§ 65 Ноосфера и неолитическая революция

Ноосфера как сфера разума

В 1927 г. французский математик Эдуард Леруа (1870–1954) и его друг палеонтолог Пьер Тейярде Шарден (1881–1965) впервые ввели понятие «ноосфера». При этом они основывались на лекциях, которые в 20-х гг. XX в. читал в Сорбонне В. И. Вернадский. Слово «ноосфера» происходит от греческого слова «ноос», означающего «разум», другими словами, ноосфера – это сфера разума, разумная оболочка Земли. Представления Леруа и Тейяра были в значительной мере религиозно-философскими, а дальнейшее развитие этой идеи в трудах Вернадского получило конкретное естественно-научное содержание.

Идея ноосферы заключается в том, что с появлением на Земле человека закономерности развития биосферы стали меняться. Обладая разумом, человек создавал всё более совершенные орудия, в первую очередь для охоты, что коренным образом меняло окружающую его среду.

Хотя само понятие ноосферы появилось только в XX в., идея об особой роли человека, которую он играет в природе, была осознана много раньше.

Ещё в 80-х гг. XIX в. Фридрих Энгельс писал в своём труде «Диалектика природы»:

«…Животное только пользуется внешней природой и производит в ней изменения просто в силу своего присутствия; человек же вносимыми им изменениями заставляет её служить своим целям, господствует над ней. И это является последним существенным отличием человека от остальных животных, и этим отличием человек опять-таки обязан труду».

Нельзя сказать, что животные не вносят своим существованием никаких изменений в окружающую их природу. Иногда эти изменения могут быть довольно существенными, например, опустошающие налёты саранчи или бабочки-шелкопряда, бобровые плотины или природные сукцессии. Но эти изменения не идут ни в какое сравнение с теми, которые вызывают деятельность человека. Причём эти глобальные изменения человек начал производить задолго до появления индустриализации и техногенной эры.

Ранние этапы развития человечества

Если австралопитеки и даже человек умелый с его рубилами ещё ничем принципиально не отличались от обычных хищников и трупоедов, то с появлением человека прямоходящего и тем более неандертальца и кроманьонца ситуация принципиально стала меняться. -

Рис. 204. Охота кроманьонцев (наскальные рисунки из пещеры в Испании)

 Рис. 205. Наскальные рисунки древнего человека

Первые изменения были связаны с овладением огнём, появлением копий и стрел с каменными наконечниками. Важным новшеством стало создание копьеметалки, с помощью которой копья можно было метать в два раза дальше.

Кроме того, человек научился строить хитроумные ловушки для очень крупных животных. В периоды оледенения люди, обитавшие в тех областях, где водились мамонты, шерстистые носороги, большерогие олени и другие гигантские животные, научились охотиться на них (рис. 204, 205). Для этого они использовали самые варварские, по нашим понятиям, методы. Разговоры о том, что первобытные люди органически вписывались в окружающую природу, относились к ней крайне бережно и чувствовали себя её неотъемлемой частью – всего лишь трогательная легенда. Научившись коллективным методам охоты и изобретя для этого всевозможные ловчие ямы и западни, люди начали уничтожать вокруг себя всё живое, причём в таких количествах, что использовать всё добытое они, конечно, не могли. Животных целыми стадами загоняли к обрывам и топям. На Ближнем Востоке и в Центральной Азии до сих пор сохранились остатки ловушек для антилоп и других животных, кочевавших по этим местам бесчисленными стадами. Ловушка представляла собой каменный мешок довольно сложной формы диаметром около 150 м. От мешка на несколько километров тянулись расходящиеся каменные, земляные или деревянные стенки. Охотники загоняли животных в проход между стенками, который сначала был очень широким, а потом постепенно сужался, пока все животные не оказывались в мешке. Понятно, что съесть всю добытую дичь одно племя не могло, поэтому подавляющее число её погибало, а затем сгнивало или доставалось трупоедам.

С появлением костров, каменных наконечников для стрел и копий, луков и первых ловушек началось воздействие человека на биосферу. Приёмы коллективной загонной охоты приводили к хищническому истреблению животных. У человечества вновь возникла проблема с пропитанием. Существует даже мнение, что над ним нависла угроза вымирания от голода. Проблема была решена путём неолитической революции.

Неолитическая революция

Раннюю историю человека принято разделять на две эпохи – палеолит (древний каменный век) и неолит (новый каменный век). Формально они различаются способом обработки каменных орудий: в палеолите их расщепляли и раскалывали, а в неолите научились шлифовать. Однако на рубеже палеолита произошло ещё одно важнейшее событие, которое назвали неолитической революцией . Слово «революция» в данном случае не очень подходящее, поскольку оно подразумевает нечто кратковременное, в то время как неолитическая революция продолжалась в течение нескольких тысячелетий. Однако, учитывая миллионы лет эволюции человека, несколько тысяч из них вполне можно считать революцией. Суть этого процесса заключалась в одомашнивании животных и окультуривании растений. Люди догадались, что совершенно необязательно сразу убивать всех пойманных животных. Не нужно загонять многотысячное стадо в ловушку, обрекая его на быструю гибель. Вместо этого можно содержать животных в загонах, снабжая их пищей и позволяя производить потомство, убивая по мере надобности столько особей, сколько требуется в настоящий момент. То же самое относится и к съедобным растениям. Не надо съедать всё, что удалось добыть. Можно закопать часть семян в землю, и тогда через некоторое время из них появятся новые растения. В первое время такие действия, вероятно, казались странными, но постепенно человечество осознало всю выгоду нового способа ведения хозяйства.

Неолитическая революция началась около 12 тыс. лет назад на Среднем Востоке и в Египте, а через 5–6 тыс. лет уже почти всё человечество освоило скотоводство и земледелие. Интересно, что на Американском континенте, совершенно изолированном от Старого Света, неолитическая революция происходила в то же время. Так, уже 5–7 тыс. лет назад кукуруза стала культурным растением, а за ней последовали картофель, томат и многие другие растения, впоследствии завезённые в Европу. Однако, несмотря на успехи в культивировании растений, жителям Америки удалось одомашнить всего два вида животных – ламу и индюка.

Переход к земледелию и скотоводству закономерно привёл к коренному изменению человеческого образа жизни. Отпала необходимость в кочевьях, постоянном переселении в поисках продовольствия. Одомашненных животных необходимо было кормить и оберегать от хищников и соседей, растения нуждались в поливе и прополке. Всё это требовало объединённого труда многих людей, поэтому стали появляться довольно крупные поселения с долговечными постройками, а часто и с оборонительными стенами, в которых обитало множество семей. Избыток продовольствия позволил освободить некоторую часть общества от непосредственного участия в его производстве, в результате чего появились ремесленники, занимавшиеся строительством домов и помещений для хранения пищи, ткачи, гончары и другие «специалисты».

Неолитическая революция была зарёй ноосферы. Почувствовав новые возможности, человек стал развивать и стремиться удовлетворять свои потребности в самых разных сферах жизни, о чём будет рассказано впоследствии.

Проверьте свои знания

1. Что такое ноосфера и в чьих трудах впервые появилось это понятие?

2. Каково было отношение первобытного человека к окружающей природе?

3. В чём заключалась неолитическая революция? Когда и где она началась?

4. К каким социальным последствиям привёл переход к скотоводству и земледелию?

 

§ 66 Селекция

Возникновение селекции. Искусственный отбор и гибридизация

Вскоре после того, как человек обзавёлся сельским хозяйством, он стал думать об улучшении домашних животных и культурных растений. Ему уже было недостаточно того, что возле его дома паслись коровы и куры, в поле росла пшеница, а в саду – яблони. Требовалось, чтобы коровы были большими и давали много молока, куры несли много яиц, зёрна пшеницы были крупными, а яблоки – не только крупными, но и сладкими. Возникла насущная необходимость улучшать качество культурных растений и домашних животных, т. е. заниматься селекцией. Селекция (от лат. «селектио» – отбор) – наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Одновременно под селекцией понимают и сам процесс создания сортов, пород и штаммов. Теоретической основой селекции является генетика.

Рис. 206. Селекция животных: А – европейский кабан – представитель одного из видов, давшего начало породам домашних свиней; Б – чистопородная одомашненная свиноматка

На заре человеческой цивилизации начался процесс, который Дарвин впоследствии назвал искусственным отбором , выделив из него бессознательный и методический. В первом случае люди не ставят перед собой какой-либо конкретной цели, а просто отбирают лучших, на их взгляд, особей и стараются получить от них как можно больше потомства. Большого разнообразия пород и сортов при таком методе получить невозможно. Методический отбор осуществляется человеком по определённому плану с целью выведения новой породы или сорта, обладающих определёнными качествами.

Одним из первых одомашненных животных был волк, приручённый в Азии более 10 тыс. лет назад. Вскоре были одомашнены и другие животные (табл. 5, рис. 206).

Таблица 5

Домашние животные и их дикие предки

Параллельно происходило окультуривание растений. Каждое из ныне используемых культурных растений имеет свою историческую родину, где оно когда-то было дикорастущим. Выдающийся российский генетик, ботаник и географ Николай Иванович Вавилов (1887–1943) (рис. 207) в результате многочисленных экспедиций собрал со всего мира образцы местных дикорастущих растений и их культурных сортов и определил, где находятся центры происхождения культурных растений, в наше время повсеместно выращиваемых.

Рис. 207. Н. И. Вавилов

Выяснилось, что родиной кукурузы, картофеля, томата, какао и многих других культурных растений является Америка, родиной риса – Южная Азия, пшеницы, ржи, винограда, моркови – Юго-Западная Азия, капусты, маслин, свёклы – Средиземноморье и т. д. (рис. 208).

Методический отбор позволил уже в древности вывести довольно большое количество пород домашних животных и сортов растений (рис. 209). В Китае и Египте за несколько тысяч лет до нашей эры уже существовали несколько сортов пшеницы и ячменя и несколько пород лошадей и крупного рогатого скота. В период Средневековья методический отбор не пользовался популярностью и вторично возник в Европе в конце XVIII в. В настоящее время в мире насчитывают около 50 сортов томатов, 400 – пшеницы, 1000 – винограда, 10 тыс. – яблонь, а также около 150 пород лошадей, 400 – крупного рогатого скота и 350 – собак.

С давних времён, помимо собственно отбора особей с желаемыми признаками, применяли гибридизацию. Гибридизацией называют скрещивание различных организмов. Гибридизация может быть близкородственной, которая позволяет редким генам проявиться в гомозиготном состоянии и тем самым выявить скрытые рецессивные аллели, и неродственной, используемой для того, чтобы объединить в одном организме признаки различных сортов, пород, а иногда даже видов и родов.

Близкородственная гибридизация

Близкородственная гибридизация – инбридинг – переводит большинство рецессивных аллелей в гомозиготное состояние, из-за чего они начинают проявляться в фенотипе. Любой организм всегда содержит в своём генотипе рецессивные гены в скрытом состоянии (Aa). Если среди них есть гены, снижающие жизнеспособность, то повторяющийся инбридинг, переводя эти гены в гомозиготное состояние, может привести к вырождению породы или сорта. Эта закономерность справедлива и для людей, практикующих близкородственные браки. Известно немало семей, которые заключали браки только с близкими родственниками, с каждым поколением увеличивая число наследственных болезней.

Рис. 208. Центры происхождения культурных растений (по Н. И. Вавилову)

Рис. 209. Культурные разновидности капусты и их дикий предок

Так, например, выродилась и вымерла испанская королевская династия Габсбургов. Конечно, редкие рецессивные аллели могут оказаться и полезными, в этом случае проявление их в гомозиготной форме может увеличить жизнеспособность, выносливость или другие полезные качества их обладателя. Если такое случается, то селекционеры намеренно используют инбридинг в новой, выводимой ими породе, что позволяет сохранить обнаруженный оригинальный или полезный признак.

Неродственная гибридизация

Неродственную гибридизацию – аутбридинг – подразделяют на отдалённую и внутривидовую.

В основе внутривидовой гибридизации лежит направленное скрещивание особей, обладающих определёнными свойствами, с целью получения потомства с максимальным проявлением этих качеств.

Рис. 214 Межвидовые гибриды у животных: А – хонорик (гибрид хорька и норки); Б – бестер (гибрид белуги и стерляди)

Например, один сорт растений обладает высокой продуктивностью, но легко заражается грибковыми болезнями, а другой, обладая высокой устойчивостью к заболеваниям, производит гораздо меньше семян. Скрещивая эти два сорта, в потомстве можно получить различные сочетания признаков, среди которых будут высокопродуктивные и одновременно устойчивые к заражению растения.

Отдалённая гибридизация заключается в скрещивании разных видов. В растениеводстве с помощью отдалённой гибридизации создана новая зерновая культура – тритикале (гибрид ржи с пшеницей).

Классическим примером межвидовых гибридов в животноводстве является мул, полученный при скрещивании осла с кобылицей, который значительно превосходит родителей по выносливости и работоспособности (рис. 210). В Казахстане методом межвидовой гибридизации диких горных баранов архаров с тонкорунными овцами была создана знаменитая архаромериносная порода овец.

Однако применение межвидовых скрещиваний имеет определённые сложности, потому что получаемые гибриды часто оказываются бесплодными (стерильными) или низкоплодовитыми. Сейчас существуют разные способы решения этой проблемы. В селекции растений способ получения плодовитых отдалённых гибридов методом полиплоидии впервые разработал известный российский учёный Георгий Дмитриевич Карпеченко (1899–1942).

При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях в первом поколении у гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие. Явление превосходства гибридов по своим свойствам родительских форм получило название гетерозиса или гибридной силы (рис. 211).

Полиплоидия

Нередко в растениеводстве получают и полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Широко распространены полиплоидные сорта клевера, сахарной свёклы, ржи, гречихи (рис. 212).

Искусственный мутагенез

К одному из современных направлений селекции относится искусственный мутагенез.

Рис. 211. Пример гетерозиса у кукурузы

Рис. 212. Растения гречихи: А – диплоидное (2n = 16); Б – тетраплоидное(4n = 32)

Как известно, спонтанные мутации в природе возникают чрезвычайно редко, а поэтому селекционеру приходится ждать очень долго, иногда всю жизнь, пока в его хозяйстве не появится растение с желательной мутацией. Но мутационный процесс можно значительно ускорить, если использовать факторы, увеличивающие частоту мутаций, т. е. мутагенные факторы. Мы уже говорили об этих факторах, ими могут быть различные виды электромагнитного излучения, изменение температуры или некоторые химические вещества. В результате применения искусственного мутагенеза могут появиться организмы с самыми разнообразными мутациями. Большинство из этих мутаций окажутся бесполезными или вредными, но иногда могут возникнуть и такие, которые представляют для селекционера практический интерес. В этом случае мутантные особи можно скрещивать между собой и в результате многочисленных повторных скрещиваний получить новый сорт или породу с новыми полезными признаками. Особенно значимые результаты получаются в селекции микроорганизмов.

