будет заняться поисками способов которая начинается сразу за стеной воздействия на них. Пока мы еще глаза бури – скоплением облаков в самом начале пути, но успехи ком- и сильных ветров, окру жающих пьютерного моделирования урага- центр урагана. Для создания искусст нов позволяют надеяться, что мы все- венных облаков с самолета сбрасы таки можем справиться со стихией. вали йодистое серебро. Метеорологи Результаты моделирования реакции надеялись, что распыляемые части ураганов на мельчайшие изменения цы станут центрами кристаллиза их первоначального состояния ока- ции переохлаж денного водяного зались весьма обнадеживающими. пара, поднявшегося в холодные слои Чтобы понять, почему мощные тро- атмосферы. Предполагалось, что об пические циклоны чутко реагируют лака будут формироваться быстрее, на любые возмущения, необходимо поглощая при этом тепло и влагу разобраться, что они из себя пред- с поверхности океана и замещая сте ставляют и как зарождаются (см. рис. ну глаза бури. Это привело бы к рас на стр. 38–39). ширению центральной спокойной Ураганы возникают из грозовых зоны и ослаблению урагана.

скоплений над океанами в эквато- Сегодня создание искусственных риальной зоне. Тропические моря облаков уже не считается эффектив поставляют в атмосферу тепло и во- ным методом, т.к. выяснилось, что дяной пар. Теплый влажный воздух содержание переохлажденного водя поднимается вверх, где пары воды ного пара в воздушных массах бурь конденсируются и превращаются незначительно.

в облака и осадки. При этом тепло, Чувствительная атмосфера запасенное водяным паром во вре мя испарения с поверхности океана, Современные исследования урага освобождается, воздух продолжает нов опираются на предположение, нагреваться и поднимается все выше. сделанное мною 30 лет назад, когда В результате в тропиках формиру- еще студентом я изучал теорию ха Небольшие изменения могут сильно ется зона пониженного давления, оса. На первый взгляд, хаотические повлиять на курс и силу урагана. образующая так называемый глаз системы ведут себя произвольно.

в мире науkи www.FireWooD.net.ru АНАТОМИЯ УРАГАНА Изменяя первоначальные физические условия (напри- Чтобы эффективно использовать малые возмущения атмо мер, температуру и влажность воздуха) в центре циклона сферы, ученые должны научиться делать точные детальные или в окружающих его районах, можно рассеять ураган прогнозы развития урагана. Здесь представлены основ или направить его по менее опасному для человека пути. ные элементы мощного циклона.

Растущие грозовые Вращение облака Поднимающийся бури 3 воздух Приток воздуха Зона Дождь Сходящиеся пониженного потоки давления Конденсация воздуха Поднимающийся Тропические моря воздух Над тропическими морями образуется зона низкого давления, куда с периферии по периметру засасываются новые порции теплого влажного воздуха (4). В этом круговороте сырой воздух пополняет Ураган зарождается, когда над водами тропических разрастающиеся грозовые облака, которые, в свою морей накапливается теплый влажный воздух (1). Он очередь, перемещают огромные массы тепла и водяных поднимается вверх, и водяные пары конденсируются, паров еще выше (5). Восходящий поток усиливает образуя облака и дождь (2). Освобождающееся подсасывание окружающего воздуха к расширяющейся при конденсации тепло способствует дальнейшему центральной зоне, где начинается круговое движение, поднятию воздушных масс (3).

обусловленное вращением Земли (6). Этот быстро протекающий процесс формирует и усиливает бурю.

На самом деле их поведение под- небольшие колебания температуры Высокая восприимчивость атмо чиняется определенным правилам воды в океане, смещение крупных сферы к незначительным воздей и сильно зависит от первоначаль- воздушных потоков и даже изме- ствиям и ошибки, накапливающи ных условий. Поэтому с виду незна- нение формы дож девых облаков, еся при моделировании погоды, чительные, случайные возмущения кружащихся вокруг центра урагана, затрудняют долгосрочное прогно могут привести к серьезным непред- могут повлиять на его силу и направ- зирование. Возникает вопрос: если сказуемым последствиям. Например, ление движения. атмосфера столь чувствительна, то нельзя ли как-нибудь повлиять на ОБЗОР циклон, чтобы он не достиг населен ных районов или хотя бы ослаб?

УКРОЩЕНИЕ УРАГАНОВ Раньше я и мечтать не мог о вопло Метеорологи изучают ураганы с помощью усовершенствованных про- щении своих идей, но за последнее грамм для прогнозирования погоды, которые позволяют смоделировать десятилетие математическое модели процесс развития мощных тропических циклонов.

рование и дистанционное зондиро COURTESY OF NASA/CORBIS (precending pfges) Результаты исследований показали, что эти крупнейшие хаотические сис- вание шагнули далеко вперед, так что темы удивительно чутко реагируют на малейшие изменения температуры настала пора заняться крупномасш воздуха, влажности и скорости ветра как внутри циклона, так и за его пре- табным управлением погодой. При делами. финансовой поддержке Института Ученые используют методы математической оптимизации, чтобы понять, передовых идей NASA мы с кол как можно ослабить силу урагана или отвести его от населенных районов. легами из национальной научно Если теоретические поиски завершатся успехом, то можно будет перейти конструкторской консалтинговой к практическому вмешательству в жизненный цикл ураганов, угрожающих фирмы «Исследования атмосферы и жизни людей и их имуществу. окружающей среды» (Atmospheric and Environmental Research, AER) присту 38 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru АНАТОМИЯ УРАГАНА Ураган Стена глаза бури я йс щи Глаз в о з с ка ю бури ду х у Оп Когда циклон набирает силу, образуется глаз – стратосфера. Одна часть сухого воздуха стекает вниз спокойная центральная зона низкого давления (7), в центре урагана (9) и между облаками (10), а другая которая окружена кольцом облаков и сильных ветров – часть устремляется по спирали из центра и опускается стеной глаза бури (8). Буря перерастает в ураган. В то (11). Перемещение соседних воздушных масс управляет же время дальнейшему поднятию нагретого воздуха, дальнейшим передвижением урагана.

потерявшего большую часть влаги, препятствует пили к компьютерному моделиро- При построении моделей состо- осадков, влияние поверхностного ванию ураганов, чтобы разработать яние атмосферы определяют по трения, инфракрасного охлаждения перспективные методы воздействия полному перечню переменных, ха- и нагревания солнечными лучами.

