180478 - Наука

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Биология

25.11.2011 20:20

Биологические факты, которые следует знать современному человеку, претендующему именоваться Homo sapiens
Елена Наймарк, «Троицкий вариант» №18(87), 13 сентября 2011 года

Современному биологу чрезвычайно трудно выделить какие-то главные биологические факты, слишком уж много в этой науке частей, порой настолько обособленных, что два биолога, представляющих разные направления, с трудом понимают друг друга. Молекулярному биологу или генетику придется долго втолковывать, в чем суть жарких споров нейтралистов и классиков в экологии; зоолог с трудом продерется сквозь наименования вирусных белков и мобильных элементов; ботанику же, усвоившему азбуку спорофитов и гаметофитов, нелегко будет воспринять хитроумные механизмы развития лягушачьих эмбрионов.

Однако всё же что-то объединяет все эти различные, теперь далеко разошедшиеся дисциплины, что-то заставляет писать в анкетах «биолог», а не ботаник, эмбриолог или цитолог. Биология — наука о живом, поэтому базовые принципы для всех дисциплин должны быть едины, понятны и обязательны. Хотелось бы, чтобы их усвоили все сколько-нибудь разумные люди, вне зависимости от возраста, вероисповедания, политических и национальных убеждений, мировоззрения и квалификации их школьного учителя биологии.

Жизнь достоверно известна только на Земле, в этом смысле явление жизни уникально. С этим связаны и трудности в определении понятия «жизнь». Наш разум устроен таким образом, что определение дается через сличение объектов, путем выделения общего и различного. Жизнь таким манером не определить. В связи с этим многие определения жизни носят философский (в самом плохом толковании этого слова) характер. Сейчас ученые прилагают колоссальные усилия, чтобы найти жизнь на других планетах. Но пока что это гипотезы и в известном смысле фантазии. Если таковая найдется, то определение жизни станет более ясным.

Всё живое состоит из клеток. Это основной постулат клеточной теории, которая окончательно сформировалась к концу XIX века. Ее составные части кажутся очевидными: всё живое имеет клеточное строение, клетки единообразны по своей конструкции и состоят из схожих частей, новые клетки получаются путем деления предшественников. В XIX — начале XX века положения клеточной теории испытывались на прочность; например, предлагалась версия, что клетка собирается из особой зародышевой плазмы. Но время вкупе с интенсивными исследованиями и научными дискуссиями, порой политически окрашенными, показало несостоятельность сомнений: всё живое состоит из клеток. Кроме вирусов, которых обычно не считают живыми.

Развитие многоклеточного организма начинается с одной клетки. Зародышевая клетка содержит всю необходимую информацию для построения сложно устроенного тела многоклеточного. Информация о развитии не является жестко закрепленной схемой, записанной по пунктикам в строгом порядке. Это скорее постепенное пошаговое изменение внутренней среды, которое включает и выключает определенные этапы онтогенеза. Нет жесткой программы — есть реагирование системы на локальные изменения биохимического содержания. В данном утверждении содержится главное отличие построения живого тела от конструирования сложного механизма.

Наследственная информация о живом закодирована в молекулах ДНК и РНК, состоящих из цепочек нуклеотидов. У земных организмов в цепочках молекул наследственности чередуется всего четыре нуклеотида (в молекулах ДНК и РНК три нуклеотида одинаковы, один отличается). В современном обществе циркулирует множество измышлений на тему способа передачи наследственной информации: волновые теории, сверхразум коллективов, а также более изощренные гипотезы о внегенетических адаптациях видов и организмов. С каждой из них приходится разбираться профессиональным биологам или психиатрам, но, как бы то ни было, ни одна из них не имеет фактического подтверждения.

Универсальность наследственного кода. Информация, записанная в ДНК, реализуется в виде конкретных белков, различных по функциям и структуре. Именно эти различия в конечном итоге и определяют специфичность каждого вида и каждого организма. Но при этом запись информации осуществляется единообразно у всех без исключения организмов — с помощью триплетов нуклеотидов. Каждый набор из трех нуклеотидов соответствует одной конкретной аминокислоте. У любого организма конкретный триплет обозначает конкретную аминокислоту. Универсальность триплетного кода для всех живых существ — от бактерий до синих китов (с минимальными частными отклонениями) свидетельствует о едином происхождении всей земной жизни.

Все живые существа на планете так или иначе взаимосвязаны. Также их существование увязано с глобальными круговоротами воды, углерода, азота, фосфора и других важных для жизни элементов. Один вид может служить пищей, субстратом, конкурентом или необходимым дополнением (симбионтом) для многих других. Все они так или иначе строят свое существование в зависимости от присутствия косных элементов планеты, меняя их состав и концентрации. Жизнь организует по-своему потоки вещества и энергии. Кислородная атмосфера — это продукт жизнедеятельности фотосинтетиков, некоторые гигантские рудные месторождения являются результатом бактериальной активности; бактериальная флора регулирует потоки серы из глубинных слоев на поверхность, анаэробная микрофлора почв отвечает за фиксацию молекулярного азота и т. д.

Наш мир изумительно многообразен. Это его непременное, обязательное свойство, которое обеспечивает помехоустойчивость в условиях постоянно изменяющихся условий. Развитие живого в целом способствует формированию и поддержанию разнообразия на любых уровнях организации. Так, устойчивость популяций зависит от уровня полиморфизма генофонда. Если он низок, то стоит популяции попасть в неблагоприятные условия, она исчезнет, так как не найдется запасных вариантов. Человеческая защита от мириадов болезнетворных бактерий обеспечивается колоссальной вариабельностью нашей иммунной системы, это частный случай взаимосвязи устойчивости с разнообразием. Важно понимать и обратное: низкое разнообразие ведет к потере устойчивости. Человеческая деятельность по отношению к природе однонаправленно снижает разнообразие, понижая устойчивость биологических систем.

Эволюция — это факт. За полтора века исследования исторического развития жизни палеонтологи собрали бесчисленное количество фактических данных, свидетельствующих о постепенном, хотя и неравномерном, развитии жизни на нашей планете. Теперь в общую копилку эволюционных доказательств добавился изрядный вклад, полученный от генетики и молекулярной биологии. Как и любая наука, эволюционное учение трансформируется под влиянием новых фактов, уточняются определения, понимаются ограничения тех или иных доктрин. Но все они не влияют на основное утверждение: эволюция — доказанное свойство земной жизни, а вовсе не теоретические измышления хитроумных биологов.

Историческое развитие видов (как типологических, так и филогенетических) продвигается двумя равноправными магистральными маршрутами: конкурентная борьба и кооперация. Биологические инновации могут приобретаться как в ходе постепенного вытеснения менее приспособленных более приспособленными, так и за счет кооперации — объединения полезных приспособлений, обладателями которых являются разные организмы. Данное утверждение имеет и мировоззренческую силу: на ранних этапах обсуждения эволюционных знаний конкуренция абсолютизировалась, биологически оправдывая «звериное» право сильнейших. Уравновешивая конкуренцию кооперацией, мы приобретаем гуманную альтернативу — право товарищей.

