Футуристическая ручная пушка по мотивам Deus Ex: Mankind Divided
Колин Ферз, сантехник и изобретатель-самоучка, ставший всемирно известным благодаря своим безумным проектам, наконец завершил создание многоствольной ручной пушки. Надо признать, итоговый результат представляет из себя действительно впечатляющее зрелище!
«Оружие будущего», имитирующее (в некоторой степени) боевой протез главного протагониста игры «Deus Ex: Mankind Divided» Адама Дженсена, выглядит очень грозно. Зловещая механическая конструкция, которая крепится на предплечье, испускает во все стороны дым и стреляет пиротехническими зарядами, с шипением исторгающими из дула яркие вспышки огня. Этот протез позволяет метать острые ножи при помощи пневматического механизма, а также выстреливает ракетами и ослепляющими снарядами на расстояние нескольких метров. В самом крайнем случае тяжелую металлическую конструкцию можно весьма эффективно использовать в качестве оружия ближнего боя!
Почему человечество страдает от кариеса, и можно ли с этим бороться
В том, что зубы атаковала стойкая и трудно уничтожаемая инфекция, отчасти виновато само человечество. Сегодня большинство стоматологов придерживаются версии о том, что кариесогенная бактерия — Streptococcus mutans — перекочевала в ротовую полость из желудка 10−15 тысяч лет назад, когда первые племена наших предков перешли на земледелие и скотоводство, забросив охоту, и начали потреблять меньше белков (мяса) и больше углеводов (злаков, овощей и молочных продуктов). Как ни удивительно, инфекционную природу кариеса удалось достоверно установить менее полувека назад.
Бактерии, ответственные за развитие кариозного процесса, были определены в начале XX века. Но, помимо инициатора начальной стадии кариеса, S. mutans, среди «провокаторов» ученые позднее обнаружили также несколько других видов стрептококков и лактобактерий, продолжающих процесс, и, кроме того, вид актиномицетов, ответственный за кариес корня зуба. То, что причиной неприятной болезни являются именно стрептококки, вполне логично. Микробы этого рода тысячелетиями присутствуют в пищеварительной системе человека и животных, обычно не причиняя никакого вреда.
Для поддержания собственной жизни стрептококки используют углеводы нашей пищи, разлагая их с рекордной по сравнению с другими бактериями скоростью и оставляя после этого спирты, альдегиды или кислоты. С появлением больших городов и общественного питания кариозная бактерия захватывала все больше «ртов», а триумфа стрептококк достиг после промышленной революции, когда рафинированный сахар, лимонады и другие продукты с высоким содержанием сахарозы — идеального для быстрой ферментации углевода — стали дешевыми и доступными. Именно тогда зубной налет превратился для кариесогенных микробов в идеальную среду для паразитизма.
Механизм разрушения
Чтобы понять, как появляется кариес, прежде всего нужно знать, что эмаль зубов примерно на 95% состоит из минерала — гидроксиапатита кальция Ca10 (PO4)6 (OH)2. Его шестиугольные кристаллы объединяются в призмы и обеспечивают прочность костей и зубов. Эмаль только одного резца содержит около 5 млн минеральных призм.
Как и все гидроксильные («щелочные») минералы, гидроксиапатит разрушается под действием кислот. Происходит это из-за нарушения пресловутого кислотно-щелочного баланса, известного всем по рекламе жевательных резинок. Когда в рот попадает кислота, например с глотком вина, наш организм пытается ее нейтрализовать, и кальций из эмали перекочевывает в слюну. А без кальция минеральные призмы рушатся как карточные домики. Если процесс повторяется, кислоты атакуют расположенный под эмалью дентин. Тогда в зубе появляется кариозная полость — каверна.
Особенно «страшны» простые органические кислоты, такие как уксусная, молочная и лимонная. Поэтому, когда мы пьем вино или едим апельсин, эмаль наших зубов обречена на частичное разрушение. Но кислоты появляются во рту и без апельсинов. Стрептококки зубного налета питаются углеводами, которые мы едим, а побочным продуктом их ферментации являются как раз агрессивные кислоты. Чем проще углевод, тем быстрее из него образуется кислота. А это значит, что чем чаще мы едим простые углеводы (глюкозу, фруктозу, сахарозу), тем больше прогрессирует кариес.
Приблизительно механизм развития этой болезни описал американский ученый-стоматолог Уиллоби Миллер еще в конце XIX века, назвав его химико-паразитической теорией. Это означает, что, с одной стороны, появление кариеса — процесс химический, но без микробов-паразитов он бы не был таким масштабным или бы вовсе нейтрализовывался. Как утверждает заведующая кафедры профилактики кариеса МГСУ Эдит Кузьмина, в появлении кариеса виноваты три причины: зубной налет с бактериями, углеводистая пища и слабая устойчивость зубной эмали.
Это значит, что может быть только три способа борьбы с кариесом: есть как можно меньше простых сахаров (легко ферментируемых углеводов), сделать зубную эмаль более устойчивой к разрушению и, наконец, избавить зубы от налета, в котором прячутся стрептококки.
Горькая сладкая правда
Конечно, о том, что «от сладкого портятся зубы», люди знали давно, но доказать роль диеты в появлении кариеса удалось, только когда в ходе многочисленных независимых экспериментов было установлено, что стрептококки присутствуют в зубном налете и у людей, свободных от кариеса. Первый шаг в доказательстве «вины» сахара сделал датский профессор Фредерик фон дер Фер из Королевского стоматологического колледжа в Орхусе. В 1970 году фон дер Фер провел эксперимент, в котором группа добровольцев с хорошим состоянием зубной эмали полностью исключали гигиену рта — не чистили и не полоскали зубы после еды.
Половина из них также несколько раз в день полоскала рот 50%-ным раствором сахарозы. Отсутствие гигиены увеличивало число бактерий в зубном налете, однако при сравнении состояния зубов тех, кто полоскал рот сладким раствором, с контрольной группой были обнаружены более явные признаки кариеса — деминерализация эмали и появление на ней пятен.
Если раньше, например, в не столь отдаленном XVIII веке, сахар был дорогим продуктом и появлялся в рационе далеко не каждого, то теперь, согласно стоматологическим опросам, большинство людей в России и многих других странах едят сладкое ежедневно. Как отмечает Эдит Кузьмина, важно не столько количество съеденного за раз сладкого, сколько частота его потребления.
В идеале стоматологи советуют есть сладкое как можно реже и заменять ферментируемые сахара — глюкозу, сахарозу и фруктозу — сорбитом, маннитом и ксилитом. Эти многоатомные спирты имеют сладкий вкус и часто используются как сахарозаменители (например, при диабете), а кариозные стрептококки просто не могут их утилизировать. Натуральный ксилит содержится в клубнике и моркови. А если отказаться от сладкого все же не получается, то лучше есть его не «в одиночку», а вместе с другой пищей — это снижает кариесогенность. Те же кислые яблоки, например, требуют обильного отделения слюны, а она разбавляет и, имея щелочную реакцию, частично нейтрализует кислоту, образующуюся во рту после ферментации сахарозы и глюкозы.
Двуликий фторид
Если первый способ борьбы с кариесом — отказаться от сладкого — подходит не всем, то сделать эмаль зубов более устойчивой к кислотам куда проще. На сегодня единственным всемирно признанным и самым эффективным способом укрепления эмали все еще остается фторирование.
Впервые массово добавлять фториды в молоко для профилактики кариеса стали в школах и детских садах Швейцарии в 1953 году. Спустя 60 лет 95% зубных паст в мире содержат фториды. Если вы прочитаете состав своей зубной пасты, то, скорее всего, найдете в ней фторид натрия, монофторфосфат или аминофторид. А может быть, фторидов будет несколько. Механизм, с помощью которого все эти вещества помогают защищать зубы от кариеса, очень прост. Ионы фтора внедряются в кристаллическую решетку минеральных призм эмали, после чего ее растворимость в кислотах снижается.
С другой стороны, именно из-за фторидов зубную пасту рекомендуется использовать в количестве величиной с горошину, а не колбаски длиной во всю щетину зубной щетки, как показывают в телевизионной рекламе. Основная причина этого — опасность флюороза, или пересыщения эмали фтором.
Коварство фтора заключается в том, что, если его слишком много, он превращает гидроксиапатит эмали в другой, более хрупкий минерал, и зубы начинают буквально рассыпаться. При этом фториды могут поступать в организм не только с зубной пастой — достаточно просто вдыхать их. Например, у людей, живущих рядом с активными вулканами и заводами, производящими плавиковую кислоту, флюороз встречается втрое чаще: вулканический пепел и отходы производств содержат фториды. Впервые об этом эффекте «передозировки» фтора рассказал еще римский поэт Марк Марциалл, описав зубы наложницы Александра Македонского как «крапчатые».
Чтобы сохранить зубы и избежать их разрушения от избытка фтора, достаточно просто следовать «правилу горошины» и не чистить зубы слишком часто — двух-трех раз в день вполне достаточно. У фторирования есть ярые противники, утверждающие, что зубная паста и обогащенное фторидом молоко — его можно купить и в России — вызывают целый букет опасных болезней вплоть до злокачественных опухолей. Но такие утверждения не подкреплены никакими достоверными данными. Да, фтор и его соединения — действительно ядовитые вещества.
