Современные средства естественнонаучных исследований

2. Современные средства естественнонаучных исследований

Специфика современных, экспериментальных и теоретических исследований

На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.

Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях

теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.

Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.

Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П. Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.

Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.

Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х - начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области применения, управляются кибернетическими системами.

Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

Современные методы и технические средства эксперимента

Экспериментальные методы и технические средства современных естественнонаучных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики - одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.

 

Лазерная техника.

Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:

-      разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;

-      создание ультрафиолетовых лазеров;

-      сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 пс (10^-12 с) и меньше.

Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области До ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.

Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 пс. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.

Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возможность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых составляет от 10^-6 до 10^-12 и менее секунд.

Возможности естественнонаучных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне - от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.

Синхротронные источники излучения.

 Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемом длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений - успешному решению этихи других задач способствует синхротронное излучение.

Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.

 Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне - ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т. п. - позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.

С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.

С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами:

измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.

Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа ¹⁴С среди 10¹⁶ атомов ¹²С. Такое содержание изотопа ¹⁴С соответствует, согласно радиоизотопному методу определения возраста пород возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава 1 строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.

Комбинированные приборы - хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ - изомеров диоксина.

Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно расширились. Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10^-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в концентрации 0, 1 мг на кило грамм массы тела.

Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящая внутри клетки.

Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур - Рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентгенограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ способствовал получению феромонов насекомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увеличения производства пищи и биомассы.

Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, основанная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реакторах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии - высокая точность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпроводников, рибосомы и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водородных связей, определяющих строение белков.

Важнейшие достижения современного естествознания

Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значительные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молекулярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т. п. - вот некоторые °чень важные достижения современного естествознания.

Высокотемпературная сверхпроводимость. История сверхпроводимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камер-линг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры

жидкого гелия, составляющей около 4, 2 К, электрическое с противление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материал сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NaN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. - примерно 23 К для другого бинарного сплава - NвGe.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых составляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и д же выше 100 К. В результате многочисленных эксперимент было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.

В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее состояние можно реализовать при охлаждении не жидким азоте а более дешёвым охладителем - жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция кальция; структура его относительно проста.

Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.

 Химические лазеры.

Экспериментальное исследование смешивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 л назад, позволило установить распределение энергии между молекулами. Например, в результате реакции атомного водорода молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию колебательного движения молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская прем! по химии. Данные исследования привели к созданию перво химического лазера - лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).

Молекулярные пучки.

Молекулярный пучок представляет собой струю молекул, образующуюся при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысокий вакуум, исключающий межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагенты - соединения, вступающие в реакцию, - при низком давлении (10^-10 атм) каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Для осуществления такого сложного эксперимента требуется установка сверхвысокого вакуума, источник интенсивных сверхзвуковых пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли (Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Херм-баху (Гарвардский университет) присуждена Нобелевская премия по химии. Опыты с молекулярными пучками позволили определить, например, ключевые реакции при горении этилена, при котором в реакции этилена с кислородом образуется короткоживущая молекула.

Достижения ядерной химии. Химия играет важную роль в исследовании свойств радиоактивных веществ и в разработке радиоактивных методов анализа, применяемых в различных отраслях естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в области ядерных процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге - физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достижения науки о ядерных процессах получены при тесном взаимодействии химиков, физиков и ученых многих других направлений.

С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых изотопов элементов, расположенных выше урана. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.

Одна из интересных задач ядерной химии - обнаружение супертяжелых элементов, т. е. элементов, входящих предсказанный остров стабильности, включающий атомный номер 114.

В последние десятилетия методы ядерной химии нашли яркое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позволил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лунного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сформировать представление об эволюции Вселенной.

Ядерная химия применяется и в медицине. Например США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с применением радиоактивных препаратов. Особенно широко распространено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Практика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитрона метод, основанный на взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углерода и фтора, а также применение стабильных изотопов в сочетании со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.

Новая ядерная установка.

 Одна из основных проблем атомной энергетики связана с нахождением таких условий протекания ядерных процессов, при которых можно было бы уме шить количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными разных стран отрабатываю многочисленные способы, способствующие решению этой весьма важной проблемы. Среди разных направлений в её решении уже воплощается в металл новое направление в ядерной энергетике - так называемый электрояд, на который ученые возлагают большие надежды. В Институте теоретической и экспериментальной физики Российской академии наук и в институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистым более безопасными источниками энергии, чем многие из существующих. Действующая модель новой ядерной энергетической установки состоит из двух агрегатов - ускорителя элементарных частиц и бланкета - особого типа атомного реактора. Для технического воплощения этой новой идеи предполагается использовать старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.

Химический синтез ДНК.

В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех аминов аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов кодирует информацию. Каждый из аминов содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи сахар-фосфат в цепочке-матрице.

Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибо-нуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.

Успехи генной инженерии.

В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в остальных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована информация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), который существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.

Современная молекулярная биология позволяет вводить почта любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А соломенная органическая химия дает возможность синтезировать последовательности нуклеотидов - фрагменты генов. Такие фрагменты генов можно применять для изменения исходной последовательности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т. е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе.

Данный метод осуществления специфических мутации нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой желаемой структуры. Кроме того, с раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в угодных количествах.

Клонирование.

Успехи, достигнутые в разных отраслях естественных наук, открыли новые возможности в понимании строе геномов человека и других сложных организмов. Ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нужные последовательности в больших фрагментах ДНК.

Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащие всего в одном гене, среди огромного количества генетического материала клетки организма человека столь же трудно, как отыскать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает применение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраиваются в миллион быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно, дает целую колонию своих потомков. Применяя методы диагностики, чувствительные к определенной функции гена, находят колонию бактерий, содержащую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактерий дает миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из бактерий в химически чистом виде. С помощью такого процесса - клонирования - очищены сегментов ДНК более 100 различных генов человека. Ещё большее число генов выделено из простейших организмов, таких, как дрожжи.

В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом клонирования овце. Шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клетки взрослой овцы её генетическую идентичную копию - известного теперь во всем мире ягненка До ли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца- ей дала начало клетка, содержащая двойной набор генов матери. Как известно, любая клетка взрослого организма, так называемая соматическая клетка, несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только полови-генов. При зачатии такие половинки - отцовская и материнская - соединяются и образуют новый организм. Искусственно выращивание нового животного из соматической клетки - это создание генетически тождественного существа, процесс, которые и называется клонированном. Работы по клонированию растении простейших живых организмов начались ещё в 60-е годы последнего столетия. Росли масштабы и сложность таких работ. о клонирование млекопитающих из соматической клетки впервые удалось осуществить только в 1997 г. Подобные опыты дли мечтой нескольких поколений генетиков. Некоторые ученые уверены в реальной возможности повторить данный эксперимент и для человека. Однако остается предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других следствиях такого рода экспериментов.