Человек (вид Человек разумный, а не мальчик Петя, у которого имеются папа с мамой, бабушки, дедушки и куча других человеческих родственников) произошел от обезьян (не современных, а древних, вымерших). Современные антропологи воюют друг с другом вовсе не по поводу этого бесспорного факта, а из-за деталей человеческой эволюции. Какие из ископаемых предков наиболее близки к человеку, где и как появилось прямохождение, какие отношения сложились у человека разумного и неандертальцев, вымерших родичей нашего вида, какие черты психики унаследованы от животных. Сейчас для аргументированных дискуссий появились мощные массивы новых данных — результатов интенсивных раскопок, исследований мозга и геномов. В таких условиях отрицать происхождение человека от обезьян — значит, сидеть в пустом пространстве с крепко зажмуренными глазами, заткнутыми ушами, мысленно повторяя бесконечную мантру «Я подобен Богу...»

мда

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Теория игр

25.11.2011 20:29

Константин Сонин, канд. эконом. наук, постоянный профессор, проректор Российской экономической школы, со-директор Совместного бакалавриата ВШЭ и РЭШ, «Троицкий вариант» №16(85), 16 августа 2011 года

Первая статья по математической теории игр была написана Джоном фон Нейманом в 1928 г., а первая книга с систематическим изложением теории игр и подхода к анализу экономических проблем — в 1943 г. Ее фон Нейман написал вместе с Оскаром Моргенштерном; они вместе работали в Институте передовых исследований в Принстоне.

Чтобы определить игру, нужно описать множество игроков, множество стратегий каждого игрока и «платежи» — то, что получает каждый игрок при каждом наборе стратегий (по одной для каждого игрока). Ключевое понятие в теории игр, равновесие по Нэшу, — такой набор стратегий, что ни один игрок, предполагая стратегии остальных игроков зафиксированными, не может поменять стратегию так, чтобы увеличить свой платеж». В общем случае это определение дал принстонский математик Джон Нэш, и он же доказал, что равновесие по Нэшу существует всегда (если дополнительно разрешить игрокам играть «смешанные стратегии» — лотереи на множестве стратегий). Статья Нэша с определением и доказательством существования заняла в Proceedings of the National Academy of Sciences одну страницу. То, что равновесие по Нэшу — важнейшая концепция современной экономической теории, подчеркнул Нобелевский комитет, присудив Нэшу премию в 1994 г.

В самых распространенных играх, шахматах и шашках, существует единственное равновесие по Нэшу, ограничение которого на каждую подыгру (поддерево «дерева игры», в которое можно развернуть любую игру, в которой игроки ходят по очереди) тоже является равновесием по Нэшу. Что является равновесным исходом шахмат, неизвестно, потому что дерево игры слишком велико, а для 64-клеточных шашек равновесный исход, как было доказано несколько лет назад, — ничья. Чтобы изучать карточные игры («дурака», покер, преферанс и т. п.), необходимо добавить описание того, какому игроку и в какой момент доступна какая информация. Это стало возможным благодаря работам Райнхарда Зелтена и Джона Харшаньи, получивших Нобелевскую премию по экономике в 1994 г. вместе с Нэшем.

Основные вопросы, которыми занимались специалисты по теории игр в 1950–60-е, были связаны с внешней политикой, в частности ядерным сдерживанием и гонкой вооружений.

В главной экономической энциклопедии New Palgrave Dictionary of Economics есть статья, посвященная русскому специалисту по теории игр — Ольге Бондаревой. В России теорией игр занимаются в основном математики — Елена Яновская, Сергей Печерский, Виктория Крепс, Виктор Доманский, Левон Петросян в Петербурге, Виктор Васильев в Новосибирске, Николай Кукушкин и Владимир Данилов в Москве. Экономисты российского происхождения Илья Сегал и Михаил Островский, работающие в Стэнфордском университете, и Михаил Шварц из Yahoo! являются крупными специалистами по теории аукционов.

Во многих играх есть несколько «равноправных» равновесий. Одна из самых сложных тем в теории игр и одновременно в политологии — стратегический анализ голосований. Каждая избирательная система, каждая схема, по которой голосуют члены парламента, задает отдельную игру. Как раз в этих играх, как правило, есть несколько равновесий по Нэшу. Например, если парламент выбирает спикера большинством голосов и все без исключения парламентарии предпочитают кандидата А кандидату Б, то не только «все голосуют за А» — равновесие по Нэшу, но и «все голосуют за Б» — тоже.

С помощью теории игр экономисты моделируют все ситуации, в которых возникает стратегическое взаимодействие. В теории отраслевых рынков игры возникают везде, где на рынке присутствует более одной фирмы. Самый простой пример — «игра Штакельберга», в которой фирма-монополист выбирает стратегию, позволяющую сделать вход на рынок затруднительным, а другая фирма решает вопрос о том, стоит ли ей входить на рынок. Конкуренцию нескольких крупных фирм (например, МТС, Билайна и Мегафона) невозможно описать без теории игр, потому что основные мотивы фирм в такой ситуации — стратегические. Важно не только рассчитать результаты собственных шагов, но и учесть возможную реакцию конкурентов. Основные модели других разделов экономической теории, например теории фирмы (теории контрактов), которая изучает взаимоотношения между владельцами, менеджерами и работниками фирмы, тоже сделаны с помощью теории игр.

После 1994 г. за достижения в теории игр выдано несколько Нобелевских премий по экономике. В 2005 г. премию получили Томас Шеллинг, работы которого стали фундаментом современного стратегического анализа во внешней политике и в бизнесе, и Роберт Ауманн, подчеркнувший роль представлений игроков о том, что думают другие игроки. В 2007-м — Леонид Гурвиц, придавший точный математический смысл идее о том, что в плановой экономике невозможно создать правильные стимулы для экономических субъектов (что эквивалентно, в терминах теории игр, придумыванию игры, в которой участники, пользуясь своей личной информацией, приходят к тому самому результату, который нужен создателю игры), Эрик Маскин и Роджер Майерсон, сформулировавшие общую задачу создания правильных стимулов и создавшие попутно самую важную часть экономической теории последних десятилетий — теорию аукционов.

Крупнейшие аукционы по продаже радиоспектра для телекоммуникаций в Америке и Европе были организованы экономистами — специалистами по теории игр. Компания Market Design, созданная крупнейшими теоретиками, была консультантом чуть ли не во всех основных аукционах 1990-х. Ее создатели, специалисты, казалось бы, по чистой экономической теории, заработали миллионы долларов, консультируя организаторов аукционов и фирмы-участники.

В замечательном фильме «Игры разума», художественной интерпретации еще более замечательной документальной биографии Джона Нэша A Beautiful Mind, написанной Сильвией Назар, концепция равновесия по Нэшу проиллюстрирована неправильно. Сцена с блондинкой в баре не описывает, вопреки мнению главного героя, равновесие по Нэшу.