на них. рактеризующих давление, темпе- К сожалению, метеорологические ратуру, относительную влажность, прогнозы несовершенны. Во-первых, Моделирование хаоса скорость и направление ветра. начальное состояние модели всегда Даже самые точные современные Количественные показатели соот- неполно и неточно, т.к. определить компьютерные модели для предска- ветствуют моделируемым физичес- его для ураганов крайне сложно, зания погоды несовершенны, однако ким свойствам, которые подчиняют- поскольку проведение непосредс они могут оказаться весьма полез- ся закону сохранения. В большинстве твенных наблюдений затруднено.

ными при изучении циклонов. Для метеорологических моделей рас- Космические снимки отображают составления прогнозов применяют- сматриваются значения перечислен- сложную структуру урагана, но они ся числовые методы моделирования ных переменных в узлах трехмерной недостаточно информативны. Во развития циклона. Компьютер пос- координатной сетки. Конкретный вторых, атмосфера моделируется ледовательно рассчитывает показа- набор значений всех параметров во только по узлам координатной сет тели атмосферных условий, соот- всех точках сетки называется состо- ки, а располагающиеся между ними ветствующих дискретным моментам янием модели, которое вычисляет- мелкие детали не включаются в рас времени. Предполагается, что общее ся для последовательных моментов смотрение. Без высокой разрешаю количество энергии, импульса и вла- времени, разделенных небольшими щей способности смоделированная ги в рассматриваемом атмосферном промежутками – от нескольких се- структура самой важной части ура образовании остается неизменным. кунд до нескольких минут в зависи- гана – стены глаза бури и прилегаю DAVID FIERSTEIN Правда, на границе системы ситуация мости от разрешающей способности щих к ней областей – получается не несколько сложнее, т.к. приходится модели. Учитывается движение вет- оправданно сглаженной. Кроме того, учитывать влияние внешней среды. ра, процессы испарения, выпадения в математических моделях таких в мире науkи www.FireWooD.net.ru МЕТЕОРОЛОГИЯ хаотических явлений, как атмосфе- ких часов, а сразу обрабатываются. на степень соответствия показателей ра, быстро накапливаются вычисли- Объединенные данные наблюдений моделирования и наблюдений. Расчет тельные ошибки. и предварительного прогноза ис- с помощью так называемой сопря Для проведения наших исследова- пользуются для вычисления следую- женной модели ведется в обратном ний мы модифицировали эффектив- щего шестичасового прогноза. порядке через шестичасовые про но использующуюся для прогнозов Теоретически такая комплексная межутки времени. Затем программа схему инициализации – четырех- информация точнее всего отражает оптимизации выбирает наилучший мерную систему ассимиляции дан- истинное состояние погоды, пос- вариант поправок к первоначально ных ( four-dimensional variational кольку результаты наблюдений и ги- му состоянию модели, чтобы резуль data assimilation, 4DVAR). Четвертое потетические данные корректируют таты дальнейших расчетов наиболее измерение, присутствующее в назва- друг друга. Хотя статистически этот точно отражали реальное развитие нии, – это время. Исследователи из метод вполне обоснован, исходное процессов в урагане.

Европейского центра среднесрочных состояние модели и информация, не- Поскольку корректирование вы прогнозов погоды, одного из круп- обходимая для его успешного приме- полняется методом аппроксимации уравнений, то вся процедура – моде лирование, сравнение, вычисление В измененной модели ураган с помощью сопряженной модели, Иники отклонился от своего курса, оптимизация – должна повторять ся до получения точно выверенных и разрушительные ветры не достигли результатов, которые становятся основой для составления предвари острова Кауаи. тельного прогноза на следующий шестичасовой период.

нейших метеорологических центров нения, все равно остаются приблизи- Построив модель уже прошедшего мира, используют эту усложненную тельными. урагана, мы можем изменять его ха технологию для ежедневного пред- Система 4DVAR находит такое со- рактеристики в любой момент време сказания погоды. стояние атмосферы, которое, с одной ни и наблюдать за последствиями вне Сначала система 4DVAR ассими- стороны, удовлетворяет уравнениям сенных возмущений. Оказалось, что лирует данные, т.е. объединяет по- модели, а с другой — оказывается на формирование бури влияют только казания, полученные со спутников, близким как к прогнозируемой, так самоусиливающиеся внешние воздей кораблей и измерительных прибо- и к наблюдаемой обстановке. Для ствия. Представьте пару камертонов, ров на море и в воздухе, с данными выполнения задачи проводится кор- один из которых вибрирует, а второй предварительного прогноза со- ректировка первоначального состо- находится в спокойном состоянии.

стояния атмосферы, основанно- яния модели в соответствии с изме- Если они настроены на разные часто го на фактической информации. нениями, произошедшими за шесть ты, то второй камертон не шелохнет Предварительный прогноз дается на часов наблюдений и моделирования. ся, несмотря на воздействие звуковых шесть часов с момента снятия показа- В частности, выявленные различия волн, испускаемых первым. Но если ний метеоприборов. Данные, посту- используются для вычисления реак- оба камертона настроены в унисон, пающие с наблюдательных пунктов, ции модели – как небольшие измене- второй войдет в резонанс и начнет не накапливаются в течение несколь- ния каждого из параметров влияют колебаться с большой амплитудой.

Так же и мы пытаемся «настроиться» на ураган и отыскать подходящее стиму ОБ АВТОРЕ: лирующее воздействие, которое при вело бы к желаемому результату.

Росс Хоффман (Ross N. Hoffman) – ведущий специалист и вице-президент мас Укрощение бури сачусетской фирмы «Исследования атмосферы и окружающей среды» (AER).

Хоффман занимается объективным и сравнительным анализом данных, ди- Наша научная группа из AER провела намикой и радиационным балансом атмосферы, а также климатологией. Он компьютерное моделирование двух работал в различных подразделениях NASA и в Национальном научно-иссле- разрушительных ураганов, неис довательском консультативном комитете по состоянию и будущим направле- товствовавших в 1992 г. Когда один ниям исследований и деятельности в области преобразования погодных ус- из них – Иники – прошел прямо ловий в США. Хоффман выражает благодарность за поддержку исследований над гавайским островом Кауаи, по Институту передовых идей NASA, а также своим коллегам из AER, особенно гибло несколько человек, был нане Джону Хендерсону (John Henderson). сен огромный материальный ущерб 40 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru МЕТЕОРОЛОГИЯ и целые лесные массивы сровня- в ста километрах западнее острова, эксперименте мы допускали выбор лись с землей. Месяцем ранее ураган в котором должен оказаться ураган любых искусственно созданных воз Эндрю обрушился на Флориду юж- через шесть часов. Затем составили мущений.