Но здесь все дело в концентрациях: еще Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм), великий медикус и алхимик эпохи Возрождения, сформулировал афоризм, не потерявший актуальности за прошедшие пять веков: «Все есть яд и все есть лекарство; тем или иным его делает только доза». Чтобы отравиться фтором, нужно буквально съедать несколько тюбиков зубной пасты каждый день. Что касается молока с фторидом натрия, его суточная норма — стакан (200 мл), как указано на упаковке.
Впрочем, у зубных паст с фторидами есть альтернатива. Прежде всего, пасты без фтора, укрепляющие эмаль за счет кальция или целых минеральных молекул — искусственного гидроксиапатита, предназначенные для детей, часто глотающих пасту, и людей, живущих в зоне риска.
Вакцина от кариеса
Изобрести вакцину от кариеса, заставив организм убивать болезнетворных стрептококков, — заветная мечта многих ученых. Ближе всего к избавлению человечества от звуков бормашины подошли китайские исследователи из Института вирусологии в Вухэне. В 2011 году они объявили об успешном испытании на крысах комбинированной ДНК-вакцины. Суть ее в том, что помимо ДНК самого стрептококка она содержит также и нуклеиновую кислоту другой бактерии — сальмонеллы. На сальмонеллу иммунитет реагирует активнее, расправляясь заодно и с кариесогенным стрептококком.
Но даже если прививка от кариеса и появится в арсенале стоматологов, вряд ли мы сможем забыть о пломбах и зубных протезах. Как объясняет один из ведущих эпидемиологов в мире, Дэниэл Смит из бостонского Института Форсайта, вакцина будет действительно эффективна, только если прививать ее детям в возрасте от года до двух — когда появляются первые молочные зубы, но зубной налет — сообщество бактерий — еще не успевает сформироваться.
У вакцины от кариеса есть еще одно слабое место. Даже если ей удастся побороть один вид стрептококка, вызывающего первые признаки болезни, другие виды бактерий, которые подключаются к разрушению зуба на разных стадиях, вполне могут переквалифицироваться в инициаторов. Поэтому стоматологи называют кариес коварной инфекцией, бороться с которой можно и нужно пока традиционными способами: следить за диетой и регулярно посещать стоматолога. Ведь, в отличие от акул, которые в течение жизни могут обновить несколько тысяч зубов, мы, люди, теряем драгоценные зубы навсегда.
«Вредный» гормон
Учеными установлено, что распространенность кариеса среди мужчин обычно ниже, чем среди женщин. Это связано с прямой зависимостью между уровнем эстрогенов в крови и микробной микрофлорой полости рта. Первые прямые корреляции в опытах с крысами получены в середине прошлого века в Университете Индианы. Исследователи заметили, что скорость развития кариеса увеличивается с повышением уровня эстрогенов у самцов, а также у самок, как обычных, так и овариектомированных (лишенных яичников). В то же время уровень мужских гормонов - андрогенов — особого влияния на состояние зубов не проявил. Десятки исследований подтвердили связь уровня женских гормонов и вероятности развития кариеса. Пока точный механизм влияния эстрогенов на здоровье зубов не изучен, но предполагается, что слюна содержит чувствительные к эстрогену иммунореактивные белки, которые регулируют количество кариесогенных микробов во рту.
Статья «Атака по зубам» опубликована в журнале «Популярная механика» (№134, декабрь 2013)
Как ищут тёмную материю: подробно о загадочном
«Мой старый принцип расследования состоит в том, чтобы исключить все явно невозможные предположения. Тогда то, что останется, является истиной, какой бы неправдоподобной она ни казалась», — говорил знаменитый сыщик Шерлок Холмс. Именно таким методом ученые ищут темную материю.
Мы живем в темном и холодном мире. Хотя Вселенная сияет звездами и квазарами, несветящихся объектов в ней много больше. Среди них планеты и планетоиды, кометы, коричневые карлики, околозвездные газопылевые диски и гигантские газовые облака — родоначальники новых звезд. Температуры этих объектов варьируют от нескольких десятков до примерно тысячи кельвинов, поэтому они испускают невидимое человеческому глазу инфракрасное электромагнитное излучение. Такие же лучи приходят к нам и от очень далеких галактик, чей свет по дороге к Земле претерпевает большое красное смещение.
У инфракрасного диапазона имеются вполне почтенные соседи. Справа (со стороны более коротких волн) к нему примыкает оптический спектр, а слева — субмиллиметровый диапазон, на котором «светят» самые холодные скопления космического газа с характерной температурой порядка 10 К. Наблюдения космических объектов в инфракрасных лучах составляют предмет ИК-астрономии. На авансцену науки о космосе она вышла сравнительно недавно, но зато сейчас развивается чрезвычайно быстро.
iSO, год: 1995
Орбитальный космический телескоп, запущен с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-4»
_________________________________________________________________________________
Первые шаги
Инфракрасные лучи открыл великий астроном Уильям Гершель, и отнюдь не случайно. В 1790-е годы он занимался телескопическими наблюдениями солнечных пятен, а для защиты глаз пользовался цветными фильтрами. Именно тогда он заметил, что кожа чувствует тепло по-разному в зависимости от цвета фильтра. В 1800 году Гершель вплотную занялся тепловым действием солнечного света, разлагая его на отдельные цвета с помощью стеклянной призмы и измеряя степень нагрева в разных участках спектра. Обнаружив, что температура больше всего растет в красной зоне, он поместил термометр за ее границами и увидел, что нагрев продолжается. Так было выявлено невидимое излучение, которое Гершель назвал ультракрасным. Во второй половине XIX столетия астрономы начали осваивать новые приборы для тепловых измерений — термопары, термостолбики, радиометры и платиновые болометры, использовавшие сильную зависимость сопротивления этого металла от температуры. Первые успехи были весьма скромны, но эти методы со временем позволили выявить сотни линий поглощения в ближнем и среднем ИК-диапазонах солнечного спектра и тем самым получить информацию о составе солнечной атмосферы. С их помощью был выполнен анализ ИК-излучения ряда ярких звезд и определены их температуры. Немалую пользу этим исследованиям принесли вакуумные термопары, изобретенные профессором МГУ П. Н. Лебедевым (тем самым, который впервые измерил давление света) и приспособленные для нужд астрономии Уильямом Кобленцем. В ходе таких наблюдений были обнаружены первые звезды-сверхгиганты Ригель и альфа Геркулеса.
IRAS, год: 1983
Инфракрасная орбитальная обсерватория, запущена с космодрома Ванденберг с помощью ракеты-носителя «Дельта-3910»
_________________________________________________________________________________
Пожалуй, главное открытие той эпохи сделал в 1930 году американский астроном швейцарского происхождения Роберт Трамплер. Он обнаружил поглощение звездного света в космическом пространстве и совершенно правильно приписал его рассеянию на частицах межзвездной пыли. Вообще-то Трамплер пришел к этому выводу на основе оптических наблюдений, но его результаты стали крупнейшим вкладом в ИК-астрономию.
Пора становления
В первые десятилетия второй половины ХХ века ИК-астрономия обрела мощные аппаратные ресурсы, радикально расширившие ее возможности. В ее арсенал вошли высокочувствительные полупроводниковые болометры, прототипы которых в предшествующие годы были созданы в военных лабораториях. Были разработаны методы охлаждения этих детекторов сжиженным газом — сначала азотом, а потом и гелием (для этого американский астроном Фрэнк Лоу придумал специальный металлический дюар, который применяют и сейчас). Все это дало возможность проводить наземные наблюдения во всех участках ближнего и среднего ИК-диапазонов, прозрачных для теплового излучения. Вообще-то детектор Лоу мог регистрировать даже излучения с длиной волны вплоть до миллиметра, но для таких измерений требовались высотные и космические платформы.
Создание полупроводниковых детекторов повлекло за собой и появление ИК-телескопов. Первый такой инструмент со 152-см апертурой начал действовать в 1970 году в обсерватории на горе Леммон в Аризоне. Во второй половине 1970-х увидели первый свет три телескопа с апертурами от 300 до 380 см в Чили и на Гавайях. В конце 1974 года встала на двадцатилетнюю вахту американская летающая обсерватория имени Койпера — 90-см ИК-телескоп на борту переоборудованного военно-транспортного самолета. С ее помощью были обнаружены кольца Урана, водяные пары в атмосферах Юпитера и Сатурна и собрана информация о синтезе тяжелых ядер при взрыве сверхновой 1987А.
Gersсhel, год: 2009
Космический телескоп, запущен с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5»
_________________________________________________________________________________
Главными достижениями ИК-астрономии в 1950—1970-е годы стали наблюдения процессов рождения звезд из коллапсирующих газовых облаков, открытие пылевых оболочек, окружающих погибающие звезды, и накопление массива данных о межзвездной пыли.
Инфракрасная астрономия вышла на авансцену науки о космосе сравнительно недавно, но зато сейчас она развивается чрезвычайно быстро.