В настоящее время человечество использует для сельскохозяйственного производства около 10 % всей поверхности суши. Увеличивать эту долю уже невозможно, потому что практически все резервы исчерпаны. Тем большее значение приобретает селекционная работа учёных, которая, опираясь на основные закономерности наследственности и изменчивости, создаёт новые высокопродуктивные породы и сорта. В последние годы селекция активно вводит в практику приёмы и методы генной и клеточной инженерии.

Проверьте свои знания

1. Какие животные являются предками собаки; кошки; крупного рогатого скота; лошади?

2. Объясните, почему близкородственное скрещивание приводит к вырождению генетической линии.

3. Почему для каждого региона нужны свои сорта растений и породы животных? Объясните свою точку зрения.

4. Из большого разнообразия видов животных, обитающих на Земле, человек отобрал для одомашнивания сравнительно немного видов. Как вы считаете, чем это объясняется?

5. Какие из методов селекции, представленные в данном параграфе, являются относительно новыми? Почему эти методы не могли использоваться ранее?

Задания

1. Объясните происхождение терминов «инбридинг» и «аутбридинг».

2. Межвидовые гибриды практически всегда стерильны, т. е. не способны к половому размножению. Это связано с тем, что у них нарушается гаметогенез – процесс формирования половых клеток. Вспомните особенности мейоза – деления, в ходе которого образуются гаметы, и объясните, почему у межвидовых гибридов он не может протекать нормально. Обратите внимание, что, как правило, нарушения мейоза происходят в профазу первого деления.

3. Подготовьте информацию о развитии животноводства в вашем регионе. Выясните, коров каких пород содержат на ближайших животноводческих фермах, какова их молочная продуктивность. Если есть возможность, организуйте вместе с учителем поход на ферму, конезавод, звероферму. Сделайте красочный отчёт по результатам экскурсии в виде стенда или стенгазеты (групповой проект).

4. Межвидовые гибриды бесплодны. При этом скрещивание домашних животных с их дикими предками приводит к появлению плодовитого потомства. В настоящее время по европейским лесам бродят собачье-волчьи гибриды. В сельском хозяйстве успешно скрещивают овцу с диким бараном или домашнюю корову с зебу. Объясните, почему потомство этих скрещиваний плодовито.

5. Подготовьте доклад о жизни и научной деятельности Н. И. Вавилова. В чём трагичность судьбы этого учёного?

6. Организуйте выставку достижений селекции, посвящённую деятельности местных селекционных центров и станций (групповой проект).

 

§ 67 Биотехнологии

Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70-х гг. XX в., хотя ещё с древних времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных – это различные аспекты современной биотехнологии.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем традиционные методы селекции. Существуют технологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоёмах, получению топлива, основанные на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы.

Генная инженерия

Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств.

Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желёз свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.

Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.

Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО) (рис. 213).

В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы.

Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведён на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей. Если этот опыт имел исключительно теоретическое значение, то эксперименты в Канаде имели уже явное практическое применение. Канадские учёные ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в 30 раз превышающий норму.

Клеточная инженерия

В 70-х гг. прошлого века в биотехнологии стала активно развиваться клеточная инженерия. Она позволяет создавать клетки нового типа на основе различных манипуляций, чаще всего гибридизации, т. е. слияния исходных клеток или их ядер.

Рис. 213. Трансгенные животные: А – сверху лососи обычных размеров, снизу – лосось с внедрённым в его хромосомы геном гормона роста; Б – телёнок, в хромосомы которого внедрён ген лактоферрина – мощного иммуномодулятора

В одну из исследуемых клеток помещают ядро, принадлежащее клетке другого организма. Создают условия, при которых эти ядра сливаются, а затем происходит митоз и образуются две одноядерные клетки, каждая из которых содержит смешанный генетический материал. Впервые такой опыт осуществил в 1965 г. английский учёный Г. Харрис, соединив клетки человека и мыши. Впоследствии были получены целые организмы, представляющие собой межвидовые гибриды, полученные методом клеточной инженерии. Такие гибриды отличаются от гибридов, полученных половым путём тем, что в них находится цитоплазма обоих родителей (вспомним, что при обычном оплодотворении цитоплазма сперматозоида в яйцеклетку не проникает). Слияние клеток используют для получения гибридов с полезными свойствами между отдалёнными видами, которые обычным путём не скрещиваются. Удаётся также получать клеточные гибриды растений, несущие цитоплазматические гены (т. е. гены, находящиеся в митохондриях и пластидах), которые увеличивают устойчивость к различным вредным воздействиям.

Клонирование

Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием . У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путём (вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных). У позвоночных животных этот процесс естественным путём не происходит.

Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлён исследователем Гёрдоном в конце 60-х гг. XX в. в Оксфордском университете. Учёный пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворённую яйцеклетку обычной лягушки, чьё ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки учёному удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре любой клетки, достаточно для развития полноценного организма.

В дальнейшем исследования, проведённые в Шотландии в 1996 г., привели к успешному клонированию овцы Долли из клетки эпителия молочной железы её матери (рис. 214).

Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий приём. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона ещё не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещённого в приёмную (суррогатную) мать, может развиться полноценный телёнок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами.

Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов.

При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60-х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений даже после достижения зрелости и специализации в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 215). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.

Этические аспекты развития биотехнологии

Использование современных биотехнологий ставит перед человечеством много серьёзных вопросов. Не может ли ген, встроенный в трансгенные растения томата, при съедании плодов мигрировать и встраиваться в геном, например, бактерий, живущих в кишечнике человека? Не может ли трансгенное культурное растение, устойчивое к гербицидам, болезням, засухе и другим стрессовым факторам, при перекрёстном опылении с родственными дикими растениями передать эти же свойства сорнякам? Не получатся ли при этом «суперсорняки», которые очень быстро заселят сельскохозяйственные земли? Не попадут ли случайно мальки гигантского лосося в открытое море и не нарушит ли это баланс в природной популяции? Способен ли организм трансгенных животных выдержать ту нагрузку, которая возникает в связи с функционированием чужеродных генов? И имеет ли право человек переделывать живые организмы ради собственного блага?

Рис. 214. Клонирование овцы Долли

Эти и многие другие вопросы, связанные с созданием ГМО, широко обсуждаются специалистами и общественностью всего мира. Созданные во всех странах специальные контролирующие органы и комиссии утверждают, что, несмотря на существующие опасения, вредного воздействия ГМО на природу зафиксировано не было.

Рис. 215. Этапы клонирования растений

Попробуем сами разобраться в вопросе, может ли употребление в пищу ГМО принести вред организму человека. Как известно, любой ген определяет состав определённого белка. Значит, ГМО будет содержать некий белок, несвойственный данному виду. Когда этот белок будет съеден, он расщепится в желудке и кишечнике на отдельные аминокислоты. Все белки состоят из двадцати типов аминокислот, а свойства белка определяются только порядком расположения аминокислот.

После расщепления уже не имеет значения, из какого белка взяты эти аминокислоты и какой ген кодировал этот белок. Поэтому для утверждения о вредности ГМО нет никаких научных оснований. Теоретически вред, который может принести употребление в пищу ГМО, нисколько не больше вреда от организмов, полученных путём обычного скрещивания.

В 1996 г. Совет Европы принял Конвенцию о правах человека при использовании геномных технологий в медицине. Центральное внимание в документе уделено этике применения таких технологий. Утверждается, что ни одна личность не может быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.

Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание чужой ДНК в те или иные участки генома может привести к нарушению работы генов. Риск использования генотерапии при работе с половыми клетками гораздо выше, чем при использовании соматических клеток. При внесении генетических конструкций в половые клетки может возникнуть нежелательное изменение генома будущих поколений. Поэтому в международных документах ЮНЕСКО, Совета Европы, Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) подчёркивается, что всякое изменение генома человека может производиться лишь на соматических клетках.

Но, пожалуй, наиболее серьёзные вопросы возникают в связи с теоретически возможным клонированием человека. Исследования в области человеческого клонирования сегодня запрещены во всех странах в первую очередь по этическим соображениям. Становление человека как личности базируется не только на наследственности. Оно определяется семейной, социальной и культурной средой, поэтому при любом клонировании воссоздать личность невозможно, как невозможно воспроизвести все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должны происходить естественным путём.

Эксперименты по клонированию животных поставили перед научной общественностью ряд серьёзных вопросов, от решения которых зависит дальнейшее развитие этой области науки. Необходимо существенно повысить жизнеспособность клонированных организмов, выяснить, влияет ли использование конкретных методик на продолжительность жизни, здоровье и плодовитость животных. Очень важно свести к минимуму риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки.

Активное внедрение биотехнологий в медицину и генетику человека привело к появлению специальной науки – биоэтики. Биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Нормы этики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых возможностей, привносимых в жизнь современной наукой. Поэтому людям необходимо обсуждать и принимать новые законы, учитывающие новые реальности жизни.

Проверьте свои знания

1. Что такое биотехнология?

2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

3. Объясните, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение.

4. Какие организмы называют трансгенными?

5. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?

6. В чём преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Задания

1. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

2. Организуйте и проведите в классе дискуссию на одну из предложенных тем: «Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии?», «ГМО и клонирование человека: за и против».

3. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте выставку на тему «Достижения биотехнологии: прошлое, настоящее и будущее».

 

§ 68 Ноосфера и перемещение в пространстве

С самого начала своего существования потребности человечества не ограничивались питанием и получением других продуктов животного и растительного происхождения. Одной из главных потребностей человека всегда было передвижение, причём человек хотел перемещаться на возможно большие расстояния и с возможно большей скоростью.

Рис. 216. Древние повозки

Этого требовали непрерывно происходившие войны, торговля и вообще человеческое любопытство. Для того чтобы достигнуть прогресса в этом направлении, требовалось решить две проблемы: во-первых, найти источник энергии, т. е. устройство, способное превращать потенциальную энергию в кинетическую, а во-вторых, по возможности уменьшить сопротивление среды для того, чтобы затрачивать как можно меньше этой энергии.

Первые повозки и дороги

Решение обеих проблем началось в глубокой древности. В ходе неолитической революции человек стал использовать для получения кинетической энергии не только свои мышцы, но и мышцы верховых или вьючных животных. Вторая проблема тоже имеет долгую историю. Вначале, примерно в период той же неолитической революции, люди стали подкладывать под передвигаемые предметы деревянные катки, что позволило значительно уменьшить силу трения. Но прошло ещё около 10 тыс. лет, пока в Индии и Месопотамии не появились колёсные повозки (рис. 216). Езда на колёсах позволила передвигаться значительно быстрее, однако колёса часто застревали между камнями, углублениями в почве и корнями деревьев. Поэтому для более эффективной езды догадались прокладывать дороги. Наиболее древние из известных нам дорог относятся к IV тыс. до н. э. Покрытие их было сделано из дерева, но вскоре дороги стали мостить каменными плитами. В начале V в. до н. э. в Персидской империи была построена царская дорога длиной 2600 км. На ней были установлены дорожные столбы с указанием расстояний, станции с гостиницами, конюшнями для смены лошадей, продовольственными складами и гарнизонами. Наиболее развитая сеть дорог существовала в Римской империи, где дороги соединяли все важнейшие административные и торговые центры. Некоторыми римскими дорогами пользуются до сего времени, хотя теперь они уже покрыты асфальтом (рис. 217).

Энергия мышц и ветра

Проблема получения новых видов энергии решалась значительно медленнее. Вплоть до конца XIX в. почти единственным источником энергии для передвижения по суше являлась энергия, запасённая в мышцах человека и животных. При водных путешествиях также часто использовали мышечную энергию, приводившую в движение вёсла, а также энергию ветра (кинетическую энергию молекул воздуха). Первые паруса появились в Египте или Месопотамии около 5–6 тыс. лет назад. С их помощью можно было передвигаться против течения рек без использования вёсел, а также совершать морские путешествия.

Рис. 217. Римские дороги

Моряки тех времён достигли такого совершенства в управлении парусами, что могли заставить корабль двигаться даже против ветра. Но в безветренную погоду паруса были бесполезны, да и скорость, которую можно было развивать с их помощью, со временем показалась недостаточной.

Изобретение парохода

Переворот произошёл в конце XVIII в., когда Джеймс Уатт начал производить паровые двигатели. Вначале их применяли только в промышленности для работы стационарных механизмов, но вскоре возникла идея использовать их для передвижения. Первый в истории пароход был изобретён в 1880-х гг. американцем Джоном Фитчем. Он установил на пароходе паровой двигатель, который приводил в движение вёсла, так что его пароход двигался наподобие галеры. Пароход Фитча так и не был доведён до практического использования, а создателем первого действующего парохода оказался его соотечественник Роберт Фултон (1765–1815). Поначалу работу Фултона сопровождали многочисленные неудачи и общественное недоверие, им пренебрегли Наполеон и британское правительство. В результате Фултон вернулся в Америку, и в 1807 г. построенный им пароход «Клермонт» отправился в свой первый рейс по реке Гудзон (рис. 218). На путь от Нью-Йорка до Олбани протяжённостью 150 миль против течения и при встречном ветре «Клермонт» затратил 32 часа. После введения некоторых улучшений в конструкцию парохода Фултон наладил постоянные пассажирские рейсы на этом речном маршруте.

Первые паровозы

Приблизительно в то же время возникла идея использовать паровой двигатель для передвижения по суше. Было понятно, что громоздкая машина, движущаяся с довольно большой скоростью, не сможет ехать по обычной дороге, ей необходим рельсовый путь. Такие пути к началу XIX в. уже существовали и работали на конной тяге. Дело было за изобретением паровоза. Попытки его создания неоднократно предпринимались многими инженерами, но самым удачливым оказался англичанин Георг Стефенсон (1781–1848), который в 1812–1829 гг. не только предложил несколько удачных моделей паровозов, но и убедил владельцев шахт построить первую железную дорогу, способную выдержать такой тяжёлый агрегат, как паровоз.

Рис. 218. Колёсный пароход

Вскоре паровоз Стефенсона стал главным локомотивом первой общественной железной дороги, соединившей Манчестер с Ливерпулем.

Первый паровоз в России был построен отцом и сыном Черепановыми в 1833–1834 гг. Он возил поезда с рудой на Нижнетагильском заводе и назывался пароходкой, но дальнейшего распространения не получил. Серийное производство паровозов в России было налажено только в 1870-х гг. Их активно использовали до середины 50-х гг. XX в., после чего производство прекратилось, так как паровозы были вытеснены тепловозами и электровозами (рис. 219).