нее Майами и превратил в пустыню данные возможных наблюдений и Оказалось, что самые значитель целый регион. загрузили эту информацию в систе- ные преобразования коснулись пер Усли учесть несовершенство су- му 4DVAR. Программа должна была воначального состояния темпера ществующих методов прогнози- рассчитать мельчайшие изменения туры и ветра. Типичные изменения рования, наш первый эксперимент основных параметров первоначаль- температуры по всей сети координат моделирования имел неожиданный ного состояния урагана, которые составляли десятые доли градуса, но успех. Чтобы изменить путь Иники, модифицировали бы его маршрут самые заметные изменения – увели мы преж де всего выбрали место нужным образом. В этом первичном чение на 2°С – оказались в нижнем УПРАВЛЕНИЕ МОДЕЛЯМИ УРАГАНОВ Ученые смоделировали два мощных урагана 1992 г. – Иники и Эндрю. Цветом обозначена скорость ветра, а черные линии ограничивают области штормовых ветров, скорость которых превышает 90 км/ч (наименьшая скорость, при которой неизбежны разрушения).

В оригинальной модели урагана Иники траектория его центра (черная пунктирная линия) такова, что штормовые ветры обрушиваются на гавайский остров Кауаи. Но стоит слегка изменить начальную температуру и влажность воздуха в нескольких точках, как траектория (красная пунктирная линия) отклоняется примерно на 100 км и проходит на значительном расстоянии к западу от Кауаи.

На картах внизу изображены Флорида, Багамские острова, окружающие моря и модели оригинального (слева) и модифицированного (справа) урагана Эндрю. Хотя после внесения изменений продолжали бушевать разрушительные ветры, их максимальные скорости значительно снизились: ураган перешел из третьей категории в первую.

LUCY READING в мире науkи www.FireWooD.net.ru ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УРАГАН Результаты компьютерного моделирования ураганов показали, что изменение температуры воздуха, количества осадков и интенсивности испарения влияет на траекторию и силу циклона. Воду, необходимую для увеличения размеров и интенсивности стены глаза бури, можно отводить в искусственно созданные облака (слева). Чтобы подавить испарение – источник энергии циклона, – поверхность океана на пути урагана можно покрыть биологически разлагающейся масляной пленкой (в центре). В будущем можно будет использовать орбитальные Орбитальная солнечные электростанции. Передаваемое на Землю СВЧ-излучение будет электростанция поглощаться молекулами водяного пара (справа) и нагревать окружающий воздух.

Это позволит ослаблять ураганы или изменять их траектории.

Создание искусственных облаков Вещества, стимулирующие конденсацию Нагретый Ураган водяной пар Биологически разлагающаяся масляная пленка Траектория урагана Подавление испарения слое к западу от центра циклона. Мы на верном пути! В последующем ее на 2–3°С в нескольких местах.

Согласно расчетам, изменения ско- моделировании использовалась ко- Меньшие изменения температуры рости ветра составили 3,2–4,8 км/ч. ординатная сетка с более высокой воздуха (меньше 0,5°С) произошли В некоторых местах скорость ветра разрешающей способностью, а сис- на расстоянии от 800 до 1000 км от изменилась на 32 км/ч в результате тему 4DVAR мы запрограммировали центра бури. Возмущения привели незначительной переориентации на сведение к минимуму материаль- к образованию волнообразно чере направления ветра вблизи центра ного ущерба. дующихся колец нагрева и охлаж урагана. В одном из экспериментов мы усо- дения вокруг урагана. Несмотря на Хотя обе компьютерные версии вершенствовали программу и рас- то что в начале процесса была изме урагана Иники – первоначальная считали приращение температуры, нена только температура, значения и с внесенными возмущениями – которое могло бы обуздать ветер у всех основных характеристик быс казались идентичными по структу- берегов Флориды и снизить ущерб, тро отклонились от реально наблю ре, небольших изменений к люче- нанесенный у раганом Эн дрю. давшихся. В неизмененной модели вых переменных было достаточно, Компьютеру предстояло определить ураганные ветры (более 90 км/ч) чтобы ураган развернулся за шесть наименьшие возмущения в началь- накрывали южную Флориду к кон часов на запад, а потом двинул- ном температурном режиме, кото- цу шестичасового периода, чего не ся прямо на север, оставив остров рые могли бы снизить силу штор- наблюдалось при внесении измене Кауаи нетронутым. Относительно мового ветра в последние два часа ний.

малые искусственные преобразо- шестичасового периода. Система Чтобы проверить надежность по вания начальной стадии цик лона 4DVAR определила, что лучший спо- лу ченных результатов, мы прове были обсчитаны системой нелиней- соб ограничить скорость ветра – ли такой же эксперимент на более DAVID FIERSTEIN ных уравнений, описывающих его провести большие преобразования сложной модели с большей разре деятельность, и через шесть часов начальной температуры около цен- шающей способностью. Результаты ураган пришел в назначенное место. тра цик лона, а именно: изменить оказались схожи. Правда, через 42 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru МЕТЕОРОЛОГИЯ шесть часов на видоизмененной мо- урагана и ниже дождевых облаков влияет на мощность и траекторию дели возобновились сильные вет- будут защищены от нагрева, т.к. ураганов. Например, образование ры, поэтому понадобились допол- дождевые капли хорошо поглощают инверсионных следов самолетов нительные вмешательства, чтобы СВЧ-излучение. наверняка может вызвать требуемые уберечь южную Флориду. Вероятно, В нашем предыду щем экспери- возмущения начального состояния чтобы держать под контролем ура- менте система 4DVA R определила циклонов.

ган в течение определенного про- большие температурные перепады Кто встанет у штурвала?

межутка времени, необходимо за- там, где нельзя применить микро пускать серию запланированных волновой нагрев. Поэтому было Если в будущем метеорологи на возмущений. решено вычислить оптимальные у чатся у правлять у раганами, то возмущения при условии, что тем- скорее всего возникнут серьезные Кто остановит дождь? пература воздуха в центре должна политические проблемы. Несмотря Если результаты наших исследо- оставаться постоянной. Мы полу- на то что с 1970-х гг. Конвенцией ваний состоятельны и небольшие чили удовлетворительный резуль- ООН запрещено использовать по изменения температуры воздуха тат, но, чтобы компенсировать не- году в качестве оружия, некоторые в ураганном вихре действительно изменность температуры в центре, страны могут не устоять перед ис могут повлиять на его курс или осла- пришлось значительно изменить кушением.