Космическая зрелость
Но подлинную революцию в ИК-астрономии произвели космические аппараты, которые смогли вести круглосуточные наблюдения во всех участках ИК-спектра. Первой орбитальной платформой с ИК-телескопом стал американский спутник IRAS (Infrared Astronomical Satellite), запущенный 25 января 1983 года с авиабазы Ванденберг. Он был создан всего за семь лет с участием британских и голландских специалистов. Проработал он лишь десять месяцев, поскольку в конце ноября закончился запас охлаждавшего детекторы жидкого гелия (это был первый удачный эксперимент по выводу в космос криогенной аппаратуры). За это время IRAS произвел мониторинг 96% небесной сферы на восьми частотах в четырех полосах среднего и дальнего ИК-диапазона с длинами волн 12, 25, 60 и 100 мкм.
IRAS весил чуть больше тонны и нес сравнительно небольшой телескоп с 60-см зеркалом и 62 детекторами в фокальной плоскости. Несмотря на скромные размеры, он оказался одним из самых результативных астрономических спутников за всю историю космонавтики. Он позволил выявить около трехсот тысяч ранее неизвестных источников инфракрасного излучения, в том числе много красных гигантов и ярких галактик с активным звездообразованием. Данные с IRAS повлекли за собой сенсационное открытие галактик с исключительно высокой светимостью в ИК-диапазоне, на пять порядков превышающей светимость Млечного Пути. Они позволили обнаружить еще не успевшие разогреться маломассивные протозвезды, три астероида и шесть комет в нашей Солнечной системе. С их помощью был открыт тонкий плоский диск, окружающий Вегу, самую яркую звезду созвездия Лиры, который возник уже после ее формирования из первичного газопылевого облака. Позднее было доказано, что подобные диски (их называют осколочными или обломочными) окружают многие звезды и могут содержать не только пыль, но и твердые тела. И это еще не полный список.
Взгляд в дальний космос
Излучения космической пыли галактик в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах. Изображения получены с помощью космической обсерватории Gerschel.
_________________________________________________________________________________
Успех миссии IRAS открыл дорогу к разработке других космических инфракрасных телескопов. В 1983 году ЕКА утвердило проект космической станции ISO (Infrared Space Observatory), которую 17 ноября 1995 года отправили с космодрома в Куру на сильно вытянутую околоземную орбиту (1000 км в перигее и 70 500 — в апогее). Ее телескоп имел такую же 60-см апертуру, как и телескоп IRAS, однако сильно превосходил его по возможности регистрации тепловых излучений. Его камера была оснащена двумя сенсорными матрицами, в каждой из которых содержалось по 1024 (32 х 32) инфракрасных детектора, позволявших вести наблюдения на участке 2,5−17 мкм. (Технология изготовления таких матриц была создана по заказу Пентагона для систем наведения крылатых ракет, но в середине 1980-х ее рассекретили.) Остальные инструменты обеспечивали наблюдения вплоть до верхней границы дальней инфракрасной зоны, что позволяло отслеживать расположение облаков межзвездной пыли. По чувствительности в полосе вблизи 12 мкм ISO превосходила IRAS в сорок раз, а по пространственному разрешению — в двадцать. К тому же она много дольше проработала. При расчетном времени жизни в полтора года станция благодаря медленному расходу жидкого гелия действовала в штатном режиме вплоть до апреля 1998 года!
В общей сложности приборы ISO выполнили 26 000 наблюдений, которые легли в основу целого ряда открытий. Они позволили обнаружить молекулы двуокиси углерода и фторида водорода в межзвездном пространстве и пары воды в атмосфере Титана — самого большого из спутников Сатурна. Они дали ценнейшую информацию о процессах рождения звезд в течение последних 8 млрд лет и показали, что новые планеты могут возникать не только в окрестностях новорожденных светил, как считалось в то время, но около очень старых звезд. И так далее.
Достойным наследником станций IRAS и ISO стал американский Космический телескоп имени Спитцера, запущенный с мыса Канаверал 25 августа 2003 года. Он работает до сих пор, только не на околоземной, а на околосолнечной орбите. Запас охладителя иссяк в мае 2009 года, однако инфракрасная камера и в этих условиях функционирует в двух наиболее коротковолновых полосах (3,6 и 4,5 мкм) из прежних четырех. По апертуре этот телескоп не особенно превосходит предшественников (85 см против 60), однако каждый из четырех модулей его главной камеры оснащен матрицей из 65 536 (256 х 256) детекторов. Благодаря высокой чувствительности «Спитцер» смог вести наблюдения объектов, возникших ранее 3 млрд лет после Большого взрыва, чей свет приходит на Землю с красным смещением порядка трех (ISO мог справиться с красным смещением, равным единице, а IRAS — только с тремя десятыми).
Spitzer, год: 2003
Космический аппарат научного назначения, запущен с космодрома на мысе Канаверал ракетой-носителем «Дельта-2»
_________________________________________________________________________________
Благодаря «Спитцеру» астрономы получили почти полную картину инфракрасного неба и смогли понять тонкие детали структуры и эволюции инфракрасных галактик. В 2005 году две группы исследователей с его помощью впервые детектировали инфракрасное излучение внесолнечной планеты — спутника звезды HD 209458, открытого в 1999 году. Позднее приборы «Спитцера» с помощью транзитной инфракрасной фотометрии выявили десятки экзопланет и продолжают делать это и посейчас. Например, 30 июля 2015 года команда «Спитцера» подтвердила существование каменной планеты HD 219134b из класса суперземель, отдаленной от Земли всего на 21 световой год. «Спитцер» также собрал обширную информацию о процессах планетогенеза вблизи звезд солнечного типа. Его аппаратура позволила открыть несколько сверхмассивных черных дыр и осколочные диски, окружающие десятки белых карликов.
«Гершель» — пока вершина
Помимо перечисленных инфракрасных космических телескопов были и другие, не столь известные (например, японский орбитальный телескоп «Акари», проработавший с начала 2006 года по конец ноября 2011-го). Однако лидерство в этой области заняла европейская обсерватория имени Гершеля, 14 мая 2009 года отправленная в космос вместе с микроволновой обсерваторией «Планк». Подобно «Спитцеру», она движется по гелиоцентрической траектории, которая (в отличие от американского партнера) осциллирует вокруг второй точки Лагранжа, и поэтому держится на примерно одинаковом расстоянии от нашей планеты («Спитцер» за год отстает от Земли примерно на 15 млн км). Последнее наблюдение она выполнила 29 апреля 2013 года — опять-таки из-за истощения гелия. Ее данные полностью архивированы и открыты для использования учеными. При главном зеркале диаметром 3,5 м «Гершель» был и пока остается самым крупным космическим телескопом.
Приборы «Гершеля» были настроены на наблюдения в широком участке спектра 55−672 мкм, охватывающем почти всю дальнюю инфракрасную область и часть субмиллиметровой. Поэтому он был заточен на наблюдение как самых холодных участков ближнего космоса, так и очень далеких объектов, рожденных менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. «Гершель» наблюдал рождение звезд из газопылевых облаков, формирование и эволюцию первых галактик, производил анализ химического состава межзвездного газа и атмосфер планет, комет и астероидов. И со всеми этими задачами он отлично справился.
Мы попросили прокомментировать результаты «Гершеля» астронома из Южной европейской обсерватории Эвантию Хациминауглу, которой довелось немало с ними поработать. Она отметила, что эти данные активно используются до сих пор, так что полностью оценивать вклад «Гершеля» еще рановато. Но и сейчас ясно, что обсерватория оказалась источником ценнейшей информации. Например, благодаря ей мы теперь знаем, что океанская вода в виде льда когда-то входила в состав кометных ядер и оказалась на Земле в ходе кометной бомбардировки ее поверхности. Это позволяет предположить, что многие каменные экзопланеты смогли аналогичным путем обзавестись обширными водными бассейнами.
Еще один интереснейший результат — детектирование в межзвездном пространстве молекул кислорода. Несмотря на то что этот элемент по степени распространения во Вселенной стоит на третьем месте после водорода и гелия, космические облака из молекулярного кислорода впервые были обнаружены совсем недавно, в 2007 году. Это открытие, сделанное с помощью аппаратуры шведского научного спутника «Один», требовало подтверждения, которое и было получено благодаря «Гершелю». В общем, «Гершель» вполне оправдал связанные с ним надежды.
На схеме показан эффект гравитационной линзы, при котором гравитационное поле ближней галактики изменяет направление излучения дальней галактики, увеличивая ее.
_________________________________________________________________________________
Будущее. Близкое и не очень
Астрономы многого ожидают от космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который будет вести наблюдения на участке от 0,6 до 27 мкм. При апертуре в 6,5 м это будет весьма крупный инструмент даже по земным масштабам, а его разрешающая способность в десять раз превзойдет показатель «Спитцера». Первоначально предполагалось, что он обойдется в $1,6 млрд и будет отправлен ко второй точке Лагранжа в 2011 году. Однако по последним прогнозам запуск состоится не ранее октября 2018 года, а стоимость этого совместного проекта НАСА, ЕКА и Канадского космического агентства приблизится к $9 млрд и превзойдет цену Большого адронного коллайдера.
Материалы журнала "Популярная механика".
