Mexovoy

На Пикабу 12 лет 11 месяцев 1 день

Дата рождения: 10 мая 1984

поставил 134640 плюсов и 50764 минуса

отредактировал 2 поста

проголосовал за 2 редактирования

Награды:

58К рейтинг 141 подписчик 62 подписки 256 постов 36 в горячем

Mexovoy

7 лет назад

Курносые винтовки⁠⁠

Филиппинский солдат с винтовкой AUG Steyr

Едва появившись, оружие компоновки буллпап стало яблоком раздора среди экспертов. Сторонники видят за ней будущее «стрелковки», противники считают малопригодной для создания военных образцов. За последние годы две страны — Франция и Новая Зеландия — объявили о намерении заменить стоящие на вооружении буллпапы FAMAS и Steyr AUG автоматами традиционной компоновки, что дает повод еще раз рассмотреть перспективы концепции.

Стреляющий «щенок бульдога»

Под схемой буллпап понимают стрелковое оружие, в котором магазин, казенная часть ствола и ударно-спусковой механизм (УСМ) находятся позади рукоятки управления огнем. Термин «буллпап», по мнению историка оружия Максима Попенкера, вероятно, происходит от английского bulldog puppy — «щенок бульдога». Оружие такой компоновки получается на 20-25 сантиметров короче традиционных аналогов и выглядит немного «курносым».

На вооружении современных армий штурмовые винтовки/автоматы схемы буллпап появились в 1970-х, но первые образцы создавались еще в начале ХХ века. Попенкер приводит пример некоего англичанина Торнейкрофта (Thorneykroft), который в 1901 году предложил кавалерийский карабин, где магазин с патронами размещался в шейке приклада, а затвор при перезарядке двигался выше гребня приклада. Благодаря этому карабин при стволе в 70 сантиметров имел общую длину чуть меньше метра. Для сравнения: длина штатного кавалерийского карабина Lee Enfield 1894 года с полуметровым стволом составляла 101 сантиметр. Расплатой за необычный дизайн стало уменьшение емкости магазина с 10 до 5 патронов, а также весьма неудобная перезарядка оружия. Карабин Торнейкрофта так и остался экспериментальным образцом, как и прочие модели буллпап первой половины ХХ века.

Начиная с 40-х годов со схемой буллпап активно экспериментировали в США, Европе, СССР. У нас в 1944 году появился экспериментальный автомат Прилуцкого под новый патрон 7,62х39 миллиметров. Англичане в 1951 году не только разработали, но и приняли на вооружение буллпап винтовку ЕМ-2 под патрон 7х43 миллиметра. Проект был свернут под давлением США — американцы добились принятия в армиях НАТО единого патрона 7,62х51. Адаптировать ЕМ-2 под этот мощный боеприпас не удалось.

Австрийская легенда

По-настоящему буллпапы «выстрелили» в конце 70-х. В 1977 году Министерство обороны Австрии приняло на вооружение штурмовую винтовку Steyr AUG (Armee Universal Gewehr) — ее массовый выпуск продолжается до сих пор. Почти одновременно французские военные получили автомат FAMAS F1. Оба образца скомпонованы по схеме буллпап и отличаются необычным футуристическим дизайном, но именно AUG называют автоматом, опередившим свое время.

Французские военные с автоматами FAMAS

Австрийцы одними из первых внедрили на армейском оружии модульную конструкцию — винтовка за несколько секунд разбирается на пять основных блоков: пластиковый корпус с пистолетной рукояткой; блок УСМ, почти полностью сделанный из пластика; затворную раму с затвором и ствольную коробку с быстросъемным стволом. Вместо привычной мушки и целика на первых моделях Steyr AUG стоял полуторакратный оптический прицел Swarovski, на поздних версиях его заменили планкой Пикатини. Замена стандартного ствола на более тяжелый и длинный превращала автомат в снайперскую винтовку или легкий пулемет. Хотя некоторые эксперты считают, что ни полноценной «снайперки», ни ручного пулемета из AUG так и не вышло.

Инновационность конструкции, дизайн и хорошие боевые качества обеспечили австрийской винтовке неплохой экспортный потенциал. Сейчас Steyr AUG используется подразделениями более 40 стран и довольно популярен на рынке гражданского оружия.