мда

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Проблемы астрофизики

25.11.2011 20:35

Сергей Попов, «Троицкий вариант» №15(84), 2 августа 2011 года

1. Природа темного вещества
Начнем с очень важной и интересной загадки, которая известна с 30-х годов прошлого века. Есть серьезные основания полагать, что в ближайшие годы она будет, наконец, окончательно разрешена.
Появились достаточно надежные наблюдательные данные о том, что около четверти плотности Вселенной связано с каким-то видом частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом. Подтверждение этой гипотезы и определение свойств пока еще неуловимых частиц — одна из самых актуальных задач не только астрофизики, но и всей физики.
Самое заманчивое — поймать частицы в лаборатории. В мире работает несколько экспериментов такого рода (CDMS-II, EDELWEISS-II, ZEPLIN, XENON100, PICASSO). Установки прячутся в глубоких шахтах, чтобы уменьшить число ложных срабатываний из-за космических лучей.
Даже консервативно настроенные коллеги считают, что в течение ближайшего десятилетия развитие техники эксперимента (например, создание экспериментов EURECA, DARWIN или подобных им) позволит «ухватить за бороду» частицы темной материи. Или же будут поставлены настолько жесткие ограничения, что сама гипотеза может оказаться под вопросом.
Оптимисты полагают, что данные по темному веществу можно будет получить на ускорителях, например уже на LHC. Однако такая перспектива маловероятна, поскольку для большинства обсуждаемых параметров частиц ускорительные эксперименты не могут пока выдать достаточной информации.
Наконец, сами астрофизики тоже не сидят сложа руки. Предполагается, что частицы темного вещества могут иногда аннигилировать. В этом случае должно рождаться гамма-излучение, а также будут появляться пары частица–античастица (например, электрон–позитрон). Соответственно, астрономы используют спутники (такие, как гамма-обсерватория имени Ферми) и наземные установки, так называемые черенковские телескопы (такие, как H.E.S.S. и MAGIC) для поиска гамма-сигнала от аннигиляции. Космические телескопы могут непосредственно регистрировать гамма-лучи, а наземные наблюдают оптические вспышки, вызванные гамма-квантами в атмосфере. Кроме того, в космических экспериментах PAMELA и AMS исследуются потоки античастиц (в первую очередь позитронов), улавливаемых непосредственно в космосе. Инструмент AMS, разработанный в ЦЕРНе, только недавно установили на Международной космической станции. А PAMELA уже давно работает на борту российского спутника «Ресурс» и выдала крайне интересный результат, связанный с избытком позитронов в сравнении с предсказаниями стандартной модели. Некоторые исследователи как раз и связывают этот избыток с аннигиляцией частиц темной материи, хотя многие с ними не согласны.
2. Природа темной энергии
Возможность ускоренного расширения Вселенной в разных контекстах обсуждается почти сто лет. Но в применении к современной Вселенной об этом стали говорить лишь с 1998 г. Тогда по наблюдениям далеких сверхновых удалось показать, что прямо сейчас Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее. За прошедшие годы факт роста темпа разбегания галактик удалось показать разными независимыми методами, и этот результат не вызывает сомнений. Непонятно только, как его интерпретировать.
Наиболее популярная интерпретация состоит в предположении существования «темной энергии». Это может быть свойством вакуума, может быть каким-то пока неизвестным физическим полем, в том числе и меняющимся со временем. Вопрос о причине ускоренного расширения Вселенной является одним из важнейших для современной науки, поскольку связан с базовыми свойствами картины мира. С точки зрения стандартной картины он сводится к вопросу о природе темной энергии.
Пока основным способом изучения свойств темной энергии является изучение изменения темпа расширения Вселенной со временем. Поэтому основные программы по изучению свойств темной энергии связаны с космологическими наблюдениями и уточнениями космологических параметров. Можно наблюдать далекие сверхновые и по ним определять темп расширения в разные моменты времени. Для этого есть несколько программ на наземных телескопах, а также планируются специальные космические проекты, такие, как инфракрасные телескопы WFIRST (планируемый NASA) и Euclid (который в основном развивает ESA). Кроме этого можно изучать распределение галактик и по параметрам этой так называемой крупномасштабной структуры определять космологические параметры. Наконец, важным объектом стали скопления галактик. Например, изучение эффекта Сюняева—Зельдовича, связанного с рассеянием фотонов реликтового излучения на горячих электронах в скоплениях галактик, также позволяет с высокой точностью определять свойства Вселенной, в том числе и имеющие отношение к темной энергии. Для этого на Земле работают такие установки, как South Pole Telescope (в Антарктиде), Atacama Cosmology Telescope (в сухой пустыне в Южной Америке), а в космос будет запущен российский спутник «Спектр-Рентген-Гамма».
3. Была ли стадия инфляции
В современной космологии собственно Большой взрыв — когда возникает горячая, расширяющаяся, заполненная веществом наша Вселенная — связывают с окончанием стадии инфляции, когда пространство с огромной скоростью расширялось под влиянием особого физического поля, называемого инфлатоном. Это стандартная гипотеза, но существуют и ее конкуренты. К счастью, существуют и некоторые наблюдательные предсказания, способные подтвердить правильность инфляционной модели уже в ближайшее время.
Ожидания связаны в первую очередь с работой спутника «Планк» (Planck). Он изучает так называемое реликтовое излучение, оставшееся нам в наследие от стадии горячей Вселенной. Реликтовое излучение несет в себе отпечаток процессов и условий, царивших во Вселенной на ранних стадиях ее развития. В частности, в некоторых вариантах инфляционной модели поляризация реликтового излучения может дать информацию о первичных гравитационных волнах. Обнаружение таких следов в свойствах реликтового излучения станет серьезнейшим аргументом в пользу справедливости инфляционной модели.
Можно надеяться найти космологические гравитационные волны непосредственным образом. Для этой цели планировалось запустить космический интерферометр LISA, а затем развить этот подход и реализовать проект Big Bang Observer, в котором будет работать несколько систем, подобных LISA. В таких схемах важно очень точно измерять расстояния между спутниками, составляющие десятки миллионов километров. Проходящая гравитационная волна слегка меняет расстояние между спутниками, что и нужно измерить. К сожалению, мировой финансовый кризис сделал эти дорогие проекты трудноосуществимыми в ближайшей перспективе. NASA уже отказывается от участия в проекте LISA из-за его высокой стоимости и необходимости закончить проект следующего космического телескопа (JWST), на который уходит много сил и средств. Big Bang Observer соответственно совсем откладывается.