бить силу ветра, то встает вопрос: как ее в других местах. Интересно, что Впрочем, наши методы еще пред этого достичь? Невозможно сразу в процессе развития модели темпе- стоит опробовать на безобидных по нагреть или остудить такое обшир- ратура в центре цик лона менялась сравнению с ураганами атмосфер ное атмосферное образование, как очень быстро. ных явлениях. Прежде всего следу ураган. Однако можно подогревать Другой способ подавления силь- ет опробовать экспериментальные воздух вокруг урагана и таким об- ных тропических цик лонов – не- возмущения для усиления осадков разом регулировать температурный посредственное ограничение пос- на сравнительно небольшой терри режим. тупающей в них энергии. Например, тории, контролируемой измеритель Наша команда планирует провес- поверхность океана можно было ными приборами. Если понимание ти вычисление точной структуры бы покрыть тонкой, биологически физики облаков, их цифровое моде и силы подогрева атмосферы, не- разлагающейся масляной пленкой, лирование, методика сравнительно обходимого для снижения интен- которая способна приостанавли- го анализа и компьютерные техно сивности урагана и изменения его вать испарение. Кроме того, мож- логии будут развиваться нынешними курса. Несомненно, практическая но оказывать влияние на циклоны темпами, то наш скромный опыт мо реализация такого проекта потре- за несколько дней до их подхода жет быть претворен в жизнь. Кто зна бует огромного количества энергии, к берегу. Крупномасштабную пере- ет, быть может, уже через 10–20 лет но ее можно получить с помощью стройку структуры ветров следует многие страны займутся крупномас орбитальных солнечных электро- предпринимать на высоте полета штабным управлением погодой с ис станций. Вырабатывающие энергию реактивных самолетов, где измене- пользованием подогрева атмосферы спутники следует оснастить гигант- ние атмосферного давления сильно из космоса.

скими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

солнечной батареи. Собранну ю энергию затем можно будет пере The Rise and Fall of Weather Modification: Changes in American Attitudes toward править на микроволновые прием- Technology, Nature, and Society. Chunglin Kwa in Changing the Atmosphere:

ники на Земле. Современные конс Expert Knowledge and Environmental Governance. Edited by Clark A. Miller and трукции космических солнечных Paul N. Edwards. MIT Press, 2001.

станций способны распространять Controlling the Global Weather. Ross N. Hoffman in Bulletin of the American микроволны, не нагревающие ат Meteorological Society, Vol. 83, No2, pages 241-248;

February 2002. Available at мосферу и поэтому не теряющие http://ams.allenpress.com энергию. Для управления погодой Critical Issues in Weather Modification Research. Michael Garstang et al., National важно направить из космоса микро Research Council of the National Academies of Sciences. National Academies волны тех частот, при которых они Press, Washington, D.C., 2003. www.nap.edu/books/0309090539/html лучше поглощаются водяным паром.

NOAA’s Hurricane Research Division: www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq Различные слои атмосферы можно Ross N. Hoffman’s technical presentations on weather modification can be found будет нагреть согласно заранее про at www.nlac.usra.edu/studies думанному плану, а области внутри в мире науkи www.FireWooD.net.ru Даже электрическую лампочку можно подключить к Интернету, если оснастить ее недорогой микросхемой, передающей сигналы по электросети.

www.FireWooD.net.ru ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Нил Гершенфельд, Раффи Крикориан, Дэнни Коэн интернет ДЛЯ ВЕЩЕЙ На основе принципов, положивших Около ста лет назад Антонио Гауди вать интеллектуальную инфраструк начало Интернету, явил миру новый архитектурный туру зданий, но совершенно не учи сегодня создается стиль, в котором выразительные тывали потребность в устройствах, художественные формы незамет- функциональность которых могли сеть нового типа, но сливались с элементами несу- бы задавать не строители, а сами щих конструкций. Электронной жильцы.


которая свяжет инфраструктуре зданий подобная Впрочем, игра не будет стоить различные интеграция еще только предсто- свеч, если для ввинчивания лампоч ит. Выключатели, сетевые розетки ки потребуется квалифицирован бытовые и кондиционеры рассматриваются ный инженер, а для включения и вы устройства. в архитектурных проектах в послед- ключения света – целый IT-отдел.

нюю очередь, а их местоположение Чтобы бытовые приборы научились жестко задается скрытой в стенах общаться друг с другом, не требуется электропроводкой. Бытовая техника ни гигабитных скоростей, ни гига и компьютеры появляются уже пос- байтных объемов. Наоборот, необхо ле завершения строительства. Лишь димо резкое уменьшение стоимости немногие устройства обмениваются и сложности установки и настройки между собой информацией, а боль- бытовой сети.

шинство электронных обитателей Для соединения домашних уст типичного дома или офиса даже ройств было разработано множе о времени суток имеют различные ство различных стандартов: X10, представления. LonWorks, CEBus, BACnet, Bluetooth, Подобное неудобство отрица- IrDA, HomePlug и т.д. Аналогичная тельно сказывается на экономике ситуация сложилась в 1960-х гг., ког строительной промышленности, да родилась сеть Arpanet, предшест эффективности использовани я венница Интернета. Чтобы связать электроэнергии, архитектурной вы- множество несовместимых типов разительности и, в конечном итоге, компьютеров и сетей, требовалось на качестве жизни. В США общий создать специальное программное оборот строительных компаний со- и аппаратное обеспечение.

ставляет около триллиона долларов, Построение глобальной сети причем на разработку схем, проклад- из разнородных локальных сетей ку и проверку электропроводки тра- (inernetworking) основано на двух тятся миллиарды. Было предложено основных принципах. Первый – множество проектов «умных» домов, коммутация пакетов – зак люча авторы которых пытались использо- ется в разбиении данных на в мире науkи www.FireWooD.net.ru ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ фрагменты, которые независимо Все те же принципы позволяют ров, терпеть их не могу!» Никто и не маршрутизируются и затем воссо- решить задачу соединения не раз- заметил, что мебель скрывает в себе единяются у получателя. Было ре- нородных сетей, а разнородных уст- сотни микрокомпьютерных датчи шено отказаться от традиционного ройств. Дальнейшее проникновение ков, обменивающихся информацией подхода, применяемого при пост- сетевых технологий в наш быт тре- с семнадцатью компьютерами, под роении телефонных сетей, где для бует осознания сходств и различий ключенными к Интернету.

каж дого соединения выделяется между лампочками Ильича и боль- В 2001 г. пришел черед выставки статическая линия. В основу базо- шими компьютерами, для которых «Медиа-хаус». Элементы конструк вого протокола Интернета (Internet создавался Интернет. ции одного из зданий несли на себе Protocol, IP) заложен второй при- не только весовую нагрузку, но также Интеллектуальная среда нцип – концепция соединения меж- электросистемы и средства переда ду конечными точками (end-to-end), Интеграция Интернета с физической чи данных. Система освещения была при котором поведение сети опре- инфраструктурой была реализована оснащена микрокомпьютерами, деляется не ее внутренней структу- в нескольких проектах. Например, объединенными в сеть. Связь между рой, а тем, какие устройства соеди- на приуроченной к встрече нового лампами и выключателями устанав няются между собой. Сегодня через тысячелетия выставке передовых ливалась на ходу.