Французской FAMAS повезло меньше — ее конструкцию с полусвободным затвором эксперты считают не очень удачной, саму винтовку — недостаточно надежной и капризной в отношении боеприпасов. Экспортный потенциал автомата оказался низким, в итоге французы выпустили около 400 тысяч экземпляров FAMAS и в 90-х свернули производство. Сейчас Минобороны Пятой республики планирует заменить FAMAS оружием традиционной компоновки.

Схожая судьба у британской L85 — к середине 80-х англичане все-таки приняли на вооружение штурмовую винтовку в компоновке буллпап. За основу при разработке взяли малораспространенную винтовку AR18 американской компании ArmaLite (создатель AR15/М16). Схема AR18 считается довольно удачной, но у английского автомата сразу вылез целый букет проблем: неточная подача патронов, низкая надежность и ресурс отдельных узлов, большая масса и так называемый задний баланс оружия. В 2000 году немецкая компания Heckler&Koch модернизировала примерно две трети выпущенных к этому времени L85 — они получили название L85А2. Отзывы о применении этого оружия противоречивы, некоторые эксперты считают L85 бесперспективной системой.

Советский эксперимент

Не меньше десятка буллпап-автоматов было создано в СССР в 40-80-х годах. Экспериментальный автомат Коровина, автомат Коробова (ТКБ-408) — последний участвовал в конкурсе на 7,62-миллиметровый автомат для Советской армии, но неудачно.

В начале 60-х Коробов предложил еще два образца: ТКБ-022 и ТКБ-059. ТКБ-022 оказался смелой конструкцией — корпус из пластмассы с металлическими вставками, стреляная гильза выбрасывалась вперед через специальную трубку, затвор перемещался в вертикальной плоскости. При равной длине ствола ТКБ-022 оказался на 11,5 сантиметра короче АКМС со сложенным прикладом. При этом баланс ТКБ-022 был чрезмерно смещен назад, магазин с патронами крепился в самом конце ствольной коробки/приклада. Советских военных автомат не впечатлил.

Автомат Коробова ТКБ-408 1946 года

Конструкция ТКБ-059 была еще смелее и бесперспективнее: трехствольный автомат залпового огня со смещенным импульсом отдачи — первые два или три выстрела происходят прежде, чем затворная группа бьет о заднюю часть ствольной коробки и стрелок ощущает отдачу. Огонь из ТКБ-059 велся либо очередями, либо залпами по три выстрела.

Серия буллпапов появилась на свет в 80-х годах в рамках проекта «Абакан» по поиску оружия на замену автомату Калашникова: автоматы Никонова НА-2 и НА-4, автомат Стечкина, ТКБ-0146 (все со смещенным импульсом отдачи). Как известно, в конкурсе «Абакан» победило оружие традиционной компоновки — автомат Никонова АН-94.

В конце 90-х российские военные получили автоматно-гранатометный комплекс ОЦ-14 «Гроза», но популярности он не снискал.

Опасно для здоровья?

По сути, единственное достоинство буллпапа — его компактность, возможность иметь полноценный автомат с размерами пистолета-пулемета. Недостатков у схемы значительно больше, хотя многие из них спорны. Главная претензия — выброс гильз непосредственно у лица стрелка, что мешает стрелять с левой руки. Проблема решается либо выводом стреляных гильз вперед/вниз (FN2000), либо установкой у окна выбрасывателя специального отбойника/гильзоулавливателя. Эти детали популярны в качестве тюнинга к гражданским версиям Steyr AUG. Но само расположение патронника непосредственно у лица стрелка является фактором риска, ведь при взрыве патрона — такое редко, но случается — риск получить травму или увечье значительно больше.

Южноафриканский автомат Vektor CR-21

Еще один сомнительный аргумент против буллпапа — неудобство перезарядки. Пользователи буллпап-систем утверждают, что сменить магазин без отрыва оружия от плеча или в положении лежа легче, чем на системах традиционной компоновки.