Сталик Ханкишиев: о казане как науке и искусстве
Укрощение огня
С годами, когда я стал серьезно заниматься кулинарией Средней Азии, я понял, насколько неправы мы были в своем высокомерии по отношению к узбекским поварам. Народная кухня — это самый большой в мире научно-исследовательский институт, в котором каждодневно ставятся эксперименты. И так тысячи лет. Так что если какой-то народный метод становится общепринятым, значит, он выдержал проверку временем и действительно заслуживает внимания. Другое дело, что народные повара, действуя по заветам прадедов, как правило, не понимают, почему надо делать так или иначе. Я же попытался найти научно-практическую подоплеку приготовления в казане и даже описал результат своих изысканий в книге, которая так и называется — «Казан».
Казан стал очень популярен на российских кухнях. В книгах и в сети можно найти сотни рецептов приготовления тех или иных блюд. Там описывается набор ингредиентов, порядок их закладки, но ничего не говорится об огне. Где должен гореть огонь — под дном казана или по бокам, какой интенсивности он должен быть? А рецепт без описания способа нагрева ценности не имеет, так как при разных режимах тепловой обработки одних и тех же продуктов могут получиться разные блюда. А может вообще ничего не получиться. В книге «Казан», которую я адресую не только знатокам кулинарии, но и представителям «поколения СМС», не привыкшим читать больше трех строк, я попытался разработать род кулинарной нотации (по типу музыкальной грамоты) — значки-пиктограммы показывают, как должен гореть огонь и какой интенсивности процессы должны проходить внутри посудины. Тогда рецепты обретают законченный вид.
Ведь на самом деле казан (а также кастрюля или сковорода) — это посредник между огнем и продуктами. От правильного и своевременного нагрева зависит и результат, который мы получим. Надо помнить, что металл отличается высокой теплопроводностью и средней теплоемкостью. Огонь моментально накаляет его до высоких температур. А продукты — овощи, мясо — состоят по большей части из воды, теплоемкость которой высока, а теплопроводность — низка. Если, например, помидор в процессе приготовления блюда прикоснется к металлической поверхности казана, то контактирующая с металлом сторона будет пригорать, в то время как центральная часть плода останется едва теплой. Можно пищу перемешивать — для этого в случае казана используется шумовка специальной округлой формы. Но есть более эффективный способ — укрощать огонь.
О популярности плова в России
Можно без преувеличения сказать, что казан сыграл выдающуюся роль в истории Евразийского материка. Накатывающие с Востока на запад кочевники, например монголы, нуждались в компактном кухонном приспособлении, которое функционально соответствовало печи у оседлых народов. И таким приспособлением стал казан. Тюрки разводили отары овец и, ведя полукочевой образ жизни, возделывали злаки и перемалывали зерна в муку. Третий компонент — специи: дикий лук, коренья доступны повсеместно. Зачастую у кочевников не было печеного хлеба, они варили в казане тесто вместе с мясом — так возникло древнейшее блюдо бешбармак, которое стало предком многочисленных блюд по типу «хлеб плюс мясо» — от пельменей до пиццы. В наши дни многие считают, что для приготовления пищи в казане нужна специальная печь. Совсем нет — кочевники прекрасно обходились той самой ямкой, о которой я рассказывал в начале статьи. Одна из стенок этой ямы делалась пологой, чтобы можно было подкладывать топливо, а остальные выкладывались камнями и глиной. Камни, глина имеют теплопроводность, сопоставимую с водой. Они медленно вбирают тепло, а потом медленно его отдают. На первом этапе приготовления, когда в казане топился жир и обжаривалось мясо, огонь горел непосредственно под донышком казана. Но он же постепенно нагревал грунт и камни, которые образовывали стенки ямы. Когда же закладывались овощи, а потом крупа, требовалось более щадящее тепло. И тогда угли со дна ямы выгребали, оставив, быть может, лишь немного теплой золы, но казан продолжал готовить — теперь его нагревали камни и глина. При таком режиме еда получалась томленой. Что, на мой взгляд, объясняет популярность узбекской кухни, в особенности плова, в России. Еще всего лишь несколько поколений назад русские люди ели блюда из русской печи, которая, остывая, обрабатывала продукты малоинтенсивным теплом. Это очень похоже на то, что происходит в казане.
Как победить клейстер?
Итак, главная особенность казана как своего рода кулинарной системы — трехмерное распределение тепла, чего мы никогда не добьемся от обычной плоскодонной кастрюли, стоящей на плите. Для верхних слоев блюда мы можем иметь отдельный, особенный режим теплообработки. А какой это будет режим — зависит от блюда. Главный враг хорошего плова — крахмал, из которого рис в основном и состоит. Сколько ни промывай крупу, все равно какая-то часть крахмала соединится с горячей жидкостью и получится клейстер, который помешает ароматному, насытившемуся соком мяса и овощей жиру пропитать рис. Однако при достаточно высокой температуре (98−102°С) крахмал в присутствии кислоты разлагается на моносахариды — глюкозу. Когда плов удался, узбеки говорят: «он сладкий». И действительно, рис, напитавшийся маслом, имеет сладковатый вкус — конечно, из-за глюкозы. Как поддержать температуру? Накрыть казан крышкой! Но если накрыть его тяжелой чугунной крышкой (как у казанов, выпускаемых промышленностью), теплоемкий и теплопроводный металл отберет у риса все тепло. Более того, излучая тепло наружу, крышка будет охлаждаться и конденсировать на себе влагу, которая прольется на рис дождем. Хорошего плова точно не выйдет. А вот если заменить металлическую крышку деревянной — гигроскопичной и низкотеплопроводной, да еще прикрыть сверху теплоизолирующим покровом (например, халатом), плов получится сладким!
А вот традиционный суп шурпа варится без крышки. Причем, согласно традициям среднеазиатской кухни, у казана должен дежурить кто-то, кто будет зачерпывать бульон черпаком, а затем тонкой струйкой выливать его обратно в казан. Этот восточный кулинарный прием широко обсуждается в сети, рождая многочисленные, порой абсурдные гипотезы. А на деле все просто: жирные куски мяса, как поплавок, поднимаются в верхние слои жидкости, и очень важно, чтобы они варились не в кипятке, а в менее горячем бульоне. Тогда мясо готовится дольше, но остается сочным, розовым и сохраняет естественную текстуру. Это та самая низкотемпературная варка, вошедшая в моду у европейских поваров десятилетия три назад. Но с помощью казана такое умеют делать уже сотни, если не тысячи лет.
В домашних условиях
Значит ли все вышесказанное, что желающим поэкспериментировать с казаном обязательно придется копать яму на даче или озаботиться строительством печи? Нет, есть и другие варианты. Например, специальная подставка позволяет обеспечить 3D-нагрев на обычной газовой плите. Сейчас в сотрудничестве с одной из компаний, выпускающих ресторанное оборудование, мы разработали электрический казан. Он обогревается тремя тэнами — спиралями, причем каждая спираль отвечает за свой участок — дно, средний уровень, верх. С помощью такого устройства можно достаточно точно имитировать традиционный способ приготовления (сначала интенсивный нагрев наверху, потом щадящий сбоку), но также и экспериментировать — например, сначала нагревая верхние слои, а только потом нижние. Рецептов, рассчитанных на такой способ нагрева, пока почти нет, но расширение возможностей всегда влечет за собой всплеск творчества.
Разгадка простого секрета
Самым лучшим вариантом для использования казана в дачных условиях будет специальная печь
Схема такой печи показана на рисунке. Перемещая топливо внутри печи, можно добиться поэтапного прогрева казана сначала снизу, а потом по бокам. Сделать что-то подобное на газовой плите практически невозможно. Определенного результата можно добиться, нагревая казан непосредственно огнем конфорки на начальном этапе, а затем используя рассекатель, когда требуется «щадящее» тепло.
На фото — старинный медный казан. Подготовка иллюстраций к книге стала отдельной технологической историей. Легко сфотографировать посудину снаружи, но как показать, что происходит внутри, в готовящемся блюде? Для этого обычный казан приходилось распиливать пополам и приклеивать к половинке специальное термостойкое стекло. Нужен был и особый эластичный клей, иначе из-за разницы коэффициентов теплового расширения стекла и чугуна стекло могло треснуть. А в результате получались фотографии вроде открывающей эту статью.
От дров к электричеству
Именно так, как показано на рисунке, выглядела традиционная технология приготовления в казане — она используется и поныне. Огонь на дне ямки не только нагревает казан, но и позволяет бортам из камней и глины аккумулировать тепло, которое используется для следующего этапа приготовления.
Разумеется, в наши дни мы можем вполне обойтись без земляных работ и использовать казан в помещении.
Разработанный автором электроказан имеет три спирали, каждая из которых ведет нагрев своего «сегмента» и регулируется отдельно. Таким образом можно, например, подогревать верхние слои готовящегося блюда, оставляя нижние пока холодными. В будущем на основе электроказана можно сделать нечто вроде мультиварки, в которой интенсивность нагрева спиралей и порядок их использования будут управляться вычислительным блоком согласно заложенным программам.
Для того чтобы готовить в казане, используя газовую плиту, можно сконструировать несложное устройство (пожертвовав парой кастрюль). Огонь горит внутри малого кольца, не доходящего до дна казана. Горячий воздух поднимается ко дну казана и не может опуститься вниз, в щель между кольцами, пока не отдаст свое тепло бортам казана. Организовать абсолютно равномерное и при этом медленное кипение можно, подставив рассекатель. В казане, стоящем на таком очаге, вода закипает не со дна, а от бортов, как в кирпичном очаге.