С проблемой инфляции, определения условий в ранней Вселенной и, возможно, с пониманием самого возникновения Вселенной связаны интересные концепции типа «мира на бране». В таких моделях наш трехмерный мир является лишь «поверхностью» в многомерной Вселенной. Свойства большого внешнего мира влияют на процессы в нашей Вселенной, но обнаружить это очень трудно. К сожалению, совсем не очевидно, что в этой области в ближайшие годы возможен заметный прогресс с точки зрения экспериментов и наблюдений. Кроме того, эти вопросы стоит отнести к сфере фундаментальной физики, а не астрофизики.
Есть и другие задачи, также находящиеся в ведении физиков. Упомянем такую проблему: почему во Вселенной так мало антивещества? Считается, что в какой-то момент во Вселенной появился небольшой (на уровне одной миллиардной) избыток того, что мы теперь называем веществом. Основная доля частиц проаннигилировала, а из остатков сделано всё, что мы видим. Так вот, объяснение этой асимметрии вещества и антивещества — крайне важная задача. Но, на мой взгляд, существенный прогресс здесь в ближайшие 10 лет, во-первых, маловероятен, а во-вторых, если он и произойдет, то главными героями будут не астрофизики.
4. Какими были свойства первых звезд и галактик
Мы многое знаем о свойствах Вселенной спустя 300 тыс. лет после начала расширения, поскольку видим реликтовое излучение. Но потом наступают «темные времена». Первые звезды загораются спустя примерно сотню миллионов лет. Затем постепенно начинают расти первые галактики. Сейчас это лишь сценарий, модель. Требуется еще получить непосредственные наблюдательные данные.
Эта задача довольно сложна с технической точки зрения. Нужно строить гигантские установки, работающие в диапазонах, недоступных с поверхности Земли. Основным астрофизическим проектом NASA, оттянувшим на себя колоссальные средства и силы, является Космический телескоп им. Джемса Вебба (JWST). Как полагают, именно он сможет увидеть «первый свет» во Вселенной (если проект не закроют из-за его все возрастающей стоимости).
Кроме этого, на Земле скоро начнется строительство гигантской системы радиотелескопов — SKA. Главные задачи этого инструмента также будут связаны с космологией и первыми галактиками. Кстати, у России еще есть шанс принять участие в создании установки. Равно как и получить доступ к создаваемой Atacama Large Millimeter Array, которую строит Европейская южная обсерватория. Надо только стать членом этой организации.
Решение основных проблем, связанных с рождением и свойствами первых звезд и галактик, позволит решить еще целый комплекс проблем, связанных с возникновением и ростом сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Зародыши этих монстров могут возникать в результате коллапса первых очень массивных звезд. А могут и прямо в результате коллапса больших облаков газа. Потом они набирают массу вместе с галактиками. Значит, изучив рождение и поведение первых звезд и галактик, мы получим в руки все необходимые данные для понимания эволюции сверхмассивных черных дыр.
5. Природа черных дыр. Наличие горизонта
Все любят черные дыры. Кто-то и боится, но тоже любя. Всем интересно. И первый вопрос: а есть ли они на самом деле?
Основная «необычность» черных дыр связана с тем, что у них нет поверхности. А есть так называемый горизонт событий. Из-под горизонта ничто не может попасть обратно в нашу Вселенную. Если предмет туда провалился, то это уже навсегда. Вот доказательство существования горизонта у так называемых «кандидатов в черные дыры» и является актуальнейшей астрофизической задачей.
Сделать это непросто, хотя и достигнуты существенные успехи в «закрытии» многих моделей, претендовавших на статус альтернативы черным дырам. Тем не менее, важно как можно ближе подобраться к тому, чтобы видеть наблюдательные проявления горизонта. В ближайшем будущем должна появиться интересная возможность.
Уже построено несколько крупных детекторов гравитационных волн, самые крупные из них — это две установки: LIGO в США и Virgo в Италии. Они рассчитаны на регистрацию сигнала от слияний двойных компактных объектов — нейтронных звезд или черных дыр. Такие пары должны возникать из двойных систем, состоящих из двух массивных звезд. Двойные нейтронные звезды мы даже уже открыли — благодаря наблюдениям радиопульсаров. Расчеты показывают, что после монтажа на установках LIGO и Virgo нового оборудования детекторы смогут ежегодно регистрировать несколько слияний двойных черных дыр. А это значит, что мы будем видеть, как горизонт взаимодействует с горизонтом и как колеблется горизонт получившейся в результате слияния черной дыры. Это очень интригующе!
Пока же мы можем изучать черные дыры в аккрецирующих источниках. В них вещество из межзвездной среды или со второй звезды в двойной системе течет в черную дыру, образуя диск. В аккреционном диске газ разогревается до высоких температур, и его можно наблюдать — в основном в рентгеновском диапазоне. Поэтому важно запускать новые рентгеновские обсерватории. К сожалению, и тут финансовый кризис и проблемы с JWST привели к тому, что под вопросом оказался проект Международной рентгеновской обсерватории (IXO), а Европа уже отказалась от амбициозного проекта Simbol-X. Зато будет запущен важный американский рентгеновский спутник NuSTAR. Кроме того, изучение черной дыры в центре нашей галактики активно идет в радио- и миллиметровых диапазонах, в которых Галактика практически прозрачна, значит, мы можем видеть и самые центральные ее области. Будем надеяться и на то, что спутник «Радиоастрон», являющийся основой системы радиоинтерферометров с уникально большим разрешением, внесет свою лепту.
6. Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий
На Земле мы строим гигантские дорогие машины, чтобы разгонять частицы до высоких энергий. Природа имеет какой-то механизм, чтобы делать нечто большее. Примерно раз в год на Землю, на площадь, равную площади крупного города, прилетает по частице с энергией в сто миллионов раз больше, чем максимальная энергия частиц на LHC. Значит, за время существования Земли на нее попало более миллиона миллиардов таких частиц, что, кстати, показывает, что ничего страшного при этом не происходит.
В последние годы удалось показать (в первую очередь благодаря Обсерватории им. Пьера Оже), что подобные частицы прилетают с больших — внегалактических — расстояний. Но пока мы точно не знаем, какие объекты являются источниками (основными подозреваемыми считаются активные ядра галактик), а также не знаем, как частицы ускоряются до таких колоссальных энергий. В первую очередь необходимо достаточно точно измерить направления прихода для достаточно большого количества частиц (а также их энергию). Можно надеяться, что несколько последующих лет работы Обсерватории Оже позволят решить эту задачу.