Двигатель внутреннего сгорания

Паровой двигатель при всех его достоинствах имел серьёзный недостаток – он был слишком массивен. Кроме того, для его работы требовался огромный запас угля, что делало невозможным использование такого двигателя на лёгких и маневренных транспортных средствах. Попытки поставить паровой двигатель на повозку, предпринимавшиеся, в частности, одним из его изобретателей, русским механиком И. И. Ползуновым, успеха не имели – слишком громоздкой получилась конструкция. Для передвижения человека по поверхности земли требовался новый тип двигателя. Он вскоре был изобретён и получил название двигателя внутреннего сгорания.

Первый такой двигатель был сконструирован в 1860 г. Э. Денуаром. В 1876 г. немецкий изобретатель Николаус Отто (1832–1891) построил более совершенный четырёхтактный двигатель, а в 1880-е гг. Огнеслав Степанович Костович (1851–1910) в России сконструировал первый карбюраторный двигатель, который в качестве топлива мог использовать бензин.

Рис. 219. Памятник паровозу в г. Магнитогорске (паровоз «ЗУб84-58» построен на Коломенском заводе в 1929 г.)

Получился новый тип двигателя с большей компактностью и коэффициентом полезного действия.

Первые автомобили

После изобретения Н. Отто над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания работали многие инженеры. Одним из них был немецкий механик Карл Бенц (1844–1929). Усовершенствовав бензиновый двигатель, он в 1885 г. построил первый автомобиль, представлявший собой двухместный экипаж на трёх высоких колёсах со спицами, на который был поставлен изобретённый Бенцем четырёхтактный бензиновый мотор объёмом 0,9 л. Автомобиль развивал максимальную скорость 16 км/ч и вызывал у соседей не столько восхищение, сколько ужас, пугая страшным рёвом людей и лошадей. Бенц принялся за совершенствование своего автомобиля, но через несколько лет автомобиль угнали. Угонщиками оказались жена и два сына изобретателя, которые умудрились проехать 180 км с приличной скоростью по неровной, но оживлённой дороге. Жители окрестных селений толпами сбегались к дороге, чтобы посмотреть на эту чудесную «безлошадную повозку». Об «автопробеге» узнала вся Германия, автомобиль стал широко обсуждаться в прессе, и реклама сделала своё дело: Бенц был признан изобретателем первого автомобиля, хотя в то время у него было немало конкурентов.

Нельзя сказать, однако, что паровые автомобили легко сдались бензиновым (рис. 220). Они тоже продолжали совершенствоваться и привлекать покупателей. В 1900 г. примерно половина автомобилей США были на паровом ходу.

Рис. 220. Первые автомобили

И только в середине 1930-х гг. они не выдержали конкуренции и сошли со сцены, дав возможность совершенствоваться автомобилям, работающим на бензиновом и дизельном топливе (рис. 221).

Двигатель внутреннего сгорания продолжал своё триумфальное шествие и наконец позволил осуществить вековую мечту человечества – подняться в небо.

Проверьте свои знания

1. Какие способы передвижения использовали в древности?

2. Кто был создателем первого паровоза? Сравните паровозы, тепловозы и электровозы. В чём их сходство и в чём принципиальные различия?

3. Какое изобретение было сделано Н. Отто? Какое значение оно имело для развития промышленности и автомобилестроения?

4. При каких способах передвижения в настоящее время используется только энергия мышц?

Рис. 221.Современные автомобили

Задания

1. Используя знания, полученные ранее на уроках физики, объясните принцип действия двигателя внутреннего сгорания.

2. Во многих городах нашей страны существуют памятники паровозам и автомобилям. Узнайте, есть ли такие памятники в вашем городе, районе или области. Какова история этих памятников?

3. Узнайте, когда в вашем городе, районе, области была построена железная дорога, проложены автомобильные трассы. Существуют ли в вашем регионе автомобилестроительные заводы, заводы, производящие железнодорожную технику, судостроительные верфи? Подготовьте выставку, посвящённую истории развития транспорта в вашем регионе. В качестве экспонатов могут выступать написанные вами сообщения и взятые интервью, выдержки из старых газет и журналов, чертежи, макеты, модели, фотографии и т. д. Соберите отзывы о выставке и сделайте выводы (групповой проект).

 

§ 69 Человек уходит в небо

Аэростаты и дирижабли

Одним из самых заветных желаний человека с глубокой древности было желание летать. Ещё не было ничего из только что описанного – ни пароходов, ни паровозов, ни тем более автомобилей, а человека уже тянуло в небо. Мифы и легенды переполнены рассказами о человеческих существах, которые либо от природы, либо благодаря своему таланту освоили воздушное пространство. Сохранились предания о смельчаках, которые приделывали себе самодельные крылья и бросались со скал, колоколен и башен в надежде полететь. Однако реально мечты о полёте начали сбываться в XVIII в., когда был изобретён аэростат (воздушный шар). Официально первое испытание воздушного шара состоялось в 1782 г., когда братья Жозеф и Этьен Монгольфье впервые продемонстрировали своё изобретение родным и знакомым. Их «аэростатическая машина» диаметром 3,5 м продержалась в воздухе около 10 минут, поднявшись при этом на высоту почти 300 м. Через год они повторили полёт своего изобретения уже на базарной площади своего городка в присутствии большого числа зрителей и подтвердили его протоколом, скреплённым подписями должностных лиц. Так началась эпоха воздухоплавания.

Воздушный шар взлетает из-за того, что он легче воздуха (выполняется закон Архимеда, только не для жидкостей, а для газов). Его плотная оболочка наполняется газом, плотность которого меньше, чем плотность воздуха. У братьев Монгольфье это был дым. Когда братья продемонстрировали своё изобретение в Париже, Академия наук поручила физику Жаку Шарлю сконструировать собственный летательный аппарат. Шарль решил, что дым для этого неудобен, и надул свой аэростат водородом, который, как известно, тоже легче воздуха. Монгольфье не сдались и продолжали усовершенствовать свой шар, сжигая в нём резаную солому.

Рис. 222. Шар Монгольфье

Аппарат братьев назвали «монгольфьером» (рис. 222), а аппарат Шарля – «шарльером». В итоге победила дружба, и первый человек (вернее, первые два человека) поднялся на «монгольфьере» 21 ноября 1783 г., а первые два человека на «шар– льере» ровно через неделю.

Рис. 223. Стратостат

В течение XIX в. аэростаты совершенствовались, появились стратостаты (рис. 223) – разновидность аэростатов, способных достигать очень больших высот (более 30 км).

Стратостаты обычно наполняли гелием, так как водород, хотя и дешевле, в смеси с воздухом взрывоопасен.

Основным недостатком аэростата была его плохая управляемость, достаточно было сильного ветра, чтобы аэростат оказался совсем не там, где хотел очутиться экипаж (вспомните «Таинственный остров» Жюля Верна). В конце XIX в. началось активное создание дирижаблей, которые отличались от обычных аэростатов наличием винта (пропеллера) (рис. 224).

Вскоре аэростаты и дирижабли перестали удовлетворять запросам человечества из-за слишком больших размеров, неудобства в управлении и при посадке. Люди мечтали о компактном, маневренном и хорошо управляемом аппарате. Однако многие достаточно авторитетные учёные доказывали, что создание таких аппаратов невозможно по очень простой причине – их плотность больше, чем плотность воздуха, а в этом случае никакой полёт невозможен.

Первые самолёты

Одним из первых конструкторов, попытавшихся создать летательный аппарат, который был тяжелее воздуха, стал российский адмирал Александр Фёдорович Можайский (1825–1890). Он часто и внимательно наблюдал за полётом птиц и игрушечных воздушных змеев и сделал вывод, что высокая плотность аппарата не исключает возможности его полёта.

Рис. 224. Дирижабль

Рис. 225. Самолёт братьев Райт

Можайский сконструировал в 1882–1885 гг. первый самолёт с паровым двигателем, который, однако, не смог взлететь.

Первым самолётом, который смог самостоятельно оторваться от земли и совершить управляемый полёт, стал «Флайер», сконструированный в США братьями Орвиллом и Уилбером Райт (рис. 225). 17 декабря 1903 г. их самолёт продержался в воздухе почти полторы минуты и пролетел 200 м, после чего официально был признан первым в мире аппаратом тяжелее воздуха, который совершил пилотируемый полёт с использованием двигателя.

Почему самолёты летают

Почему же всё-таки, несмотря на «доказанную учёными невозможность», самолёты летают? Потому что при движении предмета сквозь воздух может возникнуть дополнительная подъёмная сила, которая заставит этот предмет подниматься вверх. Ещё в 1505 г. Леонардо да Винчи писал:

«…когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях».

 Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Теория подъёмной силы крыла самолёта была разработана в 1906 г. российским математиком и механиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921) (рис. 226).

Рис. 226. Н. Е. Жуковский

Подъёмная сила зависит от скорости движущегося предмета и от угла его наклона к направлению движущегося воздуха. Посмотрим сначала, какие силы действуют на бумажный змей, удерживаемый на ветру верёвкой (рис. 227). На поверхность змея действует сила воздушного потока, которая толкает его вверх. Кроме того, на змей действуют силы тяжести и натяжения верёвки, заставляя его двигаться вниз. При равенстве нулю суммы этих сил змей будет держаться в воздухе, но если сила давления ветра будет больше направленных вниз сил, змей будет подниматься.

В случае самолёта имеют значение форма его крыла и угол, под которым он находится по отношению к встречному потоку воздуха.

Этот угол называют углом атаки. Снизу поверхность крыла плоская, а сверху – выпуклая. Поэтому, когда самолёт находится в полёте, поток воздуха, который движется навстречу крылу, должен проделать вдоль его верхней поверхности больший путь, чем вдоль нижней, и это различие ещё больше увеличивается из-за угла атаки. Следовательно, скорость воздуха над крылом должна быть больше, чем под ним. А согласно законам аэродинамики, чем больше скорость потока, тем ниже давление в нём. Значит, давление воздуха на крыло снизу будет больше, чем давление сверху. Отсюда и возникает подъёмная сила, которая к тому же увеличивается при возрастании угла атаки. Чем больше угол атаки, тем больше подъёмная сила, но тем больше и сопротивление воздуха, которое приходится преодолевать самолёту. Поэтому, для того чтобы этот угол имел оптимальное для данной ситуации положение, на самолёте существуют специальные рули для его изменения. В зависимости от их положения самолёт набирает высоту, летит горизонтально или снижается.

Для полёта самолёта используют двигатели различного типа. Первые самолёты имели воздушные винты, или пропеллеры, которые, вращаясь, создавали поток воздуха. Современные самолёты оснащены турбовинтовыми и турбореактивными двигателями, которые позволяют им развивать очень высокую скорость (рис. 228).

Рис. 227. Полёт бумажного змея

Рис. 228. Ретроспектива самолётов (от начала XX в. до начала XXI в.): А – У-2 (1928); Б – Конкорд (1969); В – Боинг-737 (1967); Г – МиГ-21 (1956); Д – Ил-96 (1988) (в скобках указан год первого полёта)

Были созданы так называемые сверхзвуковые самолёты, скорость которых превышала скорость звука (331,5 м/с при 0 °C). Попытки использовать их для перевозки пассажиров успехом не увенчались из-за слишком большого риска, и в настоящее время их применяют только в военной авиации. Современные реактивные самолёты могут развивать скорость до 3500 км/ч, т. е. почти 1 км/с.

Проверьте свои знания

1. Когда и кем был сконструирован первый воздушный шар?

2. Чем дирижабль отличается от аэростата?

3. Кто сделал первую попытку построить самолёт? Как вы думаете, почему первый самолёт не смог подняться в воздух?

4. Объясните, почему, несмотря на огромную массу, самолёты летают.

Задания

1. Запустите воздушный змей. Проанализируйте, насколько легко вам это удалось сделать. Зависел ли ваш успех от конструкции змея, погоды и других факторов?

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию на тему «История воздухоплавания».

 

§ 70 За пределами земного тяготения

Первая половина XX в.: Циолковский и его последователи

В прошлом учебном году мы говорили о том, что в начале XX в. российский учёный К. Э. Циолковский мечтал о полётах человека за пределы Земли и даже Солнечной системы и о заселении человечеством далёких планет (рис. 229). Он понимал, что передвижение в безвоздушном пространстве возможно только с помощью реактивных двигателей, и сам занимался разработкой этих двигателей (рис. 230). Циолковский уже тогда понимал, что твёрдые взрывчатые вещества, главным из которых в то время являлся порох, малопригодны для запуска ракет на большие расстояния из-за того, что отношение их массы и выделяемой при горении энергии слишком велико. В ракете Циолковского предполагалось разместить два отсека, содержащие жидкий кислород и водород.

Рис. 229. К. Э. Циолковский

Рис. 230. Чертёж первого космического корабля К. Э. Циолковского (из рукописи «Свободное пространство», 1883 г.)

По мере поступления в общую камеру они должны были реагировать с образованием воды и выделением огромного количества энергии, за счёт которой и происходил бы полёт ракеты.

В те же годы к полётам на далёкие планеты стремился не один Циолковский. В 1907 г. американский учёный Годдард опубликовал статью «О возможности перемещения в межпланетном пространстве», очень близкую по духу работе Циолковского. О том же мечтал совсем ещё тогда юный немец Вернер фон Браун – будущий создатель нацистской ракеты «Фау-2», а затем и первых американских космических ракет. Позже он вспоминал: «Это была цель, которой можно было посвятить всю жизнь! Не только наблюдать планеты в телескоп, но и самому прорваться во Вселенную, исследовать таинственные миры».

В 30-е гг. XX в. в Советском Союзе и Германии начались активные исследования в области ракетной техники. Но всем было понятно, что в недалёком будущем начнётся война, поэтому о полётах в космос пришлось забыть, так как все усилия были направлены на разработку военной техники. В Советском Союзе был создан Ракетный научно-исследовательский институт, в котором работали будущие создатели космических ракет Сергей Павлович Королёв (1907–1966) и Валентин Петрович Глушко (1908–1989). Под их руководством изготавливались зенитные ракеты и миномёты, в том числе легендарные «катюши» (рис. 231, 232). В Германии тем временем фон Браун создал знаменитую «Фау-2», превосходившую все существовавшие в то время ракеты по скорости и дальности полёта.

Создание спутников

После окончания войны создание ракет для военных целей плавно переросло в разработку космических аппаратов. В Советском Союзе этими работами руководил С. П. Королёв, а в США – взятый в конце войны в плен фон Браун.

Рис. 231. Пензенский машиностроительный завод, памятник «катюше», 1982

Первой задачей создателей космической техники было выведение на околоземную орбиту тела, способного вращаться вокруг Земли подобно тому, как это делает Луна, т. е. искусственного спутника Земли. Для того чтобы это стало возможным, ракета должна достичь так называемой первой космической скорости, которая составляет 7,9 км/с. При запуске ракеты с меньшей скоростью она не выйдет на орбиту и упадёт обратно на Землю. Существует ещё вторая космическая скорость, требующая, чтобы искусственное тело покинуло пределы земного притяжения и стала спутником Солнца (искусственной планетой). Она равна 11,2 км/с. Третью и четвёртую космические скорости требуется развить для того, чтобы искусственное космическое тело покинуло соответственно пределы Солнечной системы и Галактики. Точное значение этих скоростей зависит от многих обстоятельств, связанных с конкретными особенностями полёта.