Интернет можно получать доступ технологий в Белом доме была про- На открытии выставки присут к удаленным компьютерам, вести демонстрирована «умная» аптечка. ствовал один из руководителей электронную торговлю, смотреть Она напоминает своему владельцу проекта высокоскоростного Интер интерактивное видео и т.д. Каждая о приеме лекарств, извещает апте- нета-2. Он все время спрашивал, как новая сетевая услуга вводит в оборот каря о необходимости пополнения быстро передаются данные по сети новые типы данных, но инженерам запаса медикаментов и помогает внутри здания. Кто-то заметил, что не нужно менять сетевое оборудова- врачам следить за пациентами. Такая для системы освещения не нужны ние или программное обеспечение. система облегчает уход за больными высокие скорости, и пошутил, что За 30 лет размеры и производи- и позволяет сократить социальные бытовые устройства объединяют тельность Интернета выросли на и экономические затраты, связан- ся не в Интернет-2, а в Интернет-0.

семь порядков – от 64 сайтов Arpanet ные со старением людей. Название всем понравилось, и вско до 200 млн. зарегистрированных Другой проект был реализован ре был запущен проект И0, а IP-про хостов. Пришлось приложить нема- в Нью-Йоркском музее современно- цессоры стали воплощением семи ло усилий, чтобы в спецификациях го искусства. Чтобы избавиться от принципов, в которых концепция отсутствовали параметры, завися- обычных компьютерных интерфей- межсетевого взаимодействия была щие от конкретных технологий. Но сов, в качестве гида было решено ис- распространена на взаимодействие это позволяет развивать оборудова- пользовать мебель. На открытии му- между устройствами.

ние без пересмотра базовой архи- зея один из меценатов воскликнул:

Семь принципов тектуры глобальной сети. «Как здорово: здесь нет компьюте Первый принцип: Во всех уст ройствах используется IP-протокол ОБЗОР Интернета. Во многих других сис темах для соединения устройств ИНТЕРНЕТ-0 применяются иные стандарты. Если компьютер хочет обмениваться дан Подключение предметов быта к информационной сети позволит упрос- ными с каким-то устройством, его тить настройку бытовой техники, снизить стоимость строительства и облег- сообщение нужно сначала перевес чить уход за больными и пожилыми людьми. Сегодня существует несколько ти из IP-протокола в другой прото конкурирующих сетевых стандартов – совсем как на заре эпохи Интернета, кол, для чего требуется специальный когда появилось множество несовместимых типов компьютеров и сетей. интерфейс. Такой подход был вы Чтобы предотвратить вавилонское столпотворение, необходимо приспо- бран из опасений, что реализовать собить протоколы обмена, на которых основан Интернет, для свободного IP в простых устройствах трудно. Но SLIM FILMS (preceding page) представления информации – в виде электрических импульсов, световых это не обязательно так. Программу, вспышек, звуковых сигналов или штрих-кодов. реализу ющу ю IP-протокол, мож Использование схемы кодирования «Интернет-0» позволяет распростра- но сжать до нескольких килобайт нить принцип объединения разнородных компьютерных систем на сети, и выполнять на микроконтрол содержащие устройства различных типов. лере ценой в один доллар. IP-ин формация добавляет к ка ж дому 46 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru ОДНА СЕТЬ ДЛЯ ВСЕГО ОБОРУДОВАНИЯ Интернет-0 позволяет организовать взаимодействие обрабатывать информацию, передаваемую по электросети разнообразных устройств. Подключенные к домашней и беспроводным каналам связи, а также считывать данные, сети лампы и нагреватели включаются по сигналу от фото- например, выгравированные на ключах от входной двери.

и термодатчиков, а домашняя аптечка самостоятельно И0-устройства можно настраивать не только с помощью заказывает лекарства. Интернет-0 легко интегрируется в компьютера, но и вручную.

локальные и глобальные компьютерные сети и позволяет На чердаке размещены устройства, связываю щие разнородные под Инфракрасный канал сети: сервер, широко Беспроводной канал полосное соединение, точка беспроводного Силовые линии доступа и интерфейс с Телефонная линия электросетью. Находясь Система вне дома, владелец безопасности может войти в систему Кабель Ethernet через Интернет и прове Коаксиальный кабель рить, заперты ли двери и выключены ли бытовые приборы.

Будильник включает свет и кофеварку, а Каждый флакон с также сообщает всей лекарством оснащен бытовой технике, что меткой, которую считы люди проснулись.

вает аптечка. Система автоматически напоми нает людям, что надо принять лекарство или Кондиционер и ради пополнить их запас.

атор поддерживают оптимальную темпе ратуру, полагаясь на сигналы термодатчи- Домовладелец может ка. При этом учиты- управлять работой всей вается время суток и системы с помощью присутствие людей в компьютера, сотового доме, которое опре- телефона или цифрово деляется по включен- го органайзера (PDA).

ному освещению.

В сеть интегрирована домашняя система безопасности.

Между выключателями и лампочками нет никаких проводов, а их програм мирование занимает всего несколько секунд.

Сеть может сигнали Подключенный к Интернету Ключ отпирает дом не Оросительная зировать о перегора развлекательный центр позво только механически, система соединена нии лампочки.

ляет воспроизводить потоковое но и цифровым кодом.

с домашней сетью, видео и музыку.

На ключе выгравиро MANU PRAKESH (key);

LUCY READING (house) Часы автоматически которая отключает ван штриховой код, синхронизируются с С дистанционного пульта можно полив, когда начи удостоверяющий серверами точного управлять не только телевизо нается дождь.

личность владельца. ром, но и другими устройствами. времени.

Пакет Интернета-0 можно выгравировать на ключе (слева) или напечатать в виде штрих-кода (внизу). В обоих случаях зашифрованные вертикальными линиями импульсы легко преобразовать в электрические сигналы и передать в сеть без перекодировки.

Гравировка представляет собой криптографический ключ, позволяющий своему владельцу настраивать устройства. Штриховой код содержит И0-пакет, которому предшествует идентификатор устройства-адресата.

IP-заголовок UDP-заголовок И0-пакет в мире науkи www.FireWooD.net.ru КОГДА ЛУЧШЕ НЕ СПЕШИТЬ вере, из-за которого система стано МАЛЕНЬКИЕ БИТЫ БОЛЬШИЕ БИТЫ вится дорогой и менее надежной.