Статья «Казан: кормилец Евразии» опубликована в журнале «Популярная механика» (№149, март 2015).
Цианистый калий: что это такое и как работает
История цианидов уверенно прослеживается практически от первых дошедших до нас письменных источников. Древние египтяне, например, использовали косточки персика для получения смертельно опасной эссенции, которая в экспонирующихся в Лувре папирусах называется просто «персиком».
Летально-персиковый синтез
Персик, как и еще две с половиной сотни растений, среди которых миндаль, вишня, черешня, слива, относится к роду сливы. В косточках плодов этих растений содержится вещество амигдалин — гликозид, прекрасно иллюстрирующий понятие «летальный синтез». Этот термин не совсем корректен, более правильно было бы назвать явление «летальным метаболизмом»: в его ходе безобидное (а иногда даже полезное) соединение под действием ферментов и других веществ расщепляется до сильнодействующего яда. В желудке амигдалин подвергается гидролизу, и от его молекулы отщепляется одна молекула глюкозы — образуется пруназин (некоторое его количество содержится в косточках ягод и фруктов изначально). Далее в работу включаются ферментные системы (пруназин-?-глюкозидаза), которые «откусывают» последнюю оставшуюся глюкозу, после чего от исходной молекулы остается соединение манделонитрил. По сути, это метасоединение, которое то склеивается в единую молекулу, то снова распадается на составляющие — бензальдегид (слабый яд с полулетальной дозой, то есть дозой, вызывающей гибель половины членов испытуемой группы, DL50 — 1,3 г/кг массы крысиного тела) и синильную кислоту (DL50 — 3,7 мг/кг массы крысиного тела). Именно эти два вещества в паре обеспечивают характерный запах горького миндаля.
В медицинской литературе нет ни одного подтвержденного случая смерти после поедания персиковых или абрикосовых косточек, хотя и описаны случаи отравления, требовавшие госпитализации. И этому есть достаточно простое объяснение: для образования яда нужны только сырые косточки, а их много не съешь. Почему сырые? Чтобы амигдалин превратился в синильную кислоту, необходимы ферменты, а под действием высокой температуры (солнечные лучи, кипячение, жарка) они денатурируются. Так что компоты, варенье и «каленые» косточки совершенно безопасны. Чисто теоретически возможно отравление настойкой на свежей вишне или абрикосах, поскольку денатурирующих факторов в этом случае нет. Но там в действие вступает другой механизм обезвреживания образующейся синильной кислоты, описанный в конце статьи.
Почему кислота называется синильной? Цианогруппа в сочетании с железом дает насыщенный ярко-синий цвет. Самое известное соединение — берлинская лазурь, смесь гексацианоферратов с идеализированной формулой Fe7 (CN)18. Именно из этого красителя в 1704 году был выделен циановодород. Из него же получил чистую синильную кислоту и определил ее структуру в 1782 году выдающийся шведский химик Карл Вильгельм Шееле. Как гласит легенда, четыре года спустя, в день своей свадьбы, Шееле скончался за рабочим столом. Среди окружавших его реактивов была и HCN.
Военное прошлое
Эффективность цианидов для точечного устранения противника во все времена манила военных. Но масштабные эксперименты стали возможными только в начале XX века, когда были разработаны методы производства цианидов в промышленных количествах.
1 июля 1916 года французы в боях у реки Соммы впервые применили цианистый водород против немецких войск. Однако атака провалилась: пары HCN легче воздуха и быстро улетучивались при высокой температуре, так что «хлорный» фокус со стелющимся по земле зловещим облаком повторить не удалось. Попытки утяжелить циановодород треххлористым мышьяком, хлорным оловом и хлороформом не увенчались успехом, так что о применении цианидов пришлось забыть. Точнее, отложить — до Второй мировой.
Немецкая химическая школа и химическая промышленность в начале XX века не знали себе равных. На благо страны работали выдающиеся ученые, в том числе нобелевский лауреат 1918 года Фриц Габер. Под его руководством группа исследователей свежесозданного «Немецкого общества борьбы с вредителями» (Degesch) модифицировала синильную кислоту, которая с конца XIX века использовалась в качестве фумиганта. Чтобы снизить летучесть соединения, немецкие химики использовали адсорбент. Перед применением гранулы следовало погрузить в воду, чтобы высвободить накопленный в них инсектицид. Продукт получил название «Циклон». В 1922 году Degesch перешла в единоличное владение компании Degussa. В 1926 году на группу разработчиков был зарегистрирован патент на вторую, весьма успешную версию инсектицида — «Циклон Б», отличавшийся более мощным сорбентом, наличием стабилизатора, а также ирританта, вызывавшего раздражение глаз — чтобы избежать случайного отравления.
Между тем Габер активно продвигал идею химического оружия еще со времен Первой мировой, и многие его разработки имели чисто военное значение. «Если солдаты на войне умирают, то какая разница — от чего именно», — говорил он. Научная и деловая карьера Габера уверенно шла в гору, и он наивно полагал, что заслуги перед Германией давно сделали его полноправным немцем. Однако для набиравших силу нацистов он был прежде всего евреем. Габер стал искать работу в других странах, но, несмотря на все его научные заслуги, многие ученые не простили ему разработку химического оружия. Тем не менее в 1933 году Габер с семьей уехал во Францию, потом в Испанию, потом в Швейцарию, где и умер в январе 1934 года, к счастью для себя не успев увидеть, для каких целей нацисты использовали «Циклон Б».
Модус операнди
Пары синильной кислоты не слишком эффективны как яд при вдыхании, зато при употреблении внутрь ее солей DL50 — всего 2,5 мг/кг массы тела (для цианида калия). Цианиды блокируют последний этап передачи протонов и электронов цепью дыхательных ферментов от окисляемых субстратов на кислород, то есть останавливают клеточное дыхание. Процесс этот небыстрый — минуты даже при сверхвысоких дозах. Но кинематограф, показывающий быстрое действие цианидов, не врет: первая фаза отравления — потеря сознания — действительно наступает через несколько секунд. Еще несколько минут длится агония — судороги, подъем и падение артериального давления, и лишь потом наступает остановка дыхания и сердечной деятельности.
При меньших дозах можно даже отследить несколько периодов отравления. Сначала горький привкус и жжение во рту, слюнотечение, тошнота, головная боль, учащение дыхания, нарушение координации движений, нарастающая слабость. Позже присоединяется мучительная одышка, кислорода тканям не хватает, так что мозг дает команду на учащение и углубление дыхания (это очень характерный симптом). Постепенно дыхание угнетается, появляется еще один характерный симптом — короткий вдох и очень длинный выдох. Пульс становится более редким, давление падает, зрачки расширяются, кожа и слизистые розовеют, а не синеют или бледнеют, как в других случаях гипоксии. Если доза несмертельная, этим все и ограничивается, через несколько часов симптомы исчезают. В противном случае наступает черед потери сознания и судорог, а затем возникает аритмия, возможна остановка сердца. Иногда развивается паралич и длительная (до нескольких суток) кома.
Миндаль и другие
Амигдалин содержится в растениях семейства розоцветных (род слива — вишня, алыча, сакура, черешня, персик, абрикос, миндаль, черемуха, слива), а также в представителях семейств злаки, бобовые, адоксовые (род бузина), льновые (род лен), молочайные (род маниок). Содержание амигдалина в ягодах и фруктах зависит от множества различных факторов. Так, в семечках яблок его может быть от 1 до 4 мг/кг. В свежевыжатом яблочном соке — 0,01−0,04 мг/мл, а в пакетированном соке — 0,001−0,007 мл/мл. Для сравнения: абрикосовые косточки содержат 89−2170 мг/кг.
Отравленного — отрави
Цианиды имеют очень высокое сродство к трехвалентному железу, именно поэтому они устремляются в клетки к дыхательным ферментам. Так что идея «подсадной утки» для яда витала в воздухе. Первыми ее реализовали в 1929 году румынские исследователи Младовеану и Георгиу, которые сначала отравили собаку смертельной дозой цианида, а затем спасли ее внутривенным введением нитрита натрия. Это сейчас пищевую добавку Е250 шельмуют все, кому не лень, а животное, между прочим, выжило: нитрит натрия в связке с гемоглобином образует метгемоглобин, на который цианиды в крови «клюют» лучше, чем на дыхательные ферменты, за которыми еще нужно пробраться внутрь клетки.
Нитриты окисляют гемоглобин очень быстро, так что один из самых эффективных антидотов (противоядий) — амилнитрит, изоамиловый эфир азотистой кислоты — достаточно просто вдохнуть с ватки, как нашатырный спирт. Позже выяснилось, что метгемоглобин не только связывает циркулирующие в крови цианид-ионы, но и разблокирует «закрытые» ими дыхательные ферменты. В группу метгемоглобинообразователей, правда, уже более медленных, входит и краситель метиленовый синий (известный как «синька»).