7. Уравнение состояния нейтронных звезд. Кварковое вещество
Самое плотное вещество в доступной для наблюдений части Вселенной содержится в недрах нейтронных звезд.
Нейтронные звезды — это остатки массивных звезд. После коллапса ядра звезды и взрыва сверхновой остается «шарик» размером около 20 км с массой, превышающей массу Солнца. Средняя плотность такого объекта примерно равна плотности атомного ядра, а в центре превосходит ее раз в десять. В лабораториях мы не можем изучать такое состояние вещества, а потому плохо понимаем законы, его описывающие. И это уже не какая-то далекая астрофизическая проблема — это «пробел» в ядерной физике, который хочется заполнить.
Одна из интригующих возможностей связана с гипотезой о кварковом веществе. Возможно, что при очень высокой плотности материя переходит в новое состояние, когда кварки уже не заперты внутри протонов, нейтронов или других частиц. Если кварковое вещество есть в недрах нейтронных звезд, то при их слиянии, когда «клочки летят по закоулочкам», в межзвездное пространство выбрасываются комочки кваркового вещества — страпельки. Их можно пытаться поймать, например, изучая космические лучи.
Таким образом, есть два направления в астрофизических исследованиях, которые могут рассказать нам, как ведет себя очень-очень плотное вещество. Это либо исследования нейтронных звезд (в основном в рентгеновском диапазоне), при которых одновременно точно измерят массу и радиус искомого объекта, либо поиск страпелек с помощью аппаратов типа AMS. Надежд что-то поймать не так много, но они есть.
8. Механизм взрыва сверхновых
Массивные звезды заканчивают свою жизнь в результате взрыва. Исчерпав запасы термоядерного топлива, их внутренности начинают сжиматься, что заканчивается колоссальным выделением энергии. На короткое время звезда становится ярче целой галактики.
Взрыв сверхновой — это страшно интересно. Там очень сложная физика. Расчеты пока не позволяют толком разобраться в механизме этих катаклизмов. А хочется. Почти все атомы тяжелее железа образовались именно в результате таких взрывов. То есть в нас самих, дорогие читатели, есть немало атомов, побывавших в пламени вспышки сверхновой.
Мы видим много вспышек сверхновых и пользуемся этим, например, для определения расстояний в космологии. Но вот поймать сигнал из самых недр взрывающейся звезды очень трудно. Единственный способ — ловить нейтрино. Лишь однажды, в 1987 г., когда вспышка произошла в близкой карликовой галактике — Большом Магеллановом облаке, удалось поймать несколько таких частиц. Но это слишком мало, чтобы сильно продвинуться в решении загадки. Сейчас построено несколько крупных детекторов для поиска астрофизических нейтрино. Оптимисты полагают, что установка IceCube в Антарктиде или какие-то ее конкуренты (например, европейский морской проект ANTARES у побережья Франции) смогут в ближайшие годы зарегистрировать несколько десятков нейтрино от какой-нибудь вспышки сверхновой в не очень далекой галактике.
9. Количество планет земного типа в зоне обитания
Колоссальный, самый быстрый прогресс в астрофизике мы видим в изучении экзопланет, т. е. планет около других звезд. Счет им идет на сотни, хотя первую открыли менее 20 лет назад. А скоро благодаря работе спутника «Кеплер» (Kepler) счет пойдет на тысячи. В ближайшие годы в принципе можно рассчитывать на обнаружение в зоне обитания (там, где на поверхности планет может существовать вода в жидком виде) у звезды, похожей на Солнце, планеты типа Земли, да еще и с кислородной атмосферой. Вероятно, для надежного результата потребуется ввести в строй следующие поколения спутников и телескопов, но и тут речь идет максимум о ближайших 15–20 годах.
Уже сейчас мы можем открывать планеты с земной массой в зонах обитания у солнцеподобных звезд.
А в ближайшие годы мы получим как минимум неплохую статистику по земноподобным планетам в зонах обитания. Для этого не нужны даже новые инструменты: спутника «Кеплер» и имеющихся наземных телескопов вполне достаточно.
10. Аномалия «Пионеров» и пролетные аномалии
Существует загадка, связанная с поведением некоторых искусственных спутников. Наиболее известна так называемая «аномалия «Пионеров»», однако есть и другие.
Американские космические аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11», покидающие Солнечную систему, замедляются слегка сильнее, чем следует из расчетов. Уже много лет идут споры, что является тому причиной. Кроме того, несколько аппаратов (NEAR, Rosetta, Galileo) приобрели «лишнюю» скорость после гравитационных маневров около Земли. Часто две эти проблемы объединяют вместе: есть, скажем, основания полагать, что у «Пионеров» эффект появился после маневра в гравитационном поле Сатурна.
Наиболее консервативное объяснение поведения «Пионеров» состоит в рассмотрении неучтенного асимметричного теплового излучения самого аппарата (и устройств на нем). Периодически появляются работы, в которых авторы демонстрируют, какую часть эффекта удается так объяснить. Последняя статья такого рода появилась в апреле 2011 г. Но другие пролетные аномалии она не объясняет.
Возможно, понадобятся специальные спутники или модификации планируемых аппаратов, которые помогут внести ясность. Например, информацию могут дать маневры аппаратов Juno и BepiColombo, которые будут запущены в ближайшее время, а также данные со станции New Horizons, которая сейчас летит к окраинам Солнечной системы. Скорее всего, никакой экзотики («новой физики») для объяснения эффектов не понадобится, но кто знает?
Мы рассмотрели десятку астрофизических загадок и перечислили наблюдательные задачи, которые могут стать ключевыми в поиске ответов. Разумеется, были названы и некоторые наблюдательные проекты и программы, в рамках которых эти результаты могут быть получены. Однако этим всё, конечно, не ограничивается. Во-первых, есть множество более частных проблем, которые, тем не менее, очень важны. Астрофизика — захватывающая и быстро развивающаяся наука. Поэтому не только проблемы из «второй десятки», но, возможно, и из третьей сотни заслуживают внимания. Кроме того, очень многие частные проблемы так или иначе связаны с большими ключевыми задачами, для решения которых нужен комплексный подход (люди строят Шартрский собор, а не просто доски пилят). Во-вторых, список, конечно же, очень субъективен. В-третьих, в список не попали интересные загадки, которые, по мнению автора, вряд ли будут решены в ближайшее время. К ним, например, относятся поиски экзотических объектов, таких, как первичные черные дыры или космические струны. Наконец, мы сознательно избегали проблем в духе «что было, когда ничего не было» и «как выглядит сингулярность в черной дыре». С наблюдательной точки зрения к ним трудно подступиться, да и без них интересного хватает.[Исправлено: ВикРев, 25.11.2011 20:48]