Эргономика буллпапов с их длинным нерегулируемым прикладом и «задним» балансом может стать проблемой для стрелков невысокого роста или с короткими руками. Вообще, регулируемый приклад, позволяющий подогнать оружие под конкретного бойца с учетом его анатомии, одежды и снаряжения, — один из главных трендов в развитии индивидуального стрелкового оружия. Буллпап эту возможность исключает. Возможно, поэтому оружие этой схемы не так популярно у бойцов спецподразделений, особенно тех, кому приходится часто применять свои навыки на практике. Так, американцы предпочитают оружие с коротким стволом и худшей баллистикой, но максимально удобной эргономикой. Российские силовики тоже используют автоматы и пистолеты-пулеметы традиционной компоновки. Зато силовые структуры небольших невоюющих стран — Малайзия, Сингапур, Тунис — часто берут на вооружение «модные» буллпапы в качестве элемента престижа.

Кстати, весьма показательно, что винтовки схемы буллпап почти не используются участниками соревнований по практической стрельбе, где очень ценится эргономика оружия.

Солдаты с бельгийской FN2000

Среди крупнейших армий мира активно внедряет схему буллпап Китай. В начале 80-х компания NORINCO представила автомат Type 86s, по сути — неказистый буллпап-вариант автомата Калашникова. Сегодня КНР вооружает своих солдат более изящными QBZ 95 и QBZ 97, в конструкции которых прослеживается влияние винтовки Драгунова.

Тему буллпапа развивает Австралия: здесь на вооружении — клон австрийской Steyr AUG под названием Thales EF88/F90.

Израиль в 2004 году начал перевооружать своих солдат автоматами буллпап TAR21 Tavor (цифра 21 в названии указывала на то, что это оружие нового века). Это оружие сейчас активно продвигается на военном и гражданском рынках. Так, известный американский стрелок Джерри Микулек один из своих рекордов по скоростной стрельбе установил именно с израильским автоматом. Тюнингованный Tavor использовался в съемках сериала «Голодные игры».

На рубеже веков оружейники всего мира выпустили новые версии винтовок буллпап, которые позиционировались как оружие XXI века: бельгийский FN2000, сингапурский SAR-21, южноафриканский Vektor CR-21. Их общая черта — широкое применение пластика в конструкции, футуристический дизайн, использование интегрированных оптических или коллиматорных прицелов. Зато внутреннее устройство могло быть вполне традиционным. Так, Vektor CR-21 — не что иное, как упакованная в пластиковый корпус винтовка R4 (лицензионная копия израильской Galil, сделанной на основе советского АК).

Кстати, в начале XXI века было немало попыток «обулпапить» автомат Калашникова. Коммерческие компании и конструкторские бюро создавали буллпап-комплекты для армейских и гражданских версий АК. Простейшие варианты предполагали крепление на крышке ствольной коробки специального затыльника, установку на ней подкладки под щеку, модернизацию УСМ и прицельных приспособлений. В более сложных вариантах ствольная коробка и ствол АК упаковывались в составной пластиковый или алюминиевый корпус. Как правило, такие системы напрочь исключали быструю разборку оружия.

Автор Владислав Гринкевич

Показать полностью 4 1

Mexovoy

7 лет назад

Наука | Научпоп

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).

Показать полностью 5

Mexovoy

7 лет назад

Наука | Научпоп

Клеточный автомат: возможна ли автоматическая жизнь?⁠⁠

Возьмите простое решетчатое пространство. Задайте набор нехитрых правил. Запустите время. Вы получили клеточный автомат — почти что целый мир.

Кубическая вселенная Minecraft плотно заселена — проданная в количестве более 70 млн копий игра входит в тройку самых успешных в истории. Здесь есть практически всё: почва и мрамор, деревья и лава, хитроумные элементы для сооружения сложных машин и механизмов. Выбирая строительные кубы, участники возводят, изменяют и дополняют этот мир, сочиняют обширные руководства и советы по конструированию — и проходят онлайн-тесты на тему «Проверь, не слишком ли ты пристрастился к Minecraft». Действительно, этот мир затягивает, ведь он живет и эволюционирует.

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).

Показать полностью 6

Mexovoy

7 лет назад

Кто изобрёл целлулоид?⁠⁠

Нам кажется, что они были всегда. Торговые марки, связанные с этими предметами, во многих случаях стали настолько привычными, что превратились в нарицательные имена. Эти вещи столь прочно и естественно вписались в окружающий нас мир, что мы склонны забывать об истории их возникновения. «Популярная механика» решила восполнить этот пробел.