Рис. 232. Боевое применение гвардейского реактивного миномета «катюша» (Великая Отечественная война)

Для того чтобы развить и удерживать такие скорости, ракета должна быть многоступенчатой. К этому выводу пришёл ещё задолго до создания таких ракет К. Э. Циолковский, который подтвердил эту идею тщательными расчётами и вывел для этого специальную формулу.

Дело в том, что для развития космической скорости требуется огромная энергия, а следовательно, огромные запасы топлива. Получается, что основную часть массы ракеты составляет топливо. На долю полезных частей ракеты приходится не более 2 % стартовой массы ракеты. Ракета, состоящая из нескольких ступеней, позволяет существенно сэкономить на затрачиваемых усилиях за счёт того, что во время полёта та ступень, которая уже выработала своё топливо, отделяется, и остальное топливо не расходуется на ускорение ставшей ненужной ступени.

Успешное создание многоступенчатых ракет позволило в скором времени осуществить давнюю мечту конструкторов и вывести на околоземную орбиту искусственные спутники Земли. Первый спутник, созданный конструкторами под руководством С. П. Королёва, был выведен на орбиту 4 октября 1957 г. и находился в полёте до начала января 1958 г., совершив за это время 1440 витков вокруг планеты (рис. 233).

Рис. 233. Первый спутник

Он представлял собой сооружение массой 83,6 кг и диаметром чуть более полуметра. Период его обращения вокруг Земли составлял немного более полутора часов, а максимальное удаление от неё – 228 км. В него был вставлен передатчик, который периодически издавал «пиканье», которое улавливалось в любой точке земного шара. Это событие стало началом космической эры. Успех был огромный. Американская газета «Нью-Йорк таймс» на следующий день написала: «Уже сейчас ясно, что 4 октября 1957 г. навеки войдёт в анналы истории как день одного из величайших достижений человека». «Пиканья» стали позывными радиостанций, а само слово «спутник» даже не пытались переводить на иностранные языки – во всём мире оно звучало как sputnik. Через месяц после первого спутника на орбиту был выведен второй с собакой по кличке Лайка на борту, а 15 мая 1958 г. – третий с большим количеством научной аппаратуры. Соединённым Штатам после нескольких неудачных попыток удалось 31 января 1958 г. запустить искусственный спутник «Авангард». Второй американский спутник «Авангард-1» был выведен на орбиту 17 марта того же года и стал первым спутником, оснащённым солнечными батареями. Интересно, что он до сих пор находится на орбите.

После того как успешное выведение спутников на орбиту было налажено, начались интенсивные разработки технических устройств, целью которых было освоение Луны. После первой неудачной попытки советская станция «Луна-2» в 1959 г. достигла поверхности Луны, а станция «Луна-3» сумела облететь вокруг Луны и сфотографировать её невидимую с Земли сторону.

Человек в космосе

В то же время продолжались исследования околоземного пространства. В 1960 г. был запущен спутник с двумя собаками – Белкой и Стрелкой.

Впервые обоим животным удалось благополучно вернуться домой. Наконец, 12 апреля 1961 г. был совершён первый полёт космического корабля «Восток» с человеком на борту. Полёт продолжался полтора часа и закончился благополучно. Первым космонавтом Земли стал Юрий Алексеевич Гагарин (1934–1968) (рис. 234).

Рис. 234. Ю. А. Гагарин

По мере развития космической техники появились двух– и трёхместные корабли, а в 1965 г. Алексей Леонов впервые вышел из корабля в открытый космос.

Рис. 235. Первый шаг человека

Рис. 236. «Луноход-1» на Луне

Человек всё же продолжал стремиться к Луне и планетам Солнечной системы. В 1966 г. была совершена первая посадка советского автоматического аппарата на поверхность Луны и переданы на Землю панорамные снимки нашего естественного спутника, а 21 июля 1969 г. на поверхность Луны наконец ступил первый человек (рис. 235). Этим человеком был американский астронавт Нил Армстронг (1930–2012). Советский Союз отказался от лунных экспедиций с участием человека и продолжал доставлять на Луну автоматические установки. В 1970 г. станция «Луна-15» мягко опустилась на Луну, затем стартовала с неё и доставила на Землю образцы лунного грунта, а через два месяца на Луну был доставлен дистанционно управляемый с Земли самоходный аппарат «Луноход-1» (рис. 236).

В этот период не прекращались интенсивные исследования планет Солнечной системы. Уже в 1966 г. станция «Венера-2», а в 1970 г. «Венера-7» совершили на неё мягкую посадку. С тех пор советские и американские исследователи неоднократно запускали аппараты, которые либо опускались на поверхность планет, либо становились их искусственными спутниками и передавали на Землю ценную информацию. Так было проведено исследование Марса, Венеры, Юпитера, Сатурна, Меркурия, нескольких астероидов и комет. В 1972 г. удалось достичь третьей космической скорости, и американский аппарат, пролетев мимо Юпитера, ушёл за пределы Солнечной системы.

После того как появились космические корабли многоразового действия, способные неоднократно стартовать с Земли и возвращаться обратно (раньше на Землю спускали только небольшой отсек с людьми и самым необходимым грузом), возникла идея создания космических станций, постоянно находящихся на околоземной орбите. Космические корабли многоразового действия могли проводить смену экипажа и доставку продовольствия и оборудования. Первые космические станции создавались в Советском Союзе и США в строгом секрете друг от друга, хотя некоторая попытка к сближению началась ещё в 1975 г., когда была осуществлена стыковка советского космического корабля «Союз» с американским «Аполлоном» (рис. 237). А в 1992 г. Россия и США заключили Соглашение о совместном исследовании космоса. В настоящее время на орбите находится Международная космическая станция (МКС), экипаж которой составляют поочерёдно меняющиеся граждане России, США и других государств. С недавнего времени разрешён доступ на МКС «космическим туристам», которым за определённую плату позволяется взглянуть на Землю со стороны.

Практическую выгоду от использования искусственных спутников и МКС трудно переоценить. Их используют для радио-, телевизионной и интернет-связи, для навигации всевозможных транспортных средств, метеорологических прогнозов и многого другого. Полёты человека на другие планеты пока пришлось отложить, но в перспективе такие проекты разрабатываются (рис. 238).

Проверьте свои знания

1. В чём состояли научно-технические заслуги К. Э. Циолковского?

2. Что такое первая, вторая, третья и четвёртая космические скорости?

3. Как работают многоступенчатые ракеты?

4. Когда был запущен первый искусственный спутник Земли?

5. Кто был человеком, впервые вступившим на поверхность Луны?

6. Что представлял собой «Луноход-1»?

Рис. 237. Объединённый экипаж «Союза» и «Аполлона»

Рис. 238. Запуск «Союза» ТМА-5 на Байконуре (14 октября 2004 г.)

Задания

1. Обсудите с одноклассниками предложенные ниже темы. Распределите их между собой. Подготовьте сообщение или презентацию по выбранной теме. Организуйте и проведите конференцию «История освоения космоса». Темы: «К. Э. Циолковский – пионер космонавтики и ракетной техники», «Первые спутники на орбите Земли», «Юрий Гагарин – первый космонавт планеты», «На поверхности Луны», «Исследование Солнечной системы», «Международные космические станции», «Перспективы развития космонавтики».

2. В нашей стране есть множество музеев, посвящённых космосу и его исследованиям. Именами К. Э. Циолковского, С. П. Королёва, Ю. А. Гагарина и других космонавтов названы институты и кратеры на Луне, улицы и космические корабли. Памятники и мемориальные доски, медали и марки – всё это напоминает нам о подвиге тех, кто открыл для нас космос. Проведите исследование и выясните, что в вашем городе, районе, области или крае связано с именами покорителей космоса. Отчёт о своём исследовании представьте в виде стенда или стенной газеты.

 

§ 71 Как сохранить изображение

Сохранить увиденное

Сохранение увиденного тоже всегда было одной из насущных потребностей человека. Любое увиденное изображение спустя некоторое время начинает стираться из памяти. Поскольку человек воспринимает новые картины, на сетчатку глаза поступают новые сигналы, и вскоре от увиденного остаётся лишь расплывчатое и весьма неточное воспоминание. Редкое исключение составляют люди, обладающие феноменом эйдетизма, позволяющим удерживать и воспроизводить образ воспринятого ранее предмета, по своей наглядности и детальности почти не уступающий образу восприятия. Но даже такие люди способны удерживать далеко не все картины, которые им приходилось воспринимать в течение своей жизни, а большинство такой способностью вообще не обладают. Несомненно, что сохранение увиденного значительно обогащает личный опыт и способствует обучению нового поколения, не говоря уже о том, что это доставляет эстетическое удовольствие. Для того чтобы сохранить изображение, человек сначала научился рисовать. Первые рисунки делали ещё неандертальцы, а кроманьонцы уже покрывали ими все стены своих пещер. Проходили тысячелетия, но техника этого процесса не изменялась. Изображения всегда зависели от способностей художника и от его личного восприятия увиденного: они никогда не были точными. Каким же образом можно сохранять абсолютно точное изображение независимо от того, кто является его автором?

В начале XVIII в. было замечено, что некоторые соли способны под действием света менять свой цвет. Особенно перспективным в этом отношении веществом оказались соли серебра. Однако прошло ещё сто лет, прежде чем химики догадались использовать этот эффект для создания изображения.

Прежде чем говорить о химических основах фотографии, обратим внимание на то, что, для того чтобы закрепить изображение на какой– либо поверхности, его сначала надо на ней сфокусировать. Как сделать так, чтобы изображение было точно отображено на поверхности? Сейчас для этого используют объективы, представляющие собой систему стеклянных линз. Однако первые изображения были получены без объективов и линз с помощью очень простого приспособления, которое называют камера-обскура (рис. 239, 240).

Рис. 239. Камера-обскура (общий вид)

Рис. 240 Камера-обскура (схема)

Вам не составит труда изготовить самим такую камеру, способ её создания вы найдёте в задании в конце этого параграфа.

Рис. 241. С. У. Хартсхорн. Эдгар Аллан По. 1848 г. Дагеротип. Писатель, который страстно увлекался дагеротипами, позировал для этого портрета за год до своей смерти. В 1840 г. он писал: «По правде говоря, дагеротипная пластина воспроизводит несравненно более точно, чем картина, сделанная рукой художника»

В качестве химической основы для фиксации изображения использовали различные материалы, но в конце концов изобретатели остановились на азотнокислом серебре, называемом также ляписом. Первое сообщение о получении изображения на медной пластинке, покрытой серебром, было опубликовано в 1839 г. французским художником, химиком Жаком Дагером (1787–1851), который назвал своё изобретение дагеротипом (рис. 241).

Проявить и зафиксировать

Принцип получения серебряной фотографии заключается в следующем. На какую-либо твёрдую поверхность (стекло, бумагу или пластик) наносят тонкий слой вязкого вещества (долгое время это был желатин), содержащего взвесь кристаллов азотнокислого серебра (AgNO3). После того как на эту поверхность попадает сфокусированное изображение, в фото-чувствительном слое начинают происходить химические изменения. Те кристаллы азотнокислого серебра, которые захватывают фотоны, разлагаются, образуя чистое металлическое серебро. Мелкие частицы серебра имеют чёрный цвет (вспомните чернение ювелирных изделий из серебра). Но эти чёрные частички слишком малы для того, чтобы можно было их увидеть. Поэтому засвеченную пластинку помещают в специальный раствор – проявитель, который усиливает процесс образования металлического серебра и делает чёрные точки видимыми. После этого участки, куда попало много света, будут содержать много чёрных точек и казаться тёмными, а те участки, куда свет не попал, останутся белыми. Затем с помощью специального раствора проводят фиксирование (закрепление), т. е. удаляют оставшееся азотнокислое серебро и получают изображение, которое называют негативным, потому что на нём все освещённые участки будут тёмными, а неосвещённые – светлыми. Для того чтобы получить нормальное, позитивное изображение, процесс надо повторить (в то время, когда такой способ широко использовался, это называлось «печатать фотографии»). Для этого через прозрачный негатив пропускают свет и снова проецируют изображение на светочувствительную поверхность. Тёмные участки становятся светлыми, а светлые – тёмными, и мы получаем позитивное изображение, которое выглядит точно так же, как и естественное.

Появление цвета

Фотография произвела переворот во многих областях человеческой деятельности – её использовали везде: от сохранения изображений близких людей до серьёзных научных исследований (рис. 242). Однако вскоре этого показалось мало. Ведь то, что мы видим в реальной жизни, имеет не только размеры и форму, не только светлые и тёмные участки, но и цвет. Требовалось создать такие фотоснимки, на которых изображение было бы цветным. Как это осуществить?

Вспомним, как воспринимает цвета человеческий глаз. Для восприятия цветного изображения в светочувствительной оболочке глаза (сетчатке) имеется три типа клеток-колбочек. Каждый из этих типов чувствителен к определённой длине волны света, которая и определяет ощущение цвета. Одни колбочки реагируют на красный цвет, другие – на синий, третьи – на зелёный. Сочетание этих цветов в определённой пропорции способно вызвать ощущение любого цвета и даже любого цветового оттенка. Этот принцип и положили в основу цветной фотографии.

Рис. 242. Фотографии начала XX в.

Первое цветное изображение получил ещё в 1861 г. Джеймс Максвелл (тот самый, который создал электромагнитную теорию света). Он взял три фотокамеры и установил на каждой из них по одному светофильтру: красный, синий и зелёный. Получившиеся три снимка можно было спроецировать на один участок и таким образом наблюдать цветное изображение.

Рис. 243. Фотограф середины XIX в.

Однако такой метод был громоздок и неудобен, а потому практического применения не получил. Реальная возможность изготавливать цветные снимки появилась после того, как была усовершенствована система сенсибилизаторов. Дело в том, что даже при чёрно-белой фотографии используют сенсибилизаторы – вещества, которые ускоряют процесс превращения азотнокислого серебра в металлическое. До их появления при съёмках приходилось либо держать объектив открытым в течение очень долгого времени, либо использовать очень сильное освещение (либо и то и другое). На заре фотографии фотокамеры обязательно устанавливали на штативы, а фотографируемым людям ставили специальные подпорки для того, чтобы они могли долго стоять неподвижно (рис. 243). С появлением сенсибилизаторов стало возможным снимать быстрее и при более слабом освещении. Сначала это касалось только чёрно-белой фотографии. Однако в начале прошлого века изобрели сенсибилизаторы, каждый из которых был чувствителен либо к красному, либо к синему, либо к зелёному цвету, а в светочувствительный слой плёнки стали добавлять красители трёх видов.