Есть и обратная сторона медали: при внутривенном введении нитриты и сами становятся ядами. Так что насыщать кровь метгемоглобином можно лишь при строгом контроле его содержания, не более 25−30% от общей массы гемоглобина. Есть и еще один нюанс: реакция связывания обратима, то есть через некоторое время образовавшийся комплекс распадется и цианид-ионы устремятся внутрь клеток к своим традиционным мишеням. Так что нужна еще одна линия обороны, в качестве которой применяют, например, соединения кобальта (кобальтовая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, гидроксикобаламин — один из витаминов В12), а также антикоагулянт гепарин, бета-оксиэтилметиленамин, гидрохинон, тиосульфат натрия.
Не лечит, а калечит!
Амигдалин пользуется популярностью у околомедицинских шарлатанов, называющих себя представителями альтернативной медицины. С 1961 года под маркой «Лаэтрил» или под названием «Витамин В17» полусинтетический аналог амигдалина активно продвигается как «средство для лечения рака». Никакой научной основы под этим нет. В 2005 году в журнале Annals of Pharmacotherapy был описан случай тяжелого отравления цианидами: 68-летний пациент принимал «Лаэтрил», а также гипердозы витамина С, рассчитывая на усиление профилактического эффекта. Как оказалось, подобное сочетание ведет ровно в противоположную от здоровья сторону.
Казус Распутина
Но самый интересный антидот намного проще и доступнее. Химики еще в конце XIX века заметили, что цианиды превращаются в нетоксичные соединения при взаимодействии с сахаром (особенно эффективно это происходит в растворе). Механизм этого явления в 1915 году объяснили немецкие ученые Рупп и Гольце: цианиды, реагируя с веществами, содержащими альдегидную группу, образуют циангидрины. Такие группы есть в глюкозе, и амигдалин, упомянутый в начале статьи, по сути представляет собой нейтрализованный глюкозой цианид.
Если бы об этом было известно князю Юсупову или кому-то из примкнувших к нему заговорщиков — Пуришкевичу или великому князю Дмитрию Павловичу, они не стали бы начинять пирожные (где сахароза уже гидролизовалась до глюкозы) и вино (где глюкоза тоже имеется), предназначенные для угощения Григория Распутина, цианистым калием. Впрочем, есть мнение, что его и не травили вовсе, а рассказ о яде появился для запутывания следствия. Яда в желудке «царского друга» не обнаружили, но это ровным счетом ничего не значит — циангидрины там никто не искал.
У глюкозы есть свои плюсы: например, она способна восстанавливать гемоглобин. Это оказывается очень кстати для «подхвата» отсоединяющихся цианид-ионов при использовании нитритов и прочих «ядовитых антидотов». Есть даже готовый препарат, «хромосмон» — 1%-ный раствор метиленового синего в 25%-ном растворе глюкозы. Но есть и досадные минусы. Во-первых, циангидрины образуются медленно, гораздо медленнее, чем метгемоглобин. Во-вторых, они образуются только в крови и только до того, как яд проникнет в клетки к дыхательным ферментам. Кроме того, закусить цианистый калий куском сахара не получится: сахароза не реагирует с цианидами непосредственно, нужно, чтобы сначала она распалась на глюкозу с фруктозой. Так что если вы опасаетесь отравления цианидами, лучше носить с собой ампулу амилнитрита — раздавить в платке и подышать 10−15 с. А потом можно вызвать «скорую» и пожаловаться, что вас отравили цианидами. То-то врачи удивятся!
Автор статьи — врач-токсиколог, научный редактор журнала «Российские аптеки»
Статья «С запахом горького миндаля» опубликована в журнале «Популярная механика» (№159, январь 2016).
Могут ли животные заменить диагностические приборы?
Алексей Водовозов 28 марта
Многие животные полагаются в основном на нюх — и на охоте, и при общении. Волки и их одомашненные потомки в этом смысле не исключение, они способны учуять вещество в концентрации один на триллион (1:1012, примерно такую концентрацию будет иметь одна капля вещества, растворенная в воде двух десятков бассейнов олимпийского размера). Собаки выступают в роли ищеек, отыскивая по следу преступников и нарушителей границы или пропавших людей, обнаруживая взрывчатку и наркотики.
Мысль о том, что четвероногих нюхачей можно приспособить к медицинской диагностике, была впервые высказана лишь в 1989 году. В апрельском номере журнала The Lancet появилось короткое письмо двух британских дерматологов из госпиталя Королевского колледжа Лондона. Хайвел Уильямс и Андрес Пемброук описали очень интересный случай из своей практики. К ним обратилась 44-летняя женщина с просьбой осмотреть родинку на правом бедре. Образование было всего 1,86 мм в диаметре и изначально никаких подозрений не вызывало. Однако при детальном обследовании была выявлена меланома, самое опасное злокачественное новообразование кожи. Что интересно, стадия развития опухоли была самой ранней, in situ, то есть без распространения в какие-либо окружающие ткани.
После операции доктора поинтересовались, как женщине удалось заподозрить такую непростую патологию. Ответ их удивил: диагностом оказалась собака, которая по нескольку минут в день тщательно обнюхивала именно эту родинку, громко вздыхала, тыкалась носом в бедро и скулила. Хозяйка поначалу игнорировала странное поведение животного, но в один прекрасный день питомица попыталась выгрызть проблемный участок кожи, после чего пришлось нанести визит к врачу.
Уильямс и Пемброук высказали предположение, что бесконтрольно размножающиеся клетки меланомы начинают в большом количестве синтезировать какой-то особый белок. И именно его и начинает чувствовать собака. Зачем это нужно животному? Ответ прост: устранение уязвимости. Пока хозяин жив-здоров, он может бесперебойно обеспечивать еду и укрытие, так что питомец крайне внимательно отслеживает малейшие отклонения от привычного положения вещей.
А глаз — как у орла!
Из-за различий в путях эволюции птиц и млекопитающих конструкция глаза и зрение голубей сильно отличаются от человеческих. Человеческое зрение использует палочки для условий низкой освещенности и три вида колбочек для цветового зрения. У голубей (и других птиц) помимо палочек есть четыре вида колбочек, чувствительных к различным длинам волн, а также двойные колбочки и липидные капли, содержащие различные пигменты. Капли работают как цветовые фильтры, а также расширяют доступный птицам диапазон в УФ-область за счет флуоресценции содержащихся в них пигментов. Кроме того, фоторецепторы у птиц расположены на сетчатке в виде особой регулярной мозаики (так называемой мозаичной диаграммы Вороного), что приводит к получению гораздо более детализированного и сложного зрительного образа.
Псы медицины
Первая практическая реализация идеи состоялась лишь 15 лет спустя. Целью распознавания стал рак мочевого пузыря. Исследование проводилось на базе госпиталя британского городка Амерсхема, псы предоставлялись питомником поводырей, а за обработку информации отвечал Оксфордский университет.
Результаты, опубликованные в сентябрьском номере British Medical Journal, оказались интересными, но не впечатляющими. Собакам предоставили обучающие образцы — мочу 36 пациентов 48−90 лет с подтвержденным диагнозом, а затем «попросили» протестировать мочу добровольцев 18−85 лет. Предварительно обученные псы справились с 41% заданий, правильно определив рак в 22 из 54 предложенных проб. Лучшими стали кокер-спаниели Тэнгл и Бидди, они оказались правыми в 56% случаев. Многофакторный анализ, проведенный в Оксфорде, показал, что животные унюхивали в моче нечто не зависящее от других химических веществ, определяемых при помощи стандартных методов лабораторной диагностики.
После этого исследования посыпались как из рога изобилия. Наиболее перспективным направлением оказался рак легких. В 2006 году в совместном эксперименте американских и польских ученых трем молодым (7−18 месяцев) золотистым ретриверам и двум португальским водолазам предлагались пробирки с хорошо впитывающей тканью, где содержался выдыхаемый пациентами воздух. После курса обучения собаки показали просто невероятные результаты: 99%-ную чувствительность и 99%-ную специфичность, то есть почти абсолютно правильно отделили больных от здоровых. Причем собаки одинаково легко определяли и IV стадию рака, и I, самую сложную для диагностики.
Более поздние исследования таких великолепных показателей не демонстрировали, тем не менее они оставались достаточно высокими (чувствительность 71−83%, специфичность — 93−95%). Кроме того, собакам не мешали различные фоновые заболевания, например, если рак сочетался с хронической обструктивной болезнью легких, а также запахи табака и пищи.
Унюхать микроба
Госпитальная инфекция — настоящий бич медицины. Штаммы, вырастающие в больницах, отличаются редкой агрессивностью и стойкостью к большинству антибиотиков. Микробиологическая диагностика — дело достаточно долгое, несмотря на то что появление полимеразной цепной реакции (ПЦР) ее значительно упростило. Потребность в быстрых и надежных методах определения возбудителей все еще сохраняется. И тут собачьи носы будут полезны.
Голландские ученые в 2012 году сумели натаскать активного и хулиганистого бигля по кличке Клифф на Clostridium difficile, бактерию, которая часто становится виновником тяжелых и устойчивых к антибиотикам диарей в госпиталях и домах престарелых. Запах кала при этой инфекции весьма характерен, но бигль научился определять даже неуловимые для людского носа концентрации. Чувствительность пес показал фантастическую — все 50 предложенных проб, содержащих бактерию, он определил правильно. Специфичность чуть подкачала: трижды из 50 раз лохматый нюхач среагировал на достоверно чистые пробы как на зараженные.