Серверы могут расширить функцио 30 см 30 м нальность системы, однако она в со Провод стоянии работать и без них.

Идентификация Отражение Четвертый принцип: Все уст электрического импульса ройства должны сами заботиться о своей идентификации. У каждого Отражение компьютера в Сети есть пять раз радиоимпульса личных имен: аппаратный MAC Провод адрес в местной сети (например, 00:08:74:AC:05:0C), IP-адрес в гло бальной сети (например, 18.7.22.83), СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ сетевое имя (www.mit.edu), функци 1 000 Мбит/с 10 Мбит/с ональное имя (например, «третий Если данные передаются медленно, то соответствующие им электрические сервер слева») и имя криптографи и радиоимпульсы получаются большими, что сильно облегчает работу ческого ключа, обеспечивающего ин компьютерной сети. Если маленькие импульсы отражаются от металлических формационную безопасность. Одна предметов (в случае радиосигнала) и проводных соединений (в случае из важнейших функций серверов – кабельной связи), то большие импульсы в буквальном смысле заполняют собой присвоение имен. И0-устройства каждый сантиметр передающей среды. В результате концентраторы и другие должны самостоятельно справлять специальные устройства становятся ненужными. ся с этой задачей, когда сервер отсут ствует, и принимать его инструкции, если он есть.

Аппаратные адреса чаще всего сообщению около 100 бит, что ей их содержимого. Наконец, данные «прошиваются» изготовителем ап практически не влияет на время попадают к приложению, например паратуры, который выбирает их из отк лика и потребление энергии. к веб-браузеру. выделенного ему блока. Но такой Дополнительные слу жебные дан- Уровни реализуются отдельно способ идентификации не годит ные небольшого объема позволяют друг от друга, и значительная часть ся для каж дой лампы и каж дого избежать расходов на конфигури- кода предназначается для передачи вык лючателя на планете. Поэтому рование и обслуживание сложных сообщений между ними. Такая схема устройство может взять в качестве интерфейсов. чрезвычайно удобна для разработки адреса просто слу чайную после Второй принцип: Совместная стандартов: алгоритм работы любо- довательность битов. Вероятность реализация протоколов связи уп- го из уровней можно изменять, не того, что два прибора выберут один рощает сетевое программное обес- затрагивая другие. Однако при на- и тот же 128-битовый адрес, равна 10–38. Например, нажав специальные печение. В обычном компьютере писании программного обеспече задачи, связанные с межсетевым об- ния вовсе не обязательно соблюдать кнопки на лампе и вык лючателе, меном, жестко разделены по уров- строгую иерархию уровней. Поэтому пользователь может заставить их ням. Программа нижнего уровня алгоритмы программ для И0-уст- обменяться адресами и установить работает с реальными сигналами, ройств составляются уже с учетом управляющие взаимоотношения.

Пятый принцип: В И0 исполь например, генерирует электри- функциональности последних.

Третий принцип: Для работы ческие импульсы, посылаемые по зуются биты большего размера, чем Ethernet-кабелю или через телефон- двух устройств не требуется наличия в Сети. Ведь у битов есть физичес ный модем. Ее выходная информа- третьего. Большинство компьютеров кий размер, ведь они представляют ция поступает на следующий уро- в Интернете являются либо клиен- собой не что иное, как электричес вень программного обеспечения, где тами (как веб-браузер), либо серве- кие, радио- или световые импульсы.

данные кодируются и декодируются. рами. Клиенты без серверов беспо- Размер импульса – это произведе К более высоким уровням относятся лезны. В И0 каждая лампа и каждый ние его длительности на скорость LUCY READING программы, управляющие отправ- выключатель хранят необходимые распространения сигнала (которая кой и приемом пакетов, их сборкой данные и программы в самих себе обычно близка к скорости света).

и разборкой, а также интерпретаци- и не нуждаются в центральном сер- Раньше размеры битов были больше 48 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ протяженности сети, по которой каналу связи. Модуляция, применя- передается посредством изменений они передавались. Теперь они стали емая в модемах для коммутируемых состояния передающей физической гораздо меньше: при скорости пе- телефонных линий, существенно среды – скачков напряжения в те редачи 1 Гбит/с длина бита состав- отличается от той, которая исполь- леграфной линии или внезапных ляет около 30 см. Если размер сети зуется в кабельных модемах, пос- появлений звука. Тон и амплитуда больше 30 см, возникает проблема кольку сигналы, передаваемые по сигналов не имеют значения.

организации интерфейса меж ду витой паре телефонной линии и по И0 подобен телеграфу, с тем лишь различными ее частями. Небольшое коаксиальному кабелю, различают- отличием, что вместо точек и тире рассогласование характеристик ся и по амплитуде, и по частоте, и по используются импульсы, представ передачи приводит к появлению фазе. Если же биты велики, характе- ляющие нули и единицы. Как и сов ременные модемы, И0-устройства посылают пакет в виде последова тельностей байтов, ограниченных Данные могут передаваться по стартовым и стоповым битами. Бит проводам и по воздуху, печататься на «0» представляется импульсом, за которым следует пауза, а бит «1» – бумаге или гравироваться на ключе паузой, за которой следует импульс.

с использованием схемы кодирования, Стартовый и стоповый биты пред ставляют собой пару импульсов.

принятой в Интернет-0. Так называемый манчестерский код упрощает детектирование нулей и единиц, а также выявление помех и замираний сигнала. Кроме того, паразитных сигналов. Более того, ристики каналов передачи данных интервал между импульсами старто если два компьютера начнут пере- не играют роли. вого бита позволяет приемнику оп дачу одновременно, то конфликт Тот же принцип используется в ко- ределить скорость передачи данных, можно обнаружить лишь после пе- де Морзе. Его можно передавать с по- так что задавать ее заранее нет необ редачи множества битов. Именно мощью телеграфного ключа, посы- ходимости. Если требуется высокая поэтому в высокоскоростных сетях лать с корабля на корабль световыми помехозащищенность, отправитель используются специальные кабели, вспышками или выстукивать по тру- и получатель могут договориться активные концентраторы, быстро- бам. Различные каналы передают об изменении интервалов меж ду действующие приемопередатчики одни и те же данные с одинаковой байтами, чтобы выделить сигнал из и квалифицированные инжене- скоростью и кодируются по одной шума. При этом сохраняется обрат ры. Однако при скоростях порядка и той же схеме. Никакой перекоди- ная совместимость с более просты 1 Мб/с, типичных для домашних ка- ровки не требуется. Информация ми И0-устройствами, в которых бельных модемов и цифровых або нентских линий (DSL) и, несомнен ОБ АВТОРАХ:

но, достаточных для осветительных ламп, размер бита достигает 300 м.