Были предложены и другие усовершенствования. В результате в 1907 г. братья Люмьер (те самые, которые изобрели кинематограф) запатентовали и пустили в продажу цветные фотопластинки. Эти пластинки имели много недостатков (нечёткое изображение, быстрое выцветание и пр.), однако пользовались спросом до 30-х гг., когда были вытеснены более совершенными технологиями изготовления цветных светочувствительных материалов.

Цифровая фотография

В настоящее время фотография, основанная на применении азотнокислого серебра, активно вытесняется цифровой фотографией, для получения которой используются информационные технологии. В основе работы цифрового фотоаппарата лежит светочувствительная матрица, элементами которой являются пиксели, мелкие ячейки, снабжённые линзами и светофильтрами. Пиксели преобразуют улавливаемый свет в электрический сигнал. Такие же матрицы используют в различных видах сканнеров, видео– и телевизионных камерах и пр. Преимущество цифровых фотоаппаратов перед плёночными заключается в том, что полученные снимки не требуют дополнительной обработки, их можно немедленно просматривать, редактировать, отправлять по мобильному телефону или электронной почте.

Проверьте свои знания

1. Что называют фотографической памятью?

2. Соли какого металла используют в фотографии?

3. Зачем при печати фотографий использовали процессы проявления и фиксирования? Как вы думаете, что происходило с фотографией, если её не фиксировали?

4. Фотографии с плёнок печатали при красном свете. Объясните, почему требовалось такое освещение.

Задания

1. Сделайте своими руками камеру-обскуру. Для этого возьмите небольшую коробку с плотными, не пропускающими свет стенками. Открытую часть коробки заклейте тонкой папиросной или промасленной бумагой, а в противоположной стенке проколите иглой маленькое отверстие. Направьте отверстие на какой-нибудь хорошо освещённый объект. На противоположной стенке, т. е. на тонкой бумаге, вы увидите перевёрнутое, но чёткое изображение этого объекта.

2. Сохранились ли в вашей семье чёрно-белые фотографии, напечатанные с негативных плёнок, или ещё более старые фотографии, сделанные в конце XIX – начале XX в.? Рассмотрите их. Расспросите родителей, кто на них изображён. С разрешения родителей выберите несколько фотографий и вместе с одноклассниками организуйте фотовыставку «Веков связующая нить». Очень осторожно обращайтесь с фотографиями и обязательно верните их домой. Эти фотографии – история вашей семьи.

3. Возьмите красную, синюю, зелёную, чёрную и белую краски. Попробуйте, смешивая их, получить как можно больше других цветов и оттенков.

4. Вспомните материал курса «Человек и его здоровье». Опираясь на знания основ высшей нервной деятельности человека, объясните, чем принципиально отличаются рисунок и фотография. Почему рисунки одного и того же объекта, созданные разными художниками, будут отличаться друг от друга?

 

§ 72 Как создать движущееся изображение

Как вам уже известно, чёрно-белая фотография, получившая широкое распространение во второй половине XIX в., удовлетворила человечество не полностью. Одну из причин этой неудовлетворённости – отсутствие цвета – удалось окончательно решить в 30-х гг. XX в. Вторая же проблема заключалась в том, что фотографические изображения не могли передать движение, а значит, впечатление от сохранённого изображения было неполным. С этой проблемой удалось справиться даже значительно раньше, чем решить проблему цвета. Собственно говоря, и проблемы особой не было. С давних времён, ещё до новой эры, был известен стробоскоп – своего рода игрушка, позволяющая увидеть движущуюся картину. Если быстро перелистывать блокнот, нарисовав на уголках его страниц, например, человечка, постепенно поднимающего руки, то мы увидим, как блокнотный человечек реально будет двигать руками. Дело в том, что фоторецепторы являются довольно «медлительными» сенсорными клетками. Возбуждение в ответ на короткий световой раздражитель развивается в них 20–25 мс, а затем в течение такого же времени угасает. В течение всего этого времени (около 50 мс, 0,05 с) рецепторы не могут воспринять новое изображение. Поэтому, если зрительные стимулы меняются с частотой более 20 Гц (более 20 изображений в секунду), они начинают сливаться. Ответ на очередной стимул суммируется с ответами на предыдущий и последующий стимулы. В результате дискретный (мигающий) сигнал начинает восприниматься как непрерывный. Поэтому, если человеку показывать картинки, чуть-чуть отличающиеся друг от друга с интервалом не более 0,05 с, он не заметит пустоты между картинками и будет воспринимать их смену как непрерывное плавное движение.

Рождение кинематографа

Поскольку к моменту изобретения фотографии о стробоскопе знали все, то догадаться, как заставить фотографическое изображение двигаться, было не так уж трудно. Просто надо сделать много фотографий движущегося предмета подряд с большой частотой, а затем точно так же быстро показывать их одну за другой, вставляя между ними тёмный кадр, чтобы изображение не было смазанным. Идея была проста, но осуществить её оказалось непросто. Прежде всего требовалось, чтобы съёмка производилась быстро, а для этого нужна была гибкая плёнка с высокой чувствительностью. Такая плёнка появилась в 70-х гг. XIX в., но и после этого кинокамера была создана не сразу (рис. 244). Самую совершенную для того времени аппаратуру удалось сконструировать братьям Луи и Огюсту Люмьер.

Рис. 244. Одна из первых кинокамер

Они назвали своё устройство кинематографом (или синематографом) и стали демонстрировать фильмы широкой публике. Правда, в качестве фильмов выступали короткие эпизоды кинохроники, показ которой братья полагали целью своего изобретения. Первая публичная демонстрация состоялась в Париже в 1895 г.

Вскоре кинематографом заинтересовался директор одного из парижских театров Жорж Мельес, которому пришла в голову мысль снимать художественные фильмы по написанным сценариям и который стал одним из основоположников кино как особого вида искусства (рис. 245).

Рис. 245. Рекламная афиша одного из первых немых фильмов

Принцип создания изображения

Съёмка и проекция кинофильмов осуществляются по одному и тому же принципу. Во время съёмки на плёнку фиксируется одно мгновенное изображение (кадр), затем объектив перекрывается заслонкой, которая называется обтюратором, а за это время плёнка сдвигается на один кадр. Потом обтюратор открывается, и снимается следующий кадр. В современных кинокамерах съёмка производится со скоростью 24 кадра в секунду, так что один кадр снимается в течение 1/48 секунды и в течение такого же времени продолжается затемнение. Демонстрация кинофильма происходит по такому же принципу. Зритель в течение 1/48 секунды видит кадр, затем в течение 1/48 секунды экран становится тёмным, а потом обтюратор снова открывается и на экране возникает новый кадр. Такое быстрое чередование изображения и тёмного кадра человеком не воспринимается, и зрителю кажется, что он видит на экране реальное и плавное движение. Существует распространённое мнение, что если между кадрами кинофильма кое-где вставлять 25-й кадр, содержащий побуждение к какому-либо действию, например рекламу, то зритель станет «подсознательно» реагировать на его содержание и начнёт действовать соответственно. Это утверждение – не более чем интригующая легенда. При частоте проекции кинофильма, равной 24 кадра в секунду, лишний кадр будет заметен как нечто инородное. Содержания его никто не воспримет, так что убеждающее действие будет нулевым, зато постороннее мелькание будет вызывать раздражение, которое может отрицательно сказаться на людях с не очень устойчивой психикой. Что же касается использования 25-го кадра для зомбирования по телевидению, то эта точка зрения вообще не имеет смысла, так как техника телевизионной демонстрации принципиально отличается от техники показа фильмов на киноэкране.

Звуковое кино

И всё-таки даже в таком виде кино ещё не могло полноценно отражать реальный мир. Во-первых, оно пока оставалось чёрно-белым, а во-вторых, и это самое главное, оно было беззвучным. В течение долгого времени кино так и называли – «Великий немой». По поводу того, стоит ли заставить этого немого заговорить, существовали разные мнения. Против звукового кино выступали известные актёры, в том числе Чарли Чаплин. Они полагали, что появление звука в кино лишит его той выразительности мимики и движений актёров, которые и составляют главную особенность кино как вида искусства. Были проблемы и технического характера, в первую очередь синхронизация звука и изображения. Кроме того, в то время ещё не были изобретены усилители, достаточно мощные для того, чтобы звук был хорошо слышен в зрительном зале. Даже после того как эти трудности были разрешены, кинокомпании не решались на выпуск звуковых фильмов, опасаясь сильного удорожания их производства и потери иностранных рынков. В результате, хотя патент на звуковой кинематограф был получен в 1919 г., первый художественный звуковой фильм вышел на экраны только в 1922 г. Находящаяся на грани банкротства кинокомпания «Warner brothers» решилась на рискованный эксперимент.6 октября 1927 г. – день премьеры фильма «Певец джаза» – принято считать днём рождения звукового кино, потому что именно этот фильм имел особый успех у зрителей. После этого говорящее кино в самое короткое время завоевало широкую популярность. Первый советский звуковой фильм «Путёвка в жизнь» появился на широком экране в 1931 г.

Несмотря на многочисленные варианты звукозаписи в кино, её техника в общих чертах выглядела так. Сопровождающие показ фильма звуки (речь, музыка, шумы) с помощью микрофона преобразовывались в переменный электрический ток с частотой, повторяющей частоту и амплитуду звуковых колебаний. Этот ток заставлял синхронно колебаться источник света, а световые колебания фиксировали на киноплёнке и синхронизировали с кадрами изображения. При воспроизведении звука с помощью фотоэлемента считывали звуковую дорожку, преобразовывали её в колебания электрического тока, которые усиливались, обрабатывались с помощью фильтров и преобразовывались в звуковые колебания.

Цветное кино

Приблизительно в тот же период, когда создавалось звуковое кино, предпринимались многочисленные попытки раскрасить картинку на экране, т. е. сделать кино цветным. Первый цветной фильм был выпущен ещё в 1911 г., но в нём использовалось только сочетание красного и зелёного цветов, а синий компонент ещё отсутствовал. Настоящий полнометражный и полноценно цветной фильм вышел в США в 1935 г., этот год и считается годом появления цветного кино. А уже в 1936 г. появился первый советский цветной фильм. Интересно, что ещё до появления настоящего цветного кино некоторые фильмы пытались раскрашивать вручную. Так, всемирно известный фильм «Броненосец «Потёмкин»», снятый в 1925 г., был, конечно, чёрно-белым. Но в эпизоде, когда над кораблём поднимают красный революционный флаг, этот флаг был действительно красным – его раскрасили на плёнке кисточкой вручную (рис. 246). Эффект, разумеется, был ошеломительным.

Рис. 246. Кадры из фильма «Броненосец «Потёмкин»»

Цифровое кино

С начала нашего века началась эпоха цифрового кино. Этот способ съёмки и демонстрации кинофильмов использует вместо киноплёнки цифровые устройства подобно тем, о которых мы говорили, изучая лазеры. Для съёмки фильмов используют специальные цифровые камеры, которые преобразуют изображение и звук в цифровой формат, в котором каждой точке изображения соответствует двоичное число (рис. 247). Полученный материал обрабатывают с помощью специальных программ на мощных компьютерах.

Рис. 247. Современная цифровая видеокамера

В дальнейшем демонстрацию кинофильмов лучше всего проводить на цифровом кинопроекторе, но в тех случаях, когда кинотеатры не оснащены таким оборудованием, можно перенести сделанное в цифровом формате изображение на обычную киноплёнку. По тому же принципу, но с менее совершенными техническими характеристиками работают и бытовые любительские цифровые видеокамеры.

Проверьте свои знания

1. Что такое стробоскоп?

2. Какая особенность зрительного анализатора человека позволила появиться кинематографу?

3. Когда и где состоялась первая публичная демонстрация кинофильма? Кто был его создателем? Знаете ли вы, какой сюжет кинохроники был показан первым?

4. Что такое обтюратор? Зачем он используется при съёмке и проекции фильмов?

5. Выделите и назовите основные этапы развития кинематографа.

Задания

1. Сделайте собственный «стробоскоп» из блокнота или толстой тетради.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте презентацию или сообщение на одну из тем: «История появления кинематографа», «Возможности современного кино», «3D-кино», «Кино в будущем».

3. Вместе с учителем и одноклассниками организуйте просмотр немого фильма начала XX в. Обсудите увиденный фильм. Сравните его с современными произведениями кинематографии. Какие критерии вы выбрали для сравнения? Есть ли параметры, по которым немой фильм превосходит современное искусство?

 

§ 73 От арифмометра к персональному компьютеру

Как вам уже известно, в 40-х гг. XX в. появилась новая наука, названная кибернетикой, т. е. наукой об управлении. Задачами кибернетики были исследования процессов регуляции и управления в самых различных системах, независимо от их физической, химической или биологической природы. Причём эти исследования должны были сопровождаться точными математическими расчётами. Поскольку расчёты предполагались очень сложные, для их проведения требовалась разработка вычислительной техники. Напомним, что всё это было задолго до появления простейшего карманного калькулятора, а вершиной вычислительной техники был арифмометр, который умел производить четыре арифметических действия, если долго крутить его ручку (рис. 248).

Рис. 248. Арифмометр

Рис. 249. Схема триода

Интенсивная разработка вычислитель ной техники началась в 30-х гг. XX в. Первые модели были механическими, затем при их конструировании стали использовать электронные лампы и электромагнитные реле. Для того чтобы представить себе масштабы первых вычислительных машин, поясним вкратце, что представляли собой эти устройства. Электронная лампа (диод) – это колба с откачанным из неё воздухом, похожая на обычную электрическую лампочку. Кстати, размеры она имела примерно такие же. В колбу были впаяны два электрода – катод и анод. Катод нагревали током накала, под действием которого он испускал электроны. Когда на электроды подавалось напряжение, электроны двигались от катода к аноду, таким образом в лампе возникал электрический ток. В обратном направлении ток, естественно, течь не мог, поэтому диоды использовали в качестве выпрямителей – устройств, пропускающих электрический ток только в одном направлении. Существовал ещё один вид электронных ламп – триоды (рис. 249). В них дополнительно присутствовала ещё и сетка, на которую можно было подавать положительный электрический потенциал. Сетка притягивала отрицательные электроны и тем самым усиливала катодный ток. Такие лампы применяли для усиления электрических сигналов. Для хранения информации использовали электромагнитные реле. Реле состояло из электромагнитной катушки и пружинки. Когда по катушке протекал электрический ток, пружинка притягивалась к сердечнику и замыкала (или размыкала) некий контакт, когда же тока не было, пружинка отлипала и возвращала реле в прежнее положение. Легко понять, что такое устройство могло хранить 1 бит информации при размере в несколько сантиметров и весе в несколько десятков граммов.