Продукты жизнедеятельности клостридий Клифф чуял не только в выделениях пациентов, но и в воздухе. Он правильно определил 265 из 270 чистых помещений и 25 из 30 зараженных, причем для решения Клиффу требовалось лишь десять минут. Так оперативно не работает ни одна из существующих диагностических методик.
Чувствительность и специфичность
Чувствительность — доля действительно болеющих людей в обследованной популяции, которые по результатам диагностического теста или методики выявляются как больные. Это мера вероятности того, что любой случай болезни (состояния) будет правильно идентифицирован с помощью теста. В клинике тест с высокой чувствительностью полезен для исключения диагноза, если результат отрицателен.
Специфичность — доля тех, у которых тест отрицателен, среди всех людей, не имеющих болезни (состояния). Это мера вероятности правильной идентификации людей, не имеющих болезни, с помощью теста. В клинике тест с высокой специфичностью полезен для включения диагноза в число возможных в случае положительного результата.
Идеальный тест имеет 100%-ную чувствительность и 100%-ную специфичность, то есть не дает ни ложноположительных, ни ложноотрицательных результатов. Но в реальности это возможно далеко не всегда, поскольку, как правило, анализируемые факторы имеют довольно широкое распределение и для положительного и отрицательного результата пересекаются. Сдвигая границу, можно «подкрутить» тест в область большей чувствительности или большей специфичности.
Крысы против чахотки
С 2013 года через шустрые лапы Тарика, гигантской сумчатой крысы, и восьми его сородичей, живущих в лаборатории Университета Эдуардо Мондлане (Мозамбик), проходят ¾ образцов, собираемых в медицинских учреждениях мозамбикской столицы Мапуту. Они умеют распознавать туберкулез. Работает это так: крыса обнюхивает лоток с десятью пробами мокроты и начинает царапать пол над подозрительным на туберкулез объектом. Пять лотков сумчатый лаборант обрабатывает за восемь минут. Человеку, вооруженному микроскопом, на выполнение аналогичного объема работы потребовался бы целый рабочий день. К тому же, как показала практика, люди ошибаются существенно чаще.
За первые 16 месяцев государственной программы через необычных диагностов уже прошло 12?500 пациентов, у 1700 из которых был обнаружен туберкулез. Понятно, что крысам не доверяют безоговорочно, их результаты перепроверяют тремя различными способами, тем не менее животные выгодны по многих параметрам. В том числе по затратам. Обучение каждой из них обходится в $6700−8000, а живут сумчатые крысы до восьми лет, в то время как автоматический анализатор с примерно сходными возможностями стоит около $17?000, не считая расходных материалов.
Власти Мозамбика надеются, что ВОЗ одобрит этот метод диагностики, ведь в стране туберкулез уносит около 60?000 жизней ежегодно. Да, сумчатые лаборанты несовершенны, например, они не могут отличать обычный вариант инфекции от лекарственно-устойчивого, тем не менее для небогатых стран специально обученные животные могут стать ощутимым подспорьем. Кстати, аналогичная программа с 2008 года разрабатывается и в Танзании, там результаты тоже более чем обнадеживающие.
Расширенные возможности
Богатство зрительных возможностей птиц можно использовать для распознавания сложных образов, таких как изображения препаратов или маммограммы.
Голубиное зрение
Наземные животные полагаются в основном на нюх, а вот птицам необходимо острое зрение. Обычный городской голубь в этом смысле — одна из самых совершенных систем: впечатляющее периферическое зрение, пять разных рецепторов сетчатки, способность различать ультрафиолет.
Этими птицами интересовался еще Беррес Фредерик Скиннер, гарвардский бихевиорист, известный в первую очередь своими работами по «оперантному научению» (learning by doing). Во время Второй мировой войны Скиннер занимался созданием необычной системы наведения в интересах ВМС США — проектом «Голубь». Три птицы, помещенные в головную часть управляемого боеприпаса, должны были визуально контролировать следование к цели: корректировали при необходимости траекторию полета, ударяя клювом по специальному экрану. Рули снаряда отклонялись только при большинстве «голосов» (два из трех). Скиннер полагал, что точность выведения на цель с такой системой может достигать ±6 м, что для тех времен было недостижимой цифрой. Военные посчитали идею эксцентричной, но выделили на исследования $250?000. В итоге программу свернули в октябре 1944 года, затем возобновили в 1948-м, окончательно отказавшись от проекта лишь в 1953-м, когда была убедительно доказана надежность электронных систем наведения.
Неудивительно, что наработками Скиннера решили воспользоваться и в медицинских целях. В ноябре 2015 года в журнале PLOS ONE была опубликована любопытная статья патолога Ричарда Левенсона из Университета Калифорнии, психолога Эдварда Вассермана из Университета Айовы и примкнувших к ним исследователей. Они решили приобщить голубей к диагностике — пока только одной патологии, рака молочной железы.
Не знаем как, но работает!
Собака воспринимает
окружающий мир через призму запахов. Она способна определять едва заметные градиенты, то есть даже малейшие различия в концентрации, и таким образом отслеживать «историю» запаха — откуда он пришел и в какую сторону ушел.
Диагностика при помощи животных слегка выбивается за рамки привычного подхода к разработке и оценке медицинских методик. Ученые в данном случае не понимают, как это работает. Так, собаки не могут объяснить, какие маркерные вещества они вынюхивают в том или ином случае, а голуби не расскажут, как именно они отличают норму от патологии. Тем не менее есть возможность проверить результаты животных и птиц при помощи уже существующих методов, можно определить их специфичность и чувствительность, то есть перевести из разряда забавных лабораторных экспериментов в практическое русло медицинской науки.
Глядя на женскую грудь
Птицу помещали в модифицированный «ящик Скиннера», где для получения еды нужно было выполнить определенное действие. В данном случае — клюнуть сенсорный экран, на котором демонстрировались фотографии гистологических препаратов. В том случае, если сизарь правильно «ставил диагноз», то есть клевал левую или правую сторону экрана, кормушка открывалась, если неправильно — «лаборант» оставался голодным. Замотивированные таким образом птицы научились отличать норму от патологии за несколько часов. Через месяц тренировок они уже в 80% случаев давали правильный ответ. А если 16 подопытных голубей использовали в качестве нейросети, то есть объединяли все «диагнозы» и использовали самый частый ответ, то цифра доходила до 99%.
Птицы уверенно находили изменения в тканях, даже если изображения препаратов были монохромными, выравненными по яркости, контрастности и насыщенности, с разными степенями компрессии. Голуби научились разбираться и в маммограммах, черно-белых рентгеновских снимках, в которых они лучше всего находили участки обызвествления (так называемые кальцификаты).
Люди, оценивая гистологические препараты и маммограммы, делают больше ошибок и тратят на ту же работу гораздо больше времени. Компьютерные системы анализа изображений почти безошибочны, но стоят десятки и сотни тысяч долларов. Понятно, что заменить опытного гистолога или мощные программы голуби вряд ли смогут, а вот дополнить — вполне. Тем более что планы у Левенсона и Вассермана большие, они хотят научить сизарей отличать доброкачественные опухоли молочной железы от злокачественных, а затем перейти и к другим разновидностям онкопатологии.
Кто знает, может, через несколько лет в поликлиниках и стационарах появятся диагностические кабинеты, а то и целые отделения, где будут трудиться лохматые, пернатые и прочие нечеловечески прекрасные лаборанты.
Автор статьи — врач-токсиколог.
Статья «Эти диагносты – настоящие звери!» опубликована в журнале «Популярная механика» (№161, март 2016).
Готовы к Евро-2024? А ну-ка, проверим!
Для всех поклонников футбола Hisense подготовил крутой конкурс в соцсетях. Попытайте удачу, чтобы получить классный мерч и технику от глобального партнера чемпионата.
А если не любите полагаться на случай и сразу отправляетесь за техникой Hisense, не прячьте далеко чек. Загрузите на сайт и получите подписку на Wink на 3 месяца в подарок.
Реклама ООО «Горенье БТ», ИНН: 7704722037
Клеточный автомат: возможна ли автоматическая жизнь?
Типичные структуры,
возникающие в «Жизни» Конвея. Если игра начинается со случайной конфигурации, скорее всего, она закончится появлением устойчивого набора таких живучих форм. Но в общем случае эволюция системы непредсказуема, и чтобы выяснить, чем закончится такая «Жизнь», нужно ее «прожить», то есть смоделировать.
Если освещения достаточно, кубический блок почвы, имеющий по соседству блок зеленой лужайки, тоже прорастет травой. Блок воды понизит уровень и растечется на соседние участки, если перед ним не будет преград. При доступе к воде и солнечному свету урожай растет на один уровень с каждой итерацией временного цикла. Остывая, блок расплавленной лавы видоизменяется по простым правилам: лава (неподвижная) становится обсидианом, если верхний блок — вода; лава (текущая) становится камнем, если один из соседних блоков — вода.
Несмотря на грубые кубические формы, вселенная Minecraft поражает разнообразием и сложностью, которые вырастают не только из вольного творчества игроков, но и из набора простых принципов, которые определяют ход ее эволюции. Это настоящая матрица, разве что трехмерная, и ее ячейки обновляются цикл за циклом, в зависимости от действий игрока и локального окружения. Если не настоящий клетчатый мир, то — клеточный автомат.