мда

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Геология

25.11.2011 20:40

Алексей Иванов, «Троицкий вариант» №8(77), 26 апреля 2011 г.

Возраст Земли впервые определен в 1956 г. по соотношению различных изотопов свинца в двух железных и трех каменных метеоритах. Линия в координатах ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb — ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, проходящая через эти метеориты, определяет возраст и называется геохроной. Средний состав земной коры лежит на геохроне, указывая на то, что возраст Земли близок возрасту метеоритов. Самые древние минералы метеоритов имеют возраст ~4,6 млрд лет, а самые древние минералы Земли — возраст ~4,4 млрд лет.

На ранней стадии существования Протоземли происходило объемное плавление. При этом железо мигрировало к центру под действием сил гравитации, что привело к формированию ядра за менее чем 30 млн. лет существования Земли. Кроме железа в ядре присутствует до 15% более легких элементов, наиболее вероятно, никеля, кремния и кислорода. Внешнее ядро — жидкое, внутреннее — твердое. Конвекция (перемешивание) в жидком металлическом ядре генерирует магнитное поле Земли (так называемое геодинамо).

Валовый элементный состав Земли соответствует хондритовым метеоритам. Мантия обогащена кремнием относительно исходного состава Земли, а кора обогащена кремнием относительно мантии. Значительная часть коры, главным образом на континентах, сложена богатыми кремнием породами — гранитами. Граниты встречаются и на других планетах, на Луне и астероидах, однако там они крайне редки.

Мантия находится в твердом состоянии. При этом мантийное вещество медленно перемещается — конвектирует так, что на промежутках времени в миллионы лет мантию можно моделировать как очень вязкую жидкость. Тектоника плит — свидетельство конвекции. Максимально известные скорости движения плит составляют порядка 20 см/год.

В срединно-океанических хребтах за счет вулканизма непрерывно образуется новая океаническая кора — идет спрединг океанического дна, а в зонах субдукции океаническое дно уходит обратно в мантию, что позволяет объему Земли оставаться практически неизменным. Однако ее внешний вид со временем меняется: литосферные плиты постепенно реорганизуются — соединяются в единое целое, разделяются на части, появляются новые плиты и исчезают старые.

Большинство вулканов (как и землетрясений) локализовано по границам больших и малых литосферных плит. При вулканическом процессе породы источника плавятся только частично. В зависимости от степени частичного плавления, температуры, наличия флюидной фазы, ее состава, а также состава плавящегося вещества, на поверхность могут изливаться магмы самого разнообразного состава. Доминируют силикатные магмы, среди которых преобладают базальты. Встречаются очень экзотичные магмы — такие как, например, натровые карбонатиты, состоящие из соды (Na₂CO₃) и других карбонатов.

Подавляющее количество землетрясений происходит в пределах хрупкой коры, мощность которой на континентах составляет в среднем ~40 км, а в океанах — 10 км. Однако в зонах субдукции землетрясения происходят и на большей глубине, вплоть до ~700 км.

Энергия радиоактивного распада изотопов ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th и ⁴⁰K дает не менее половины тепловыделения Земли. Уран, торий и калий сосредоточены, главным образом, в континентальной коре. Примерно 1,8 млрд лет назад в Африке действовал природный ядерный реактор «Окло».
Первые живые организмы на Земле появились по крайней мере 3,46 млрд лет назад. Расцвет организмов с твердым скелетом начался много позже — 545 млн лет назад. После этого жизнь была почти на грани исчезновения 5 раз во время так называемых массовых вымираний. Длительность вымираний была очень короткая в геологическом масштабе времени (миллионы лет или меньше).
Текущие климатические изменения (потепление ~1° за столетие) являются лишь небольшой флуктуацией на фоне климатических изменений в геологическом прошлом. На Земле неоднократно были гораздо более теплые и существенно более холодные, чем сейчас, периоды времени. Однако современная цивилизация развилась в течение последнего периода относительно стабильного климата, и прошлые, более масштабные пертурбации ее не затрагивали.

мда

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Радиоактивность

26.11.2011 12:17

Владислав Кобычев, «Троицкий вариант» №9(78), 10 мая 2011 года

Явление радиоактивности (спонтанного превращения атомных ядер в другие ядра с выделением энергии) было открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем 115 лет назад. Правда, в то время о существовании ядер еще не догадывались и под радиоактивностью понимали самопроизвольное испускание некоторыми веществами лучей, вызывающих потемнение фотопластинок и свечение люминофоров. Затем выяснилось, что радиоактивность связана с трансмутацией атомов, но лишь в 1911 г., когда Эрнест Резерфорд ввел ядерную модель атома (так что сейчас можно отмечать столетие открытия атомного ядра), понятие о радиоактивности в смысле вышеприведенного определения приобретает завершенность.

Вкратце объясним несколько встречающихся ниже терминов.
Нуклид (почти синоним: изотоп) — разновидность ядер, определяемая количеством протонов и нейтронов.
Массовое число — общее количество нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре.
Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом, различающиеся по числу протонов, т. е. заряду ядра.
Промежуток времени, за которое распадается половина изначально взятых ядер данного нуклида, называется периодом полураспада, T_½. Время жизни ядра в среднем в 1,44 раза больше, чем T_½.

Радиоактивность — внутриядерный процесс, электронная оболочка атома играет второстепенную роль. Влияние внешних факторов на скорость распада ничтожно. Из всех типов радиоактивности лишь для электронного захвата было обнаружено слабое (< 1%) изменение скорости распада при «лабораторных» давлениях и температурах, так как вероятность е-захвата зависит от плотности электронной оболочки вблизи ядра, которая в свою очередь слегка зависит от давления, температуры и химического окружения атома. Лишь в крайне жестких условиях (полная ионизация) происходит существенное изменение скорости некоторых β-распадов.

Радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону: за одно и то же время количество ядер данного типа уменьшается в одно и то же количество раз. Ядра не стареют: через миллиард лет существования шансы ядра распасться в следующую секунду будут точно такими же, как и в первую секунду после его образования. Постоянство скорости распада лежит в основе методов изотопной геохронологии.

Существует несколько типов радиоактивного распада; нуклид может быть стабильным, распадаться по одному или нескольким конкурирующим каналам (так, уран-238 обычно испытывает α-распад, но изредка распадается и по каналам спонтанного деления и ββ-распада). Если дочернее ядро тоже радиоактивно, цепочка распадов продолжается до стабильного ядра.

Все типы радиоактивности разбиваются на три группы. Распады первой группы разделяют ядро на две (или больше) системы нуклонов. Это α-распад (эмиссия α-частицы, ядра гелия-4), спонтанное деление (развал тяжелых ядер на два, редко три осколка близкой массы) и кластерный распад — эмиссия ядром достаточно легких (но тяжелее α-частицы) ядер. У искусственных радионуклидов обнаружена также одно- и двухнуклонная радиоактивность.

Вторая группа — β-процессы. В них ядро не теряет нуклонов, но изменяет заряд, смещаясь по изобарной цепочке к «долине β-стабильности». При β⁻-распаде один из нейтронов становится протоном, излучая электрон (его в этом случае называют β-частицей) и антинейтрино. Обратный процесс, когда протон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино, называется β⁺-распадом. Он всегда конкурирует с е-захватом (вместо излучения позитрона захватывается электрон из атомной оболочки); при энергии распада < 1,022 МэВ β⁺-распад запрещен, происходит лишь e-захват. Крайне редкие двойные β-процессы (ββ) меняют заряд ядра на две единицы; такие распады пока обнаружены лишь для десятка нуклидов, все с временем жизни ≥ 10¹⁹ лет.