Неудивительно, что таким размерам деталей соответствовали габариты выпускавшихся в то время компьютеров, их называли электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Тем более что электронные лампы стали использовать не сразу, и первые ЭВМ работали только на реле. Так, одна из наиболее прогрессивных ЭВМ, созданная в 1946 г., содержала 9 тыс. реле, занимала площадь 90 м2 и весила 10 т. Первые ЭВМ, в которых стали использовать электронные лампы, значительно превосходили релейные устройства по скорости вычислений, но мало уступали им в массе и размерах. В 1948 г. была продемонстрирована первая ламповая ЭВМ ENIAK, сделанная по заказу армии США, которая содержала 18 тыс. электронных ламп, занимала площадь 90 х 15 м2, весила 30 т и потребляла 150 кВт электроэнергии (рис. 250). ENIAK выполняла операции сложения за 0,2 мс, а умножения – за 2,8 мс, что в тысячу раз превышало скорость работы релейных машин.

Рис. 250. ЭВМ ENIAK

Технологии 50-х гг. XX в. уже не могли обойтись без использования ЭВМ. Без них невозможно было рассчитать ни динамику протекания ядерных реакций, ни траектории космических ракет. Однако работа с компьютерами требовала больших издержек и усилий. Стоили они очень дорого, занимали огромное пространство, и их должны были обслуживать специалисты с высоким уровнем подготовки – программисты. Машинная обработка каждой задачи занимала очень много времени. Ввиду высокой дефицитности этого времени ЭВМ работали обычно круглосуточно. Каждому сотруднику, которому требовалось произвести какие-либо вычисления, выделялось «машинное время» в вычислительном центре, который имелся во всех крупных институтах. Для того чтобы выполнить расчёты, требовалось перевести конкретную задачу на определённый машинный язык и забить её на перфокарту или перфоленту – картонное устройство, в котором в определённом порядке пробивались дырки, через которые происходило замыкание электрических контактов (рис. 251). Поэтому каждая вычислительная машина дополнительно требовала ещё и перфоратора – машинки для пробивания дырок. Кстати, следует заметить, что машинные языки всё время совершенствовались и сменяли друг друга.

К середине 50-х гг. усовершенствование ламповых ЭВМ приблизилось к своему пределу. Тогда начались работы по производству транзисторных компьютеров.

Рис. 251. Перфолента

Транзистор – это устройство, которое выполняет в принципе те же функции, что и электронные лампы, т. е. выпрямление и усиление электрического тока, но не сравнимо с ними по размерам. В основе работы транзистора лежат полупроводники, о которых мы уже говорили в главе 2. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и могут менять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры и действующего на них электрического поля. Ввиду того что многие химические элементы и соединения (например, кремний) по самой своей природе являются полупроводниками, их кристаллы, обладающие микроскопическими размерами, можно использовать вместо громоздких электронных ламп. Первая машина, работавшая преимущественно на транзисторах, была изготовлена в 1958 г., в ней было 56 тыс. транзисторов, но всё ещё 440 электронных ламп. Превосходя ENIAK по компактности, она значительно уступала ему по быстродействию.

Однако настоящий прорыв в электронной технике был совершён после введения в употребление интегральных схем или микросхем. Если раньше детали электронной системы (транзисторы, сопротивления, конденсаторы) располагались порознь на отдельных платах, то теперь был разрешён вопрос, как в минимум места вместить максимум компонентов. Независимо друг от друга две фирмы догадались разместить все эти детали на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала – германия или кремния. Патент на изготовление таких микросхем был выдан в 1959 г.

С применением микросхем размеры электронных приборов от ЭВМ до телефонов стали стремительно уменьшаться. Одним из определяющих факторов, влияющих на размер схемы и скорость проведения в ней сигнала, является величина, называемая линейным разрешением, которая определяется минимальным размером элементов и расстояний между ними. За последние 20 с небольшим лет эта величина уменьшилась примерно в 100 раз. Если в первых персональных компьютерах, созданных в 80-х гг. XX в., она составляла 1–3 мкм, то в скором будущем предполагается довести её до 10 нм. Помимо уменьшения размеров новые технологии позволили во много раз повысить скорость работы вычислительных машин. Если для осуществления одной операции первым электронным ЭВМ требовалось порядка0,001 с, то современные компьютеры справляются с этой задачей менее чем за одну триллионную долю секунды (0, 000 000 000 001 с).

Рис. 252. Стивен Джобс

Появление интегральных схем привело к идее создания персональных компьютеров. Первый такой компьютер был собран двумя молодыми американскими техниками Стивеном Джобсом (1955–2011) и Стивеном Возняком в 1976 г. в своём гараже (рис. 252). Они назвали его «яблоком» (Apple). Впоследствии это название закрепилось за фирмой (Apple Macintosh). Испугавшись конкуренции, фирма IBM активно взялась за разработку нового типа компьютерного процессора и в 1981 г. представила свой персональный компьютер, который так и назывался IBM PC. Через два года фирма выпустила новую модель PC XT с жёстким диском – винчестером ёмкостью (теперь это кажется смешным!) 10 Мбайт, а ещё через год появился новый тип персонального компьютера – АТ, который превосходил по производительности предыдущую модель в 5 раз. Началась эпоха персональных компьютеров, в ходе которой возникли ноутбуки, смартфоны, всякого рода навигаторы и прочие чудеса, за которые ещё пятьдесят лет назад даже писателей-фантастов обвинили бы в избытке фантазии.

Проверьте свои знания

1. Что побудило человечество заняться интенсивной разработкой вычислительной техники?

2. Каков был принцип работы ЭВМ первого поколения?

3. В чём сказалось преимущество ЭВМ, работавших на электронных лампах?

4. Что представляет собой микросхема? Почему использование микросхем позволило совершить прорыв в развитии электронной техники?

5. Каковы современные достижения фирм IBM и Apple Macintosh?

Задания

Зайдите на сайт (Виртуальный компьютерный музей). Выберите интересующий вас раздел, сформулируйте тему и подготовьте сообщение или презентацию.

Предложите собственную классификацию компьютерной техники, существующей в настоящее время. Какие критерии вы выбрали для создания этой классификации?

 

§ 74 От вычислительной машины к искусственному интеллекту

Что такое интеллект

Вопрос о возможности создания искусственного интеллекта в первую очередь упирается в определение самого понятия «интеллект». В некоторых случаях под этим словом понимают способность к разумному рассуждению, к умению правильно применять законы логики и математики. Согласно другому мнению, понятие интеллекта является более широким и включает в себя интуицию, способность использовать для решения задачи ассоциации из совершенно других областей знаний и использование решений, формально противоречащих логике, но дающих требуемые результаты. В современных исследованиях этот термин обычно используется в первом смысле. Существует даже мнение, что в русском и английском языках это понятие используют по-разному. Искусственный интеллект – это одна из новейших областей науки. Первые работы в этой области начались после Второй мировой войны, а само её название было предложено в 1956 г. Искусственный интеллект – это компьютерная наука, а создаваемые ею технологии являются информационными технологиями. Задача этой науки – создание искусственных технических устройств, способных к разумным рассуждениям и действиям. Важным отличием устройств, обладающих искусственным интеллектом, от обычных компьютеров должна быть их способность не только использовать заложенные в них программы, но и способность видоизменять эти программы и создавать новые для решения очередных задач.

История создания искусственного интеллекта

Проблема создания искусственного интеллекта имеет древнюю историю. Она начинается задолго до появления даже самых примитивных ЭВМ и основана на вере человека в научно-технический прогресс, а ещё раньше – в силу магии. Первыми носителями искусственного интеллекта были античные или средневековые создания вроде сделанных из золота девушек, которые прислуживают Гефесту в «Илиаде»:

Навстречу ему золотые служанки Вмиг подбежали, подобные девам живым, у которых Разум в груди заключён, и голос, и сила, которых Самым различным трудам обучили бессмертные боги.

Существует также много средневековых легенд о чудовище, созданном Франкенштейном, глиняном великане Големе и др. Сразу надо обратить внимание на то, что эти «искусственные интеллектуалы» не являлись мыслящими существами в полном смысле слова. Они были запрограммированы на выполнение заданий определённого типа. Первые механические счётные машины тоже считали в какой-то степени интеллектуальными системами. В 1642 г. Блез Паскаль создал механическую вычислительную машину, о которой писал, что «арифметическая машина производит эффект, который кажется более близким к мышлению по сравнению с любыми действиями животных», а Лейбниц пытался создать механическое устройство, которое могло бы выполнять операции не только над числами, но и над понятиями.

Фантазия писателей очень часто способна опережать действительность. В 1921 г., задолго до появления первых примитивных ЭВМ чешский писатель-фантаст Карел Чапек пишет фантастическую пьесу «R.U.R.», где описывается корпорация, производящая человекоподобные устройства для выполнения любых работ. Чапек назвал их роботами, и это слово навсегда вошло в наш обиход.

В 1950-х гг. проблема создания мыслящих машин стала активно обсуждаться, так как стали появляться первые ЭВМ. Одним из первых, кто всерьёз пытался заняться этим вопросом, был английский математик и логик Алан Тьюринг (1912–1954). Хотя Тьюринг скончался до появления первых ЭВМ, он успел много сделать для теоретических предпосылок создания искусственного интеллекта. Его основные соображения по этому вопросу были изложены в статье «Может ли машина мыслить?», опубликованной в 1951 г. Для того чтобы точно определить смысл выражения «мыслить», Тьюринг предложил критерий, ставший хорошо известным под названием «тест Тьюринга». Тест состоит в следующем.

«Человек взаимодействует с одним компьютером и одним человеком. На основании ответов на вопросы он должен определить, с кем он разговаривает: с человеком или компьютерной программой. Задача компьютерной программы – ввести человека в заблуждение, заставив сделать неверный выбор».

Естественно, спрашивающий не видит своих собеседников. Если после любого количества вопросов он не найдёт способа определить, кто из его собеседников человек, а кто – машина, значит, данная машина действительно умеет мыслить.

Создание такой машины – дело будущего, возможно далёкого, но, учитывая современные темпы развития техники, не исключено, что и ближайшего.

Пока мы имеем дело с устройствами, чья работа напоминает интеллектуальную, но всё же, по сути, сводится к сравнениям и вычислениям, хотя и оперирующим огромным объёмом информации и производимым с огромной скоростью. «Думающая» машина обязательно обладает базой данных и базой знаний. В первую заносятся все факты, числа, изображения, звуки и всё прочее, что может иметь хоть какое-то отношение к области деятельности системы. В базе знаний хранятся всевозможные логические, математические и ассоциативные правила и программы, с помощью которых можно оперировать этими фактами. Полученные результаты сравниваются с другими фактами, находящимися в базе данных, или с сигналами, поступающими из внешней среды в ответ на действия, совершённые в результате работы машины. В зависимости от результата запускается новый цикл работы компьютера. Можно ли считать такую деятельность интеллектом?

Рис. 253. Матч Каспаров компьютер

Шахматы и компьютер

Для примера рассмотрим популярную тему, касающуюся шахматных компьютеров. Способен ли шахматный суперкомпьютер обыграть лучшего гроссмейстера? В своё время, находясь в прекрасной спортивной форме, тогдашний чемпион мира Гарри Каспаров (род. 1963) провёл несколько серий матчей с шахматными компьютерами (рис. 253). В 1980-х гг. он легко выигрывал все партии. Но через десять лет чемпион мира впервые проиграл матч компьютеру. Последующие матчи сводились в основном к ничейным результатам. Можно ли на этом основании говорить, что интеллект компьютера превышает или, во всяком случае, равен интеллекту Каспарова? Сомнительно, учитывая, что программа, с которой играл Каспаров в 2003 г., способна оценить 3–4 млн позиций в секунду. Обладай Каспаров такой же скоростью счёта, у машины вряд ли были бы шансы. Ведь программу для машины составлял человек, вероятно, талантливый шахматист, но всё-таки уступающий чемпиону мира. Так что, скорее всего, мы имеем дело не с искусственным интеллектом, а с такими техническими преимуществами, как лучшая память и большая скорость.

Вот если бы компьютер догадался стащить с доски ферзя в то время, когда Каспаров отвернулся, это уже можно было бы назвать проявлением интеллекта.

Есть ли у компьютера дедукция

Вообще, по мнению многих исследователей, искусственный интеллект должен обладать способностью к дедукции, т. е. к предсказанию таких фактов, событий и решений, которых не было в его базах. Писатели-фантасты часто обсуждают тему полного отсутствия у роботов чувства юмора. Это понятно: суть юмора сводится к тому, что рассказ о каком-либо эпизоде завершается не путём ожидаемой, а путём особенной, нестандартной логики. Если такая логика не заложена создателем программы, то робот завершит рассказ в соответствии с нормальной логикой, и в этом не будет ничего смешного.

В последнее время широко обсуждается и исследуется проблема сращивания естественного и искусственного интеллектов, т. е. возможность создания некоего гибрида живого мозга человека и компьютера, обладающего огромным объёмом памяти и способностью к молниеносному проведению логических и математических операций. Это направление может иметь большие перспективы, учитывая, что в опытах на животных уже получены некоторые интересные результаты. Мы ещё вернёмся к этой теме в последнем параграфе учебника.

Проверьте свои знания

1. Кто является автором слова «робот»?

2. В чём заключается тест Тьюринга? Попробуйте придумать такие вопросы, по ответам на которые, по вашему мнению, можно различить человека и компьютер. Объясните, какую разницу вы ожидаете услышать в ответах.

3. Почему выигрыши шахматного компьютера у чемпиона мира необязательно свидетельствуют о более высоком интеллекте у компьютера?

4. Сравните понятия «робот» и «искусственный интеллект». Почему между ними нельзя поставить знак равенства?

5. Где, по вашему мнению, использование искусственного интеллекта особенно актуально? Объясните свою точку зрения.

Задания

1. Вспомните и приведите примеры из художественных произведений описаний искусственного интеллекта. Проанализируйте, можно ли это считать действительно проявлениями интеллекта.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение на тему «Искусственный интеллект. Настоящее и перспективы».

3. Приведите примеры использования роботов. В каких областях народного хозяйства они в настоящее время применяются наиболее широко?

4. Подготовьтесь к дискуссии на тему «Мозг человека и ЭВМ».

 

§ 75 Наночастицы и перспективы нанотехнологий

Нанотехнология – это относительно новая область теоретических и прикладных междисциплинарных исследований, объектом которой являются частицы, имеющие размеры от 1 до 100 нм. Это больше, чем размер атомов или неорганических молекул, но значительно меньше, чем размеры объектов, которыми принято оперировать в обычной технике (рис. 254). Такие частицы обладают целым рядом свойств, отличных как от свойств атомов и небольших молекул, так и от свойств крупных частиц.