ЦЕЛЛУЛО́ИД

Мужской род

Твёрдое пластическое вещество из целлюлозы.

Сейчас, когда практически каждый человек может взять в руки кий и сыграть в бильярд, нам сложно представить, что всего лишь полтора столетия назад это было элитарным и недоступным большинству развлечением. Дело в том, что существовал лишь один, очень дорогой материал для изготовления бильярдных шаров — слоновая кость. Изменил ситуацию один изобретательный помощник печатника, заодно положив начало истории термопластиков, сыгравших (и до сих пор играющих) огромную роль в истории нашей цивилизации.

В 1845 году швейцарский химик немецкого происхождения Кристиан Шёнбейн открыл пироксилин — нитроцеллюлозу. Легенда гласит, что он пролил азотную кислоту на хлопковый фартук и, решив высушить его на печке, стал свидетелем взрывного сгорания. Как бы то ни было, нитроцеллюлоза вскоре нашла свое применение в аптечном растворе коллодии, который предназначался для заклеивания небольших ран и царапин. Первым догадался использовать коллодий для других целей британский изобретатель Александр Паркс.

Заметив, что после высыхания он образует тонкую эластичную пленку, Паркс запатентовал его для изготовления водонепроницаемой одежды. В 1862 году на Большой выставке в Лондоне Паркс представил пуговицы и другие изделия из материала под названием «паркезин», который получался из раствора нитроцеллюлозы после испарения растворителя при нагревании. В горячем виде паркезину можно было придать любую форму. Публика проявила интерес, и в 1866 году Паркс основал компанию по производству паркезина… а через два года разорился, не добившись приемлемого качества материала.

В 1863 году 23-летний американец, помощник печатника Джон Уэсли Хайат, на счету которого было уже два изобретения — точилки для ножей и ножниц, заинтересовался объявлением в газете: крупнейший американский производитель бильярдных шаров, компания Phelan and Collander, обещала $10 000 тому, кто найдет приемлемую замену слоновой кости. Хайат не знал о химии почти ничего, но принял вызов и начал эксперименты по смешиванию шеллака, опилок, клочков бумаги и многого другого. Уже в 1865 году он получил первый патент на свой материал и вместе с помогавшим ему братом основал компанию Hyatt Billiard Ball Company.

Впрочем, его бильярдные шары весьма отдаленно напоминали слоновую кость. Но однажды в печатной мастерской он обратил внимание на бутылочку с высохшим коллодием, отметив его консистенцию и твердость. Он попробовал покрывать свои шары смесью коллодия и костяной пыли, а также внес еще несколько усовершенствований, сделав шары более круглыми. И в 1869 году, по-прежнему действуя методом проб и ошибок, он добавил в коллодий камфору — вещество, добываемое из камфорного лавра. Получившийся материал почти идеально имитировал слоновую кость и к тому же оказался термопластичным — собственно, это и был первый в мире полусинтетический термопластик, названный целлулоидом. История умалчивает, получил ли Хайат обещанную премию, но уж слоны-то точно были благодарны изобретателю.

Из целлулоида делали не только бильярдные шары, но и пуговицы, зубные протезы, шашки и многое другое.

Статья «Спаситель слонов» опубликована в журнале «Популярная механика» (№136, февраль 2014).

Показать полностью 2

Mexovoy

7 лет назад

По опыту операции в Сирии российским вертолетам поменяют лопасти⁠⁠

Специалисты считают, что для применения в пустынных районах лучше подойдут цельнокомпозитные детали

Опыт применения вертолетов Воздушно-космических войск в сирийской кампании станет причиной массовой замены «классических» цельнометаллических лопастей несущих винтов на новые — выполненные из композитных материалов. Первой машиной, получившей «композитные» лопасти, стал модернизированный боевой вертолет Ми-28НМ. По словам командующего ВКС Виктора Бондарева, серийные поставки обновленного «Ночного охотника» начнутся не позднее 2017 года. С этого времени массовое обновление винтов ждут и другие вертолеты, стоящие на вооружении российской армии.

— Эксплуатация вертолетов в пустынной местности с сильно запыленной атмосферой и образованием песчаных вихрей при взлетах и посадках вертолетов на необорудованных площадках всегда сопровождается повышенным износом лопастей, — прокомментировали ситуацию «Известиям» в