К третьей группе относятся изомерные переходы: ядро перестраивается, не меняя ни массовое число, ни заряд. Выделяемая энергия уносится электроном оболочки (внутренняя конверсия) или γ-квантом.

Время жизни радионуклидов лежит в очень широких пределах. Распад 4H на ядро трития и нейтрон протекает в среднем за 10^–22 с, а ββ-распад ¹²⁸Te — за 5∙10²⁴ лет. Типичная энергия распада — от единиц килоэлектрон-вольт (некоторые β-распады) до сотен мегаэлектрон-вольт (деление). При прочих равных условиях большее энерговыделение означает меньшее время жизни.

Многие природные изотопы теоретически нестабильны по отношению к различным видам распада, но радиоактивность экспериментально обнаружена лишь у некоторых из них. Так, недавно выяснилось, что единственный природный изотоп висмута (²⁰⁹Bi, считавшийся самым тяжелым стабильным ядром) α-активен с T_½= 2∙10¹⁹ лет.

За 4,6 млрд лет, прошедших с момента нуклеосинтеза (взрыва сверхновой, внесшего тяжелые нуклиды в протосолнечную туманность незадолго до формирования Солнечной системы), из первых 92 элементов таблицы Менделеева два — технеций и прометий — практически полностью «вымерли», как и все элементы за ураном. Из 90 элементов, оставшихся на Земле, не менее двадцати пяти содержат долгоживущие радионуклиды. Дожить до наших дней смогли лишь 288 нуклидов, стабильных или радиоактивных с T_½ ≥ 0,7 млрд лет.

Природная радиоактивность, кроме долгоживущих, обусловлена и короткоживущими ядрами — космогенными и радиогенными; первые возникают в реакциях с космическими лучами (например, углерод-14), вторые — при распаде других ядер (например, изотопы радона). На реакторах и ускорителях получено более трех тысяч искусственных радионуклидов, продуктов различных ядерных реакций.

мда

Калликанзарид

Профиль удален

4-мерная евклидова геометрия и геометрия комплексной плоскости C^2

30.11.2011 15:23

http://www.dimensions-math.org/Dim_regarder_RU.htm
Доступные пояснения и наглядные демонстрации геометрии платоновых тел в размерностях 3 и 4 и комплексной геометрии. Всего 9 видео в одном плей-листе блипа, есть также сопровождающие статьи.

Распространяется по лицензии CC-BY-NC-ND:

Также есть описания глав:
http://www.dimensions-math.org/Dim_chap_RU.htm

Текст первой, разминочной главы:

Спойлер:

Я рекомендую читать описания на сайте, так как я опускаю большую часть гиперссылок (на Википедию) и не могу так же хорошо отформатировать текст.[Исправлено: 03.12.2011 16:22]
[Исправлено: 03.12.2011 16:21]
[Исправлено: 03.12.2011 16:20]
[Исправлено: 30.11.2011 15:24]

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Радиация и защита от нее

16.02.2012 17:02

Игорь Егоров, Алексей Водовозов «Популярная механика» №1, 2012

Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Заряженное оружие
Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.
Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.
Альфа-изучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность у альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.

Нейтральная опасность
Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).
В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).

Газоразрядные счетчики
Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера–Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.
Ионизационные камеры и пропорциональные счетчики позволяют определить энергию, которую передала газу каждая частица. Счетчик Гейгера–Мюллера только считает частицы, зато показания с него очень легко получать и обрабатывать: мощность каждого импульса достаточна, чтобы напрямую вывести ее на небольшой динамик! Важная проблема газоразрядных счетчиков — зависимость скорости счета от энергии излучения при одинаковом уровне радиации. Для ее выравнивания используют специальные фильтры, поглощающие часть мягкого гамма- и всё бета-излучение. Для измерения плотности потока бета- и альфа-частиц такие фильтры делают съемными. Кроме того, для повышения чувствительности к бета- и альфа-излучению применяются «торцевые счетчики»: это диск с донышком в качестве одного электрода и вторым спиральным проволочным электродом. Крышку торцевых счетчиков делают из очень тонкой (10–20 мкм) пластинки слюды, через которую легко проходит мягкое бета-излучение и даже альфа-частицы.

Полупроводники и сцинтилляторы
Вместо ионизационной камеры можно использовать полупроводниковый датчик. Простейшим примером служит обычный диод, к которому приложено запирающее напряжение: при попадании ионизирующей частицы в p-n-переход она создает дополнительные носители заряда, которые приводят к появлению импульса тока. Чтобы повысить чувствительность, используют так называемые pin-диоды, где между слоями p- и n-полупроводников есть относительно толстый слой нелегированного полупроводника. Такие датчики компактны и позволяют измерять энергию частиц с высокой точностью. Но объем чувствительной области у них мал, а потому чувствительность ограничена. Кроме того, они куда дороже газоразрядных.
Еще один принцип — подсчет и измерение яркости вспышек, которые возникают в некоторых веществах при поглощении частиц ионизирующего излучения. Увидеть невооруженным глазом эти вспышки нельзя, но специальные высокочувствительные приборы — фотоэлектронные умножители — на это способны. Они даже позволяют измерять изменение яркости во времени, что характеризует потери энергии каждой отдельной частицей. Датчики на этом принципе называют сцинтилляторными.

Щит от радиации
Для защиты от гамма-излучения наиболее эффективны тяжелые элементы, такие как свинец. Чем больше номер элемента в таблице Менделеева, тем сильнее в нем проявляется фотоэффект. Степень защиты зависит и от энергии частиц излучения. Даже свинец ослабляет излучение от цезия-137 (662 кэВ) лишь в два раза на каждые 5 мм своей толщины. В случае кобальта-60 (1173 и 1333 кэВ) для двукратного ослабления потребуется уже более сантиметра свинца. Лишь для мягкого гамма-излучения, такого как излучение кобальта-57 (122 кэВ), серьезной защитой будет и достаточно тонкий слой свинца: 1 мм ослабит его раз в десять. Так что противорадиационные костюмы из фильмов и компьютерных игр в реальности защищают лишь от мягкого гамма-излучения.
Бета-излучение полностью поглощается защитой определенной толщины. Например, бета-излучение цезия-137 с максимальной энергией 514 кэВ (и средней 174 кэВ) полностью поглощается слоем воды толщиной в 2 мм или всего 0,6 мм алюминия. А вот свинец для защиты от бета-излучения использовать не стоит: слишком быстрое торможение бета-электронов приводит к образованию рентгеновского излучения. Чтобы полностью поглотить излучение стронция-90, нужно менее 1,5 мм свинца, но для поглощения образовавшегося при этом рентгеновского излучения требуется еще сантиметр!
От внешнего альфа-облучения защититься проще всего: для этого достаточно листа бумаги. Впрочем, большая часть альфа-частиц не проходит в воздухе и пяти сантиметров, так что защита может потребоваться разве что в случае непосредственного контакта с радиоактивным источником. Куда важнее защититься от попадания альфа-активных изотопов внутрь организма, для чего используется маска-респиратор, а в идеале — герметичный костюм с изолированной системой дыхания.
Наконец, от быстрых нейтронов лучше всего защищают богатые водородом вещества. Например, углеводороды, самый лучший вариант — полиэтилен. Испытывая столкновения с атомами водорода, нейтрон быстро теряет энергию, замедляется и вскоре становится неспособен вызывать ионизацию. Однако такие нейтроны все еще могут активировать, то есть преобразовывать в радиоактивные, многие стабильные изотопы. Поэтому в нейтронную защиту часто добавляют бор, который очень сильно поглощает такие медленные (их называют тепловыми) нейтроны. Увы, толщина полиэтилена для надежной защиты должна быть как минимум 10 см. Так что она получается ненамного легче, чем свинцовая защита от гамма-излучения.

Таблетки от радиации
Человеческий организм более чем на три четверти состоит из воды, так что основное действие ионизирующего излучения — радиолиз (разложение воды). Образующиеся свободные радикалы вызывают лавинный каскад патологических реакций с возникновением вторичных «осколков». Кроме того, излучение повреждает химические связи в молекулах нуклеиновых кислот, вызывая дезинтеграцию и деполимеризацию ДНК и РНК. Инактивируются важнейшие ферменты, имеющие в своем составе сульфгидрильную группу — SH (аденозинтрифосфатаза, сукциноксидаза, гексокиназа, карбоксилаза, холинэстераза). При этом нарушаются процессы биосинтеза и энергетического обмена, из разрушенных органелл в цитоплазму высвобождаются протеолитические ферменты, начинается самопереваривание. В группе риска в первую очередь оказываются половые клетки, предшественники форменных элементов крови, клетки желудочно-кишечного тракта и лимфоциты, а вот нейроны и мышечные клетки к ионизирующему излучению довольно устойчивы.
Препараты, способные защитить от последствий облучения, стали активно разрабатываться в середине XX века. Более-менее эффективными и пригодными для массового использования оказались лишь некоторые аминотиолы, такие как цистамин, цистеамин, аминоэтилизотиуроний. По сути они являются донорами SH-групп, подставляя их под удар вместо «родных».

Радиация вокруг нас
Чтобы столкнуться с радиацией «лицом к лицу», аварии вовсе не обязательны. Радиоактивные вещества широко применяются в быту. Природной радиоактивностью обладает калий — очень важный для всего живого элемент. Из-за малой примеси изотопа K-40 в природном калии «фонит» диетическая соль и калийные удобрения. В некоторых старых объективах использовалось стекло с примесью оксида тория. Этот же элемент добавляют в некоторые современные электроды для аргоновой сварки. До середины ХХ века активно использовали приборы с подсветкой на основе радия (в наше время радий заменили на менее опасный тритий). В некоторых датчиках дыма используется альфа-излучатель на основе америция-241 или высокообогащенного плутония-239 (да-да, того самого, из которого делают ядерные бомбы). Но волноваться не стоит — вред здоровью от всех этих источников значительно меньше вреда от беспокойства по этому поводу.

Сфера из плутония-238 светится в темноте, подобно одноваттной лампочке. Плутоний токсичен, радиоактивен и невероятно тяжел: один килограмм этого вещества умещается в кубике со стороной 4 см.

мда

ВикРев
ибо воистену

Модератор

Гарант (15)
18108 сообщений

Цитология

13.06.2012 15:38

Евгений Шеваль, НИИ ФХБ им. Белозерского, МГУ
«Троицкий вариант» №4(98), 28 февраля 2012 года

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самостоятельному существованию. Наиболее ярко эта особенность проявляется в случае одноклеточных, у которых клетка тождественна целому организму и способна осуществлять все функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности и передачи генетической информации из поколения в поколение.

Многоклеточные организмы состоят из большого числа клеток, которые дифференцированы таким образом, чтобы выполнять разные функции наиболее эффективным образом. При этом только некоторые клетки участвуют в передаче генетической информации в ряду поколений, остальные же (и их большинство) только обеспечивают жизнедеятельность организма.

Любая клетка отграничена от окружающего пространства полупроницаемой плазматической мембраной, позволяющей поддерживать специфичность и постоянство химического состава клетки.

Существует два типа клеток — прокариотические и эукариотические. Геном прокариот обычно представлен кольцевой молекулой ДНК (кольцевой хромосомой), причем генетический материал ничем не отделен от цитоплазмы. К прокариотам относятся бактерии и археи. Геном в клетках эукариот представлен не замкнутыми в кольцо линейными хромосомами, которые отделены от цитоплазмы специализированной мембранной структурой — ядерной оболочкой. Это позволяет пространственно разделить процессы транскрипции (синтеза РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белка на матрице РНК).

Подобно тому как человеческий организм образован отдельными органами, эукариотическая клетка содержит обособленные субструктуры — органеллы. Большинство цитоплазматических органелл окружено мембранами, которые обеспечивают возможность создания специфического химического состава внутри органеллы, необходимого для реализации выполняемой функции. Перенос белков из одной органеллы в другую позволяет последовательно осуществлять многоступенчатые биохимические преобразования в строго заданном порядке.

Важнейшую роль в обеспечении жизнедеятельности эукариотических клеток играют двумембранные структуры — митохондрии и пластиды (у растений). Эти органеллы содержат собственный геном, образованный кольцевой молекулой ДНК. Собственный геном кодирует небольшое число различных РНК; основная часть белков митохондрий и пластид закодирована в ядерном геноме. Главная функция митохондрий состоит в осуществлении кислородного дыхания, основная функция наиболее важной разновидности пластид (хлоропластов) — фотосинтез. По-видимому, как митохондрии, так и пластиды являются потомками бактерий, вступивших в симбиоз с предками эукариотических клеток и утерявших способность к автономному существованию.

В отличие от цитоплазматических органелл, субструктуры ядра не окружены мембранами, и поэтому большая часть белков постоянно обменивается между доменами, внутри которых они функционируют, и остальным объемом ядра. Большинство субструктур ядра формируется на основе определенных районов генома, выступающих в качестве своеобразных затравок для начала формирования структур.

Трансляция (синтез белка на матрице РНК) осуществляется специализированными цитоплазматическими рибонуклео-протеидными комплексами — рибосомами. Рибосомы прокариот, митохондрий и пластид имеют несколько меньший размер по сравнению с рибосомами эукариот.

Важным компонентом цитоплазмы эукариотических клеток является цитоскелет, который выполняет множество различных функций — поддержание упорядоченности трехмерной организации цитоплазмы, транспорт органелл по цитоплазме, движение клетки, разделение хромосом в митозе и т. д.

Деление клеток эукариот (митоз), в результате которого из одной родительской клетки образуется две дочерние, включает в себя два основных события — расхождение предварительно удвоившихся хромосом и разделение цитоплазмы (цитотомия). Известно несколько различных вариантов митоза.

мда