Планер (глайдер) —
перемещающаяся конфигурация из пяти клеток
Правила «Жизни»
«Жизнь» существует на бесконечной решетчатой плоскости. Каждая клетка, имеющая двух или трех живых соседей, выживает на следующем шаге времени. Если их меньше или больше, клетка умирает от «одиночества» или от «перенаселения». Если у мертвой клетки три живых соседа, она становится живой. Учитывается соседство по вертикали, горизонтали и диагонали. Вот и всё: базовые принципы игры исключительно просты, но могут порождать удивительно сложное поведение и разнообразие форм.
Правила «Жизни» были опубликованы кембриджским математиком Джоном Конвеем в 1970 году и сразу сделали клеточные автоматы невероятно популярными. Тысячи энтузиастов, ощутив себя в роли властелинов этого клетчатого мирка, принялись исследовать двумерные формы, которые рождаются и умирают в нем. Среди них обнаружились стационарные «натюрморты», способные существовать вечно без каких-либо изменений; периодические «осцилляторы», повторяющие одни и те же фигуры с определенной цикличностью; движущиеся «планеры», которые с каждым ходом смещаются в том или ином направлении.
Сегодня в «Жизни» известны миллионы таких существ: с ростом «размеров», то есть числа ячеек, количество возможных «натюрмортов» и «осцилляторов» увеличивается стремительно. Но уже в первые годы повального увлечения этим изящным клеточным автоматом выяснилось, что при наличии достаточного «жизненного» пространства в нем могут существовать и намного более сложные структуры. Например, «крепкий орешек» состоит из семи живых клеток, которые мучительно выживают на протяжении 130 поколений, после чего все разом аннигилируют.
«Планерное ружье» —
основа многих комбинаций, которые воплощают логические элементы вычислительной машины. Такие крупные конфигурации автомата Конвея по большей части состоят из пустых клеток. По этому поводу математик Пол Чэпмен заметил: «Возможно, в «Жизни» так много пустого пространства по той же причине, по которой его так много и в нашей жизни. Атомы должны иметь достаточно места для того, чтобы делать свою работу».
Автомат становится машиной
Сам Конвей предполагал, что такая смертная судьба ждет любую нестационарную и непериодическую форму «Жизни», и даже объявил символическую премию тому, кто сможет доказать или опровергнуть идею о том, что на этом клетчатом поле возможно бесконечное размножение. Однако с обещанной суммой в $50 ему пришлось расстаться довольно быстро. В том же 1970 году Билл Госпер обнаружил периодическую структуру — «ружье», которое каждые 30 шагов возвращается к исходной конфигурации, рождая улетающий в сторону «планер». А вот это уже очень и очень любопытно…
Подобные «планерные ружья» можно рассматривать как генераторы импульсов, которыми обмениваются логические элементы любой вычислительной машины: ушел планер — единица, планера нет — ноль. Если пара таких планеров столкнется под прямым углом, то один из них аннигилирует, что позволяет моделировать логический элемент НЕ. Более сложными способами можно создать и другие элементы, выполняющие все базовые логические операции, включая И и ИЛИ. Остается их скомбинировать — и игра станет вычислительным устройством.
Впрочем, тот факт, что некоторые клеточные автоматы способны выполнять любые математические операции, эмулируя универсальную машину Тьюринга, был известен и до Конвея: в 1950-х этим воспользовался великий Джон фон Нейман. На волне всеобщей любви к робототехнике ученый задался вопросом, возможно ли сконструировать робота, который мог бы бесконечно самовоспроизводиться, штампуя собственные копии, чтобы они, в свою очередь, без конца производили новые поколения роботов.
«Сады Эдема» —
один из вариантов конфигурации клеточного автомата, которые не могут появиться в результате эволюции и должны быть заданы с самого начала, с «сотворения» этого искусственного мирка.
Бесконечное рождение
Проектировать такой аппарат из металлической плоти и электрической крови было бы делом явно неблагодарным. Но вопрос достаточно было решить на принципиальном, математическом уровне, так же, как несколькими десятилетиями до того поступил с вычислительной машиной тот же Тьюринг. Идею фон Нейману подкинул коллега по Лос-Аламосской национальной лаборатории Станислав Улам, который использовал клеточные автоматы для исследований роста кристаллических структур.
Фон Нейман подобрал такое пространство бесконечной «шахматной доски», которое способно имитировать машину Тьюринга, и описал для нее конфигурацию примерно из 200?000 клеток, способную самовоспроизводиться бесконечной чередой поколений. Законы, управляющие эволюцией такого клеточного автомата, намного сложнее, чем у «Жизни», — достаточно упомянуть, что ячейки его могут принимать 29 различных значений, и для каждого перехода между ними требуется отдельное правило. Зато соседями — окрестностью каждой ячейки — в автомате фон Неймана считаются лишь те четыре, что расположены по вертикали и горизонтали от нее, тогда как у Конвея учитываются целых восемь ячеек, в том числе и находящиеся по диагонали от исходной (окрестность Мура).
Локальная зависимость поведения ячеек — такое же базовое свойство клеточных автоматов, как и глобальность правил, которые действуют совершенно одинаково в любой точке сетки. Это напоминает реальный мир: насколько нам известно, законы физики одинаковы в любой его точке, а вот взаимодействия распространяются с конечной скоростью, максимально — световой. В мире клеточных автоматов этот предел скорости еще заметнее. Любые изменения в «Жизни» в принципе не могут происходить быстрее скорости шахматного короля — на одну клетку за один интервал времени. Вообще, несмотря на кажущуюся простоту клеточных автоматов, процессы, которые происходят в них, в своей математической основе часто оказываются аналогичны реальным.
Хищники и жертвы
Возьмите стакан воды и вылейте ее на стол. Лучший из доступных способов предсказать ее движение — использовать суперкомпьютер, хотя и он способен дать лишь приблизительное решение запутанных уравнений гидродинамики. Но тот же процесс можно представить и в виде упрощенной модели «решеточного газа», ячейки которого могут содержать или не содержать молекул. Это позволит описать их поведение с помощью набора кратких правил. Например: течение увлекает молекулу вниз, пока она не встретит препятствие — стол или другую молекулу, — в этом случае она перемещается в случайную незанятую ячейку сбоку. Мы получим нехитрый клеточный автомат, который способен с приемлемой точностью имитировать реальность.
Схожие правила позволяют моделировать поведение толпы. Если есть возможность, человек движется вперед; встретив препятствие, повернет в сторону; если по сторонам стоят другие люди, останется на месте. Окрестность в этом случае придется учитывать более дальнюю, введя вероятность перемещения в том или ином направлении в зависимости от присутствия других людей или стен — «глядя» на несколько клеток вперед. Варьируя эти параметры, можно с точностью моделировать движение людского потока и использовать эти результаты при проектировании городского пространства.
Существуют клеточные автоматы, которые моделируют колебательные химические реакции и работу дыхательных устьиц растительного листа, турбулентные процессы и образование узора на раковинах моллюсков, динамику численности популяций травоядных и хищников. Правила просты. Особь может переместиться на случайную из клеток в окрестности Неймана. С определенной периодичностью она оставляет в исходной клетке потомка, с определенной — сама умирает от старости. Хищная особь может проглотить соседнее травоядное, а если не сделает этого в течение некоторого времени, то погибнет от голода. Такой клеточный автомат позволяет получить характерные S-образные кривые популяционного роста: численность хищников и травоядных выйдет на определенный уровень и будет колебаться около него. Всё как в жизни.
Эволюцию одномерного клеточного автомата
можно представить на плоскости, одним из измерений которой будет время. Один из таких автоматов создает фрактальную структуру «салфетки Серпинского».
Клетчатый мир
Схожесть жизни с клеточными автоматами давно интригует ученых. Эти идеи максимально развиты у Конрада Цузе, а позднее — у Эдварда Фредкина, сформулировавшего свою «конечную гипотезу»: «Всякая физическая величина, включая время и пространство, является конечной и дискретной». Квантуемость пространства-времени остается недоказанной, однако на эти представления опираются некоторые вполне уважаемые теории, включая петлевую квантовую гравитацию.
Отсюда остается сделать последний шаг. Если Вселенную представить как дискретное поле, ячейки которого меняются в соответствии с определенными законами, то не является ли она по сути клеточным автоматом? Работа его создает иллюзию существования частиц, полей и взаимодействий, которые на самом деле — лишь разные состояния очень маленьких «элементарных ячеек» мироздания, изменяющихся за чрезвычайно краткие промежутки времени.
Матрица «шахматной доски» Конвея превращается в глобальную матрицу нашего мира — динамичную и завораживающую. Впрочем, взгляды «цифровой физики», главным апологетом которой сегодня выступает Стивен Вольфрам, нельзя назвать общепринятыми среди ученых. «Монитор вашего компьютера, изображение на котором состоит из точек-пикселей, доказывает, что такой мир может выглядеть вполне реалистично, — пишет нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек. — Но в нем обязательно что-то будет немного не так».
Статья «Автоматическая жизнь» опубликована в журнале «Популярная механика» (№161, март 2016).