Нил Гершенфельд (Neil Gershenfeld), Раффи Крикориан (Raffi Krikorian) и Дэн Таким образом, бит может охватить ни Коэн (Danny Cohen) успешно нарушают междисциплинарные границы.

всю сеть здания, и тогда уже совер Гершенфельд руководит Центром битов и атомов Массачусетского технологи шенно не важно, какие интерфейсы ческого института, который поддерживается Национальным научным фондом в ней используются.

США. Он исследует взаимосвязь физической формы и логической функции По пути телеграфа самых разных вещей – от квантовых компьютеров до автомобильных систем безопасности и от компьютерной виолончели, которую он разработал для Шестой принцип: Использование Йо-Йо Ма, до орудий труда, применяемых в индейских деревнях. Крикориан, больших битов позволяет пред аспирант Массачусетского технологического института, занимается разра ставлять данные, образующие па боткой оборудования и программного обеспечения для И0-систем. Проект кет, в одном и том же виде незави Интернет-0 возник в результате сотрудничества Гершенфельда и Крикориана симо от того, по какой среде они с Коэном, ведущим инженером компании Sun Microsystems, одним из отцов передаются. Когда биты малы, их Интернета. В свое время он разрабатывал первые интерактивные приложения физическое представление, т. е.

для Arpanet, в результате чего появился IP-протокол и было налажено произ модуляцию, необходимо приспо водство ИС MOSIS.

сабливать к каж дому конкретному в мире науkи www.FireWooD.net.ru ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ используются только кадрирующие выше интеллект уальную аптечк у. Сегодня сети действительно при импульсы. В нашем демонстрационном про- ближаются к квантовому пределу, Если биты посылаются настолько екте использовались радиочастот- поскольку разработчики жертвуют медленно, что их размер превыша- ные идентификационные метк и простотой ради достижения более ет протяженность сети, то для всех (RFID) – одноразовые микросхемы, высоких характеристик. В случае физических сред можно исполь- наклеиваемые на флаконы и питаю- И0, наоборот, технологически мень зовать одинаковое кодирование. щиеся энергией опрашивающего их ше значит больше: быстродействие Информацию можно передавать по радиосигнала (см. «Тотальная ав- приносится в жертву операционной проводам, по силовым электричес- томатизация», «В мире науки», №4, совместимости.

ким линиям, с помощью звука, в виде 2004 г.). Нам пришлось настраивать Применение И0 ограничивается штрих-кода на бумаге или на ключах. RFID-считыватель, чтобы знать, что сложностью сети, а не пропускной Каждая из сред станет передавать делать с получаемыми им данными. способностью. И0 предназначен свою часть импульса: силовые элек- Сказанное справедливо и для RFID- не для замены Интернета, а для трические цепи будут отфильтро- систем, используемых в торговых обеспечения более низкого сов вывать высокие частоты, а радиоан- и ск ладских сетях: для конфигури- местимого у ровня.

При передаче тенна – низкие. Важно лишь, чтобы рования RFID-считывателей нужна пакетов данных меж ду И0-подсе до места назначения дошли хотя бы целая армия консультантов и под- тями используются существующие некоторые содержащиеся в импульсе рядчиков. маршрутизаторы, шлюзы и серверы частоты. (Частотная характеристика В случае с И0 все намного проще. имен. Однако со временем различие играет роль только в том случае, если Метка кодирует IP-пакет (его мож- между И0 и остальной Сетью может И0-устройство предназначено для но назвать IPID-меткой), а считыва- отойти на второй план. Протоколы зондирования физической среды.) телю остается только передать его Интернета описаны в виде алгорит Таким образом, интернетовский в сеть. Пакет может содержать не мов, т. е. наборов команд, обеспечи принцип передачи между конечны- какой-то абстрактный код, который вающих, в частности, нахож дение ми точками распространяется на нужно переводить на английский оптимальных пу тей для пакетов.

модуляцию. Если компьютер посы- язык, а адрес фармацевта или вра- Однако их можно рассматривать лает пакеты данных с использовани- ча. Информация будет храниться на и как процедуру оптимизации ис ем IP-протокола, ему не нужны ника- флаконе с лекарством, а не в памяти пользования имеющихся ресурсов кие сведения о сети, которая будет считывателя. связи. Согласно последним иссле передавать их. Так и устройству, пе- Если все так здорово, то почему дованиям, существуют эффектив редающему И0-импульсы, не нужны описанные решения так медлен- ные методы оптимизации с при сведения о среде, через которую бу- но внедряются? Специалисты по менением распределенных систем, дет передаваться сигнал. связи издавна считают, что полосу а не центральных процессоров. Не пропускания канала нужно исполь- иск лючено, что со временем мож Меньше значит больше зовать с максимальной эффектив- но будет так сконфиг у рировать Седьмой принцип: И0 заключается ностью. Когда-то это было именно И0-узлы, чтобы они решали зада в применении открытых стандартов. так. Разработчики первой версии чи управления глобальной сетью, Весь опыт развития компьютерной Ethernet сокрушались, что не достиг- в результате чего может появиться отрасли говорит о том, что фирмен- ли фундаментального предела ско- архитект ура Интернета более вы ные решения должны надстраивать- рости передачи данных, налагаемо- сокого уровня.

ся над открытыми стандартами, а не го квантовой механикой. Однако это Если так и будет, то окончательной конфликтовать с ними. не имеет значения: система получи- целью И0 будет не просто включение В качестве действу ющего при- ла широкое признание благодаря светильников. И0-сеть будет неотли мера И0 рассмотрим упомянут ую своей простоте. чимой от компьютеров, которые она соединяет и фактически сама станет компьютером. Если устройства будут располагать одинаковыми сетевыми, ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА: вычислительными и информацион ными возможностями как в преде How the Internet Came to Be. Vinton Cerf in the Online User’s Encyclopedia. лах одного здания, так и в масштабах Edited by Bernard Aboba. Addison-Wesley, 1993. всей планеты, то из них можно будет Доступно на www.internetvalley.com/archives/mirrors/cerf-how-inet.txt динамически собирать системы, ис When Things Start to Think. Neil Gershenfeld. Henry Holt, 1999. ходя из имеющихся потребностей, Другие публикации доступны на cba.mit.edu/projects/I0 а не из размеров коробки.

50 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru kлетkи, НЕСУЩИЕ www.FireWooD.net.ru ФИЗИОЛОГИЯ Ральф Дам Хрусталик глаза – единственная про зрачная ткань человеческого тела.

СВЕТ Прозрачность, без которой невоз Изучение можно сфокусировать свет в глазу, хрусталика обусловлена уникальной способно стью клеток хрусталика активиро глаза позволит вать программы саморазрушения ученым не только и останавливать их перед самым завершением этого процесса.

предотвращать Каким образом к летки хруста лика становятся прозрачными?

образование Ответив на вопрос, ученые мог катаракты, но и ли бы разработать новые подходы к предотвращению катаракты (по понять природу мутнению хрусталика), возникаю болезней щей более чем у половины людей старше 65 лет. Спасительное средс Альцгеймера тво одно – хирургическое удаление хрусталика и его замена искусствен и Паркинсона, ным имплантатом. Но и после такой а также процедуры у значительной части пациентов возникают осложнения, заболеваний, требующие повторной операции.

сопровожда- Катаракта поражает в первую оче редь пожилых людей, у которых ющихся массовым любое хирургическое вмешатель самоубийством ство вызывает сильную тревогу.

Разработка метода, позволяющего клеток. приостанавливать образование ка таракты или даже поворачивать ее развитие вспять, стала бы для че ловечества спасительной.

Понимание механизмов, помогаю щих клеткам хрусталика необычай но тонко контролировать процесс саморазрушения, могло бы подска зать ученым и новые пути лечения RENEE LYNN Corbis (impalas and lionesses);

JANA BRENNING (photocomposition) заболеваний, характеризующихся массовой гибелью клеток, – болез ней А льцгеймера и Паркинсона, а так же хронических инфекций, например СПИДа.

Живая материя Плотный, эластичный и абсолют но прозрачный хрусталик гла за – настоящее чудо природы. Его малейшее потемнение превращает зрительный мир человека в хао тическое скопище вспышек, теней и искаженных образов. Причем ког да его клетки приобретают даже Возраст и повреждения – две главные причины помутнения и легкую окраску, мы перестаем раз пожелтения хрусталика. личать оттенки цветов.

в мире науkи www.FireWooD.net.ru ФИЗИОЛОГИЯ Прозрачность хрусталика обусловлена его структурой Просвечивающие части тела есть и необычной программой развития. Клетки сформировавшегося у многих животных (вспомним хотя хрусталика имеют высокоупорядоченное расположение, бы крылья насекомых), но абсолют- ограничивающее рассеяние света (рисунок справа но кристальные ткани встречаются и снимки в правом верхнем углу). В процессе развития клетки освобождаются от непрозрачного материала (внизу справа), в природе крайне редко. У человека инициируя программу саморазрушения. Они растворяют свои прозрачна и роговица, но эта обо внутренние структуры, но в последний момент воздерживаются от лочка глаза – не ткань, а скорее самоубийства.

тонкий студенистый пласт белков и сахаров. Хрусталик же состоит из 1000 слоев прозрачных живых Хрусталик клеток.

Прозрачность – весьма необыч ное свойство живой ткани. Клетки содержат такие внутренние струк туры (органеллы), как ядро, где хранится ДНК, митохондрии, вы рабатывающие энергию, аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулюм, участвующие в синтезе белков и липидов. Каждая структура имеет свой коэффициент преломле ния, а области, где он изменяется, Стволовая клетка выглядят непрозрачными.

Кроме того, некоторые к летки поглощают свет определенных длин волн и, таким образом, при обретают окраску. Характерный алый цвет придает эритроцитам крови гем в молекуле гемоглобина.

Поскольку наши органы и мышцы наполнены кровью, они выглядят окрашенными в различные оттенки красного. И, наконец, многие клет ки (особенно кожи и волос) содер жат меланины – пигменты, чей цвет варьирует от красного до черного.

В хрусталике нет ни меланинов, ни крови. Хрящ тоже их не содер жит, однако он лишь бесцветен – в лучшем случае полупрозрачен.

Это связано с тем, что практически во всех тканях клетки и волокна ориентированы друг относительно друга под различными углами и по этому рассеивают свет. Хрусталик состоит из клеток только одного типа, и расположены они в строго определенном порядке.

Если клетки хрусталика не снаб жаются кровью и лишены органелл, можно ли их считать живыми?

Ответ зависит от того, какое оп ределение дать понятию «жизнь».

На Земле обитают мириады мелких 54 в мире науkи январь www.FireWooD.net.ru ХРУСТАЛИК: САМОРАЗРУШЕНИЕ ВО ИМЯ КРИСТАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ Стволовая клетка KEITH KASNOT (drawings);

RALF DAHM (top SEM, layers);

ALAN R. PRESCOTT University of Dundee, Scotland (bottom SEM, jigsaw pieces);

FROM “DEVELoPMENT OF A MACROMOLECULAR DIFFUSIoN PATHWAY IN THE LENS,” BY V. I. SHESTOPALOV AND S. BASSNETT, IN JOURNAL OF CELL SCIENCE, VOL. 15;

2003 (bottom left two images, nucleated cells);

RALF DAHM (bottom right four images, degrading nuclei) Капсула (ядро) хрусталика Разрушающееся клеточное ядро Слои клеток в хрусталике у коровы РАЗВИТИЕ ХРУСТАЛИКА располагаются параллельно (вверху).

В каждом слое соседние клетки подогнаны друг к другу, как кусочки Хрусталик начинает развиваться на самых мозаики (внизу): между ними, когда ранних стадиях жизни зародыша, когда стволовые хрусталик изменяет свою форму при клетки, образующие стенку сферического фокусировании лучей, не образуются пузырька, удлиняются и заполняют его полость зазоры. Характер расположения слоев (вверху слева). Образовавшаяся капсула (ядро) и смыкания в них клеток позволяет хрусталика обрастает снаружи многочисленными свету проходить через границы между дополнительными слоями дифференцировавшихся клетками, не подвергаясь рассеянию.

стволовых клеток (вверху). Поначалу клетки содержат все типичные органеллы – ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулюм и т.д. Затем они разрушают свои структуры, сохраняя лишь наружную мембрану и густой раствор белков кристаллинов внутри. Эта едва живая материя имеет однородный коэффициент преломления, а значит, не рассеивает свет.

На фотографиях показаны развивающийся (внизу слева) и почти зрелый (вверху справа) хрусталики мыши. По мере разрастания хрусталика старые клетки оказываются все дальше от его поверхности, а их ядра (выделены Клеточное ядро красным цветом) перемещаются вниз и в конце концов разрушаются.

Ядро в клетке развивающегося хрусталика погибает в течение нескольких дней (справа). Ядерная мембрана и ДНК исчезают одновременно.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.