Для практических целей важно, чтобы наночастицы располагались в строго определённом порядке и образовали структуру с требуемыми свойствами. Мы уже рассматривали естественные наноструктуры, когда говорили об устройстве живой клетки. Клетка состоит из огромного числа атомов и молекул, и при этом недостаточно, чтобы просто соблюдалось общее количество атомов и молекул каждого вида и пропорциональное соотношение между ними. Для того чтобы клетка могла жить, требуется, чтобы все атомы в молекулах были расположены с строго определённом порядке. Достаточно поменять местами несколько нуклеотидов в молекуле ДНК, и клетка окажется нежизнеспособной. А поскольку размеры крупных органических молекул в клетке как раз соответствуют размерам наночастиц, то процессы самоудвоения ДНК, синтеза белка и деления клетки, по сути, являются нанотехнологиями, осуществляемыми самой природой.

Другим рассмотренным нами примером нанотехнологии, но уже осуществляемой искусственно, является создание электронных интегральных микросхем, где расположенные в строгом порядке элементы имеют размеры порядка нескольких десятков нанометров, т. е. как раз представляют собой наночастицы.

Рис. 254. Размеры некоторых биологических объектов и молекул (логарифмический масштаб)

В настоящее время нанотехнология считается одним из самых перспективных направлений научно-технического развития человечества.

Рис. 255. Ричард Фейнман (1918–1988) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г.

История появления нанотехнологии

Впервые термин «нанотехнология» употребил в 1974 г. японский физик Норио Тани гути. Однако о возможности применения нанотехнологий заговорили гораздо раньше. В 1959 г. американский физик Ричард Фейнман (рис. 255) опубликовал работу, в которой оценил перспективы уменьшения размеров производимых вещей. Он научно обосновал, что с точки зрения фундаментальных законов природы нет препятствий для того, чтобы собирать предметы из отдельных атомов и использовать их, например, для записи информации. Лекция Фейнмана «Там, внизу, много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom»), прочитанная им в Калифорнийском технологическом институте, стала легендарной. Вот отрывок из этого выступления: «По моим оценкам, в 24 миллионах книг размером с Британскую энциклопедию содержится 1015 бит информации. Думаю, что для хранения бита информации достаточно 100 атомов. Выходит, что вся собранная человечеством информация может храниться в кубе с гранями всего по полмиллиметра, т. е. в крохотной частичке пыли, едва различимой человеческим глазом. Так что внизу много места!»

Тогда многие восприняли его слова как фантастику. Ведь в то время ещё не существовало ни самих технологий, ни даже их проектов, позволяющих оперировать с отдельными атомами.

Главная проблема нанотехнологии заключается в том, чтобы найти способ заставить молекулы выстраиваться в определённом порядке, т. е. самоорганизовываться требуемым способом. Для решения этой проблемы был даже создан особый раздел химии – супрамолекулярная химия. Часто в нанотехнологии используют биологические крупные молекулы, по самой своей природе способные к самоорганизации. Известен, например, приём, используемый для соединения двух молекул в требуемый комплекс. Назовём эти молекулы А и В. Берётся молекула ДНК и разделяется на две взаимно комплементарные цепочки. К концу одной цепочки присоединяют молекулу А, а к другой – В. Затем оба компонента смешивают, комплементарные цепочки ДНК соединяются водородными связями, и в результате молекула А оказывается точно возле молекулы В. Между ними происходит взаимодействие, и образуется комплекс А. После этого молекулу ДНК можно удалить.

Уникальные свойства наноматериалов

Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы стремительно завоёвывают мир. Эти свойства в первую очередь обусловлены их нанометровыми размерами. В отличие от своих макро– и микроскопических собратьев, наночастицы свободны от механических дефектов, что позволяет использовать их, например, для хранения информации и нужд микроэлектроники. За счёт чрезвычайно малых размеров возможно производить суперминиатюрные устройства.

На поверхности наноструктур находится относительно большое количество атомов, т. е. у них очень большая относительная площадь поверхности. Это свойство важно, например, для каталитических процессов, в которых наноматериалы способны ускорять реакции в тысячи и даже миллионы раз.

Помимо этого наноматериалы проявляют необычные свойства, которые не могут быть описаны привычными для нас законами классической механики. В них начинают проявляться так называемые квантово-механические эффекты, что делает их весьма перспективными для использования в электронных и оптических устройствах, а также в биологических и медицинских исследованиях.

Достижения нанотехнологий

Многие нанотехнологии уже нашли практическое применение, а другие ещё находятся на стадии разработки. Одной из таких перспективных разработок является создание углеродных нанотрубок – цилиндрических структур из тонкого слоя графита особой структуры диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (рис. 256). Нанотрубки могут найти очень широкое применение – от создания новых типов транзисторов, дисплеев и фотодиодов до создания соединений между живыми нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

В 2010 г. Нобелевская премия по физике была присуждена двум русским учёным, работающим в Манчестерском университете, – Андрею Гейму и Константину Новосёлову. Премию они получили за то, что им удалось создать графен – плёнку, состоящую из обычного графита, который вставляют в карандаши, только эта плёнка имела толщину всего в один атом. Эта плёнка обладает настолько поразительными свойствами, что ещё недавно в возможность её существования никто не верил. Графен очень хорошо проводит электрический ток даже при комнатной температуре, что позволит заменить им кремний в полупроводниках и создавать на его основе сенсорные экраны, солнечные батареи, сотовые телефоны и сверхбыстрые компьютерные чипы.

Рис. 256. Нанотрубка

Рис. 257. Наноробот в кровеносном сосуде

Большой интерес в рамках нанотехнологий представляет создание нанороботов, разработка которых проводится в настоящее время (рис. 257). Это будут машины, сопоставимые по размерам с молекулами, которые будут способны двигаться, обрабатывать и передавать информацию, реализовывать заложенные в них программы, а возможно, и создавать себе подобные, т. е. самовоспроизводиться. Согласно другой точке зрения, нанороботы могут иметь и большие размеры – главное, чтобы они были способны манипулировать с объектами на наноуровне. Примитивные модели нанороботов существуют уже сейчас. Показано, что с их помощью можно управлять некоторыми химическими реакциями. Некоторые конструкторы нанороботов пытаются строить их на биологической основе, для чего используют фрагменты ДНК, называя свои создания ДНК-компьютерами.

Предполагают, что нанороботы могут найти применение в самых различных областях человеческой деятельности, особенно в медицине, где с их помощью можно будет диагностировать на ранней стадии многие заболевания (рак, диабет и др.), проводить хирургические микрооперации и осуществлять доставку лекарственных средств в нужные участки организма. Возможно, нанороботы смогут собирать различные системы из отдельных молекул.

Междисциплинарный характер нанотехнологии обеспечил ей распространение практически во всех отраслях науки и техники. В настоящее время технологические процессы производства интегральных микросхем уже осуществляются на нанометровом уровне в промышленных масштабах, и для дальнейшей миниатюризации преградой являются не технологические, а квантовые эффекты, проявляющие себя на микроуровне. Выпускаются фильтры, содержащие пористые наноматериалы. Они позволяют быстро и эффективно очищать воду не только от ионов, органических соединений, частиц грязи, но и от бактерий и даже вирусов. Появляются и первые медицинские препараты, позволяющие ускорять заживление ран и ожогов, а также эффективно убивать микробов. Наночастицы оксида титана и оксида цинка повсеместно стали использоваться в солнцезащитных кремах, поскольку именно они пропускают свет в видимом диапазоне и отсекают опасный для человека ультрафиолет.

В ближайшем будущем благодаря развитию нанотехнологии и биологии можно ожидать появления эффективных и безопасных лекарств, чувствительных датчиков, следящих за здоровьем человека, и, возможно, даже биокомпьютеров и биороботов.

Проверьте свои знания

1. Когда зародилась идея работы на наноуровне?

2. Каковы были предпосылки возникновения нанотехнологии?

3. Расскажите, чем занимается нанотехнология. Что такое нанометр?

4. Приведите примеры веществ и материалов, обладающих нанометровыми размерами.

5. Какими необычными свойствами обладают наноматериалы?

Задания

1. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию по одной из предложенных тем: «Бионаномашины и перспективы создания биокомпьютеров», «Наномедицина и её будущее», «Наноматериалы», «Нанотехнологии в медицине: новые подходы к доставке лекарств в организм», «Нанотехнология и экология: возможные опасности использования наноматериалов». Подготовьте и проведите конференцию по теме «Нанотехнологии и будущее человечества».

2. Подготовьтесь к дискуссии на тему «Военные приложения нанотехнологических разработок: за и против».

 

§ 76 Взаимодействие ноосферы и биосферы

Трудно сказать, когда именно возникла ноосфера. Так как ноосфера означает сферу разума, то она должна была появиться вместе с появлением разумного человека. Но кого из предков современного человека можно считать разумным? Обладали ли примитивным разумом умелые и прямоходящие люди? Так или иначе наступило время, когда сфера человеческого разума стала активно вмешиваться в биосферные процессы. Когда начался этот процесс?

Мы говорили о том, что человека считают виновником вымирания многих животных ледникового периода. Но, во-первых, виновность человека у некоторых исследователей вызывает сомнения, а во-вторых, даже если это и так, то вряд ли это событие можно считать связанным с ноосферой. Человек начал заниматься загонной охотой около 15 тыс. лет назад, в результате чего численность многих животных сократилась, но в этом ещё трудно усмотреть влияние на биосферу разумной деятельности человека. С биосферной точки зрения в некоторых экосистемах просто появились очень ловкие и опасные хищники, деятельность которых и привела к снижению численности популяций их жертв. Такое бывало и до появления разумного человека. Появление копий и приспособлений для их метания глобально ничего не изменило.

Начало антропогенного воздействия на биосферу

По-видимому, началом активного воздействия ноосферы на биосферу следует считать неолитическую революцию. Тогда-то и возникло то, что в экологии называют антропогенным фактором. Одомашниванием животных и растений никто до человека не занимался (если, конечно, не считать муравьёв). Развитие человечества после неолитической революции представляет собой типичный пример системы с положительной обратной связью. Перейдя от охоты и собирательства к земледелию и животноводству, человечество обеспечило себя продовольствием, что позволило ему увеличить свою численность в десятки раз. Соответственно должна была возрастать и численность домашних животных, а им требовались пастбища, откуда изгонялись их дикие сородичи. То же самое происходило и с земледелием. Для расширения полей для своих посевов люди сжигали леса, причём из-за отсутствия правильного земледелия земля постоянно истощалась, лесов приходилось сжигать всё больше, а исчезновение лесов вело к обмелению и пересыханию рек.

Рис. 258. Пустыня Сахара

Рис. 259. Теплицы являются примером современных агроценозов

Одним из наиболее ярких примеров влияния скотоводства на природные экосистемы является возникновение пустыни Сахара (рис. 258). Около 10 тыс. лет назад на территории Сахары была саванна, где водились бегемоты, слоны, жирафы и страусы. Выпас человеком огромного количества скота привёл к уничтожению растительности, пересыханию водоёмов, исчезновению диких, а вслед за ними и домашних животных.

Агроценозы и их роль в развитии биосферы

Вместо природных экосистем возникали и постоянно расширялись искусственные экосистемы – агроценозы (рис. 259). Экосистемы, создаваемые человеком для удовлетворения своих потребностей, отличаются от природных экосистем многими признаками. Во-первых, характерной чертой естественного природного сообщества является видовое разнообразие, которое и определяет устойчивость экосистемы. Причём динамика количества видов, их численности и биомассы подчиняется определённым статистическим закономерностям. Видовое разнообразие определяет устойчивость экосистемы. Создавая же агроценозы, человек поступает как раз наоборот: старается заселить их как можно меньшим числом видов. Иногда ему требуется, чтобы сообщество состояло всего из одного вида, например, на поле должна расти только пшеница или только капуста. Естественно, такая экосистема не может быть устойчивой. Виды растений, более приспособленные к борьбе за существование в данных условиях, называемые сорняками, начинают вытеснять культурные растения, с ними приходится бороться путём прополки или применения гербицидов. В агроценозе поселяются насекомые, грызуны и другие живые организмы, приспособленные к питанию именно данным культурным растением (вредители). В отсутствие конкурирующих насекомых и грызунов они начинают размножаться в огромном количестве, и их тоже приходится уничтожать. Кроме того, агроценоз для того и создаётся, чтобы изымать из него продукцию. В результате круговорот веществ разрывается, эта продукция не попадает в детритную цепь, и человеку приходится вносить в почву удобрения. Таким образом, агроценоз представляет собой очень неустойчивую систему, которая без вмешательства человека быстро деградирует. Попробуйте хотя бы месяц не пропалывать грядку. Что от неё останется?

Кроме того, агроценозы влияют и на окружающие природные экосистемы. Инсектициды, предназначенные для уничтожения насекомых, питающихся культурными растениями, убивают и других насекомых. В результате на окрестных территориях исчезают насекомоядные птицы, земноводные, ящерицы, землеройки и прочие животные, пищей которым служат насекомые. За ними исчезают хищники, питающиеся насекомоядными животными. Жизнедеятельность окружающих экосистем оказывается нарушенной.

Пастбища для выпаса домашних животных тоже можно считать агроценозами. На них обитает ограниченное число видов животных, причём с очень высокой плотностью популяций. Мы уже говорили о том, что именно пастбищное животноводство привело к опустыниванию огромных территорий.

По мере расселения человечества и увеличения его численности наступление агроценозов на природные экосистемы усиливалось, а темпы увеличения численности людей очень впечатляют. Как предполагают некоторые исследователи, в эпоху первых агроценозов (7–8 тыс. лет до н. э.) на Земле жило около 10 млн человек. За 2 тыс. лет до н. э. их уже было около 50 млн. К началу новой эры землю населяло уже 200–250 млн человек. Дальнейший рост численности человечества вплоть до XVIII в. происходил очень медленно: за первые полторы тысячи лет новой эры население планеты увеличилось всего в два раза.

Тем не менее уже 4–5 тыс. лет назад антропогенное воздействие стало существенным экологическим фактором. Спасаясь от опустынивания, человек либо покидал ставшие бесплодными земли и переселялся на новые территории, либо прибегал к орошаемому земледелию (рис. 260). В тех местах, где происходили ежегодные разливы больших рек, таких как Нил, Тигр и Евфрат, Инд и Ганг, Янцзы и Хуанхэ, появились первые цивилизации с густонаселёнными городами. Но поскольку разливы рек происходили не всегда регулярно и достигали не всех территорий, где селились люди, приходилось для дополнительного орошения прорывать каналы. Интенсивное строительство каналов и поливное земледелие вели к засолению почв. Кроме того, большое количество людей требовало содержания множества домашних животных, которые паслись в окрестностях городов, уничтожая росшие там деревья и кустарники и выбивая пастбища. Поэтому вокруг крупных городов часто возникали пустыни, а сами города приходили в упадок, из-за чего многим древним государствам приходилось менять местоположение своих столиц.

Освоение новых территорий

В эпоху Великих географических открытий появление европейцев на новых территориях, прежде всего на островах, приводило к серьёзным изменениям существующих там биоценозов.

Рис. 260. Древнеегипетские изображения землепашцев

В качестве одного из наиболее распространённых примеров часто приводят остров Святой Елены, который некогда весь был покрыт тропическим лесом, а теперь представляет собой почти голую скалу. Причиной являются завезённые сюда европейцами козы, которые съели почти всю растительность острова вплоть до крупных деревьев. Появление многочисленных популяций культурных растений и домашних животных в Северной и Южной Америке, Сибири и Австралии значительно изменило экологическую структуру этих территорий и привело к исчезновению многих видов растений и животных.

Однако вплоть до XIX в. на нашей планете обитало относительно немного людей, плотность населения была не слишком велика, возникавшая промышленность работала с недостаточно большой интенсивностью. Поэтому, хотя ноосфера и оказывала значительное влияние на биосферу, это влияние не было критическим, и говорить об экологической катастрофе в глобальном масштабе не приходилось. Понятие «глобального экологического кризиса», активно обсуждающегося в современном мире, возникло лишь в прошлом столетии.

Проверьте свои знания

1. К какому периоду развития человеческого общества относится зарождение сельскохозяйственного производства?

2. Что было причиной опустынивания Сахары?

3. Назовите причины возможного возникновения недостатка воды в ряде районов мира.

4. Чем отличаются агроценозы от природных экосистем? Назовите известные вам агроценозы.

Задания

1. Докажите, что комплексы биологической очистки сточных вод и биотехнологические производства тоже являются искусственными экосистемами.

2. Выясните, какие искусственные экосистемы в сельском хозяйстве и в промышленности существуют в вашем регионе. Если возможно, вместе с учителем организуйте туда экскурсию. Напишите отчёт об экскурсии.

 

§ 77 Основные экологические проблемы современности

Серьёзные изменения биосферы, связанные с антропогенными воздействиями, начались в прошлом веке. Невероятное возрастание числа жителей Земли (так называемый демографический взрыв) и научно-техническая революция стали основными причинами этих изменений. Обе причины взаимосвязаны, так как количество потребляемой человечеством энергии и материальных ресурсов возрастает почти пропорционально его численности и даже несколько опережает её.

Численность людей на планете

В течение длительного времени число обитающих на земном шаре людей почти не увеличивалось. Как уже было сказано, население Земли в начале нашей эры, по приблизительным подсчётам, составляло 200–250 млн человек. За последующие полтора тысячелетия его численность возросла всего в два раза и составила 425–450 млн. Резкий скачок в скорости прироста населения Земли, особенно в Европе и отчасти в Азии, произошёл в конце XVIII в. Это было связано с улучшением гигиенических условий, увеличением продолжительности жизни, сокращением эпидемий и началом интенсивного промышленного производства. В начале XIX в. численность жителей Земли достигла 1 млрд, после чего продолжала стремительно нарастать. Из таблицы, составленной В. П. Максаковским (табл. 6), и из диаграммы (рис. 261) видно, что, для того чтобы число жителей нашей планеты достигло первого миллиарда, понадобилась вся история человечества до XVIII в., на следующий миллиард ушло 107 лет, на третий – 33 года, а затем каждые 12–13 лет стало равномерно прибавляться по миллиарду.

Таблица 6

Динамика численности населения Земли

Рис. 261. Рост численности населения Земли

Для всех этих миллиардов требуются пища, жильё, одежда, средства передвижения и прочее. Причём растёт не только количество людей, растут и потребности каждого из них. Ещё сто лет назад никто не думал об авиаперелётах, личном автомобиле и кондиционере. Да и электрическое освещение и центральное отопление считались роскошью. Теперь, по крайней мере в развитых странах, всё это стало необходимостью. А потребность в пище всегда была необходимостью и, разумеется, ею и осталась. Для того чтобы удовлетворять эту потребность, требуется оказывать постоянное давление на биосферу. Мы уже видели, к чему это может привести, но оценивали последствия совсем в других масштабах. В начале нашей эры требовалось прокормить в 30 раз меньше человек, чем сейчас, значит, за это время интенсивность земледелия и животноводства должна была возрасти не менее чем в 30 раз. За счёт чего этого можно достичь?

Увеличение производительности сельского хозяйства, как и других отраслей экономики, можно осуществлять двумя способами – экстенсивным и интенсивным. Первый требует расширения используемых земель, расширения использования природных ресурсов и возрастания потребления энергии. Второй основывается на внедрении новых, более эффективных технологий и методов производства.

Экстенсивные методы развития сельского хозяйства

Экстенсивное расширение сельского хозяйства может происходить либо за счёт уничтожения природных экосистем, либо за счёт расширения орошаемого земледелия в пустынных районах. Природные экосистемы уничтожаются ради расширения посевных площадей, пастбищ, получения сырья (древесины), строительства населённых пунктов и промышленных объектов. Особенную опасность для биосферы представляет уничтожение лесов, которое, хотя и замедлилось в последние годы, всё же представляет собой катастрофическое явление. За последние 8 тыс. лет численность лесов на Земле сократилась примерно вдвое, а из оставшихся природные лесные экосистемы занимают лишь немногим более 20 %. Остальные так или иначе являются в значительной степени агроценозами. Это парки, сады и лесопосадки. В Европе настоящих биосферных лесов практически не осталось. Лучше всего сохранились хвойные леса, расположенные между арктической тундрой и лиственными лесами. Это два крупных лесных массива, один из которых находится в Сибири, а другой простирается через часть Канады и Аляски. Третья большая лесная территория – это тропический лес в бассейне Амазонки. Но и эти сохранившиеся леса находятся под угрозой уничтожения. В настоящее время наиболее интенсивно уничтожаются леса в развивающихся странах Африки и Азии, где до сих пор широко используют известное с древности подсечно-огневое земледелие, при котором сначала вырубают и сжигают большой участок леса, а затем на удобренной золой почве разводят сельскохозяйственные культуры. Так как демографический прирост в этих регионах наиболее высок, то используются любые меры, чтобы прокормить это возрастающее население.

Какую опасность для биосферы представляет уничтожение лесов? Прежде всего, это снижение содержания кислорода в атмосфере. Не зря крупные лесные массивы, особенно тропические леса, называют «лёгкими планеты». Кроме того, снижение площади лесов приводит к изменению гидрологического режима, обмелению рек и эрозии почв.

Активное развитие орошаемого земледелия привело к тому, что перерасход воды стал одной из глобальных экологических проблем современности. Пять тысяч лет назад земледельцы древнего Шумера и Вавилона, работая кирками и мотыгами, за несколько сотен лет превратили окрестности своих городов в пустыню. А в наше время при использовании современной техники для орошения пустынных земель Центральной Азии за несколько десятков лет было практически полностью уничтожено Аральское море, бывшее четвёртым по величине озером в мире, равным по площади Ирландии (рис. 262). Соль с его высохшего дна разносится ветром, вызывая засоление почв на многие сотни километров вокруг, а ещё недавно там процветало рыболовство, на берегах цвели сады, обитало множество видов птиц и зверей.

Рис. 262. Уменьшение акватории Аральского моря. Спутниковая съёмка, сделанная летом 2002 г. Красной линией показаны границы воды по состоянию на 1960 г.

Интенсивные методы развития сельского хозяйства

Интенсивные методы развития сельского хозяйства тоже не лучшим образом влияют на окружающие экосистемы. В почву приходится вносить большое количество минеральных удобрений, что существенно изменяет солевой баланс среды. Для борьбы с насекомыми, сорняками и паразитирующими грибами, снижающими урожайность сельскохозяйственных культур, используют соответственно инсектициды, гербициды и фунгициды. Эти ядовитые вещества уничтожают не только «вредные» организмы, но и многие другие, обитающие в окрестности и являющиеся важными компонентами экологических систем. С полей и пастбищ органические вещества, минеральные удобрения, отходы животноводства, инсектициды, гербициды и фунгициды попадают в воду и загрязняют окружающие водоёмы, сильно влияя на их видовой состав.

Увеличение объёмов промышленного производства приводит к загрязнению природной среды продуктами технологических процессов. Хотя в промышленности часто используют интенсивные методы, основанные на использовании новых прогрессивных технологий, эти технологии не всегда бывают безопасными. При сжигании огромного количества топлива и в результате переработки химического сырья в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, азота, соединений серы и солей тяжёлых металлов. Всё это приводит к повышению заболеваемости среди жителей ближайших территорий. Растворяясь в капельках атмосферной влаги, оксиды серы и азота выпадают на землю в виде кислотных дождей, что наносит особый вред водным экосистемам, лесам и их обитателям.

Канализационные стоки, которые сбрасывают в моря без предварительной очистки, создают угрозу здоровью людей. Из-за аварий танкеров и трубопроводов в океан ежегодно выливается около 5 млн т нефти. Сбросы промышленных предприятий, поверхностные стоки со свалок часто загрязнены тяжёлыми металлами и синтетическими органическими веществами. Соли тяжёлых металлов (свинца, ртути, меди, цинка, хрома, кадмия и др.) вызывают у человека отравления с тяжелейшими физиологическими и неврологическими последствиями. Многие искусственные органические соединения настолько напоминают природные, что усваиваются организмом, но, включаясь в обмен веществ, полностью нарушают его нормальное функционирование. В результате возникают заболевания почек, печени, бесплодие и многие другие физиологические расстройства. Особенно опасны ядовитые соединения, которые не разлагаются и, проходя через пищевые цепи, накапливаются в организмах.

Парниковый эффект

Помимо локальных изменений среды, происходящих в непосредственной близости от источника загрязнения, существуют глобальные изменения, способные если не полностью уничтожить, то во всяком случае радикально изменить всю биосферу Земли. К ним, в частности, относится широко известный парниковый эффект – уменьшение оттока тепла с земной поверхности и, как следствие, повышение средней температуры Земли (рис. 263). Причиной парникового эффекта является то, что солнечный свет, падающий на Землю, находится в видимой части спектра и свободно проходит через верхние слои атмосферы. Падая на земную поверхность, он нагревает её и отражается уже в виде инфракрасного (теплового) излучения, которое задерживают содержащиеся в верхних слоях атмосферы пары воды и такие газы, как углекислый газ, метан и оксид азота. О существовании парникового эффекта было известно ещё в XIX в., но в последнее время отмечено его увеличение, связанное в первую очередь с повышенным выбросом промышленными предприятиями углекислого газа.

Рис. 263. Парниковый эффект

С увеличением парникового эффекта связывают глобальное потепление. В течение последнего времени средняя температура на Земле постоянно поднимается. Так, с середины XVIII в., т. е. с началом промышленной революции, она увеличилась на 0,7 °C. По некоторым прогнозам, в XXI в. температура может подняться ещё на величину от 1 до 6 °C. Это может привести к катастрофическим последствиям. В результате таяния ледников повысится уровень Мирового океана, что приведёт к затоплению огромных прибрежных территорий, на которых расположены большие города и целые государства. Могут участиться природные катаклизмы – наводнения, засухи, ураганы и пр. Потепление приведёт к переселению многих животных в полярные зоны и вымиранию многих обитателей прибрежных зон и островов. Другие исследователи не считают глобальное потепление результатом антропогенного воздействия, а полагают, что оно является естественной фазой колебаний температуры, характерной для данной эпохи. По их мнению, в XIV–XIX вв. имел место «малый ледниковый период», в течение которого температура на Земле понизилась по сравнению с X–XIII вв. Сейчас происходит очередная волна естественного колебания климата, которая приведёт Землю к температуре, существовавшей до начала этого периода.

Экологические катастрофы

На нашей планете периодически происходят так называемые экологические катастрофы, которые, хотя и не грозят гибелью всем обитателям Земли, тем не менее наносят им серьёзный и часто непоправимый ущерб. Катастрофы могут быть природными (землетрясения, ураганы, большие извержения вулканов) и техногенными, связанными с человеческим фактором (пренебрежение мерами безопасности, халатность персонала, стремление к экономии средств и др.).

Рис. 264. Тушение пожара на нефтяной платформе в Мексиканском заливе (2010)

В последнее время на Земле очень часто происходят техногенные катастрофы, имеющие различные масштабы – от местных до глобальных. Крупной катастрофой стала авария на Чернобыльской АЭС (1986), вызвавшая радиоактивное заражение некоторых территорий Украины, Белоруссии и России. 18 тыс. человек погибли и пострадали в результате взрыва на химическом заводе в 1984 г. в индийском городе Бхопал. Взрыв нефтяной платформы в Мексиканском заливе (2010) повлёк за собой крупнейший в истории США разлив нефти, что превратило эту аварию в одну из серьёзнейших техногенных катастроф (рис. 264).

Проверьте свои знания

1. С чем связано резкое изменение динамики роста численности населения Земли, которое произошло в XVIII в.?

2. Сравните экстенсивный и интенсивный способы развития производства. В чём их разница?

3. Какую опасность для биосферы представляет уничтожение лесов?

4. Что такое инсектициды, гербициды и фунгициды? Какую опасность они представляют для окружающей среды?

5. Что может быть причиной глобального потепления?

6. Как вы считаете, может ли природная катастрофа стать причиной техногенной катастрофы? Докажите своё мнение.

Задания

1. Предложите возможные пути решения основных экологических проблем вашего региона.

2. Существуют ли в вашем регионе природоохранные организации, деятельность которых направлена на сохранение природных экосистем, поддержание и восстановление численности исчезающих видов? Что вам известно об их работе? Обсудите в классе, какую помощь вы можете им оказать. Что лично вы можете сделать для сохранения нашего общего дома – планеты Земля?

3. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию о серьёзных экологических катастрофах современности и о мерах по их ликвидации.

4. Объясните, почему нельзя употреблять выражение «плохая экология». В чём некорректность данного выражения?

5. Проанализируйте текст параграфа и составьте список основных экологических проблем современности. Какие вы можете предложить классификации этих проблем?

6. Выявите скопления бытовых отходов и свалок мусора на территории вашего района. Организуйте и проведите мероприятия по очистке территории. Напишите краткую заметку в местную газету о проведённом мероприятии.

Ваша будущая профессия

1. Что вы знаете о профессиях, связанных с техническими достижениями человечества? Есть ли среди ваших знакомых или родственников люди, работающие в сфере транспорта, авиации или космической промышленности? Попросите их прийти в класс и рассказать об особенностях своей профессии.

2. Согласны ли вы с тем, что программист – универсальная профессия? Объясните свою точку зрения.

3. Сделайте фотоколлаж на тему «Профессии моей семьи», в котором кратко расскажите о работе ваших родителей, бабушек, дедушек, старших братьев или сестёр. Организуйте вместе с одноклассниками общую выставку «Профессионалы в своих профессиях», пригласив на неё своих родных и близких.

4. Докажите, что для решения экологических проблем современности необходима интеграция знаний и достижений всех наук и людей всех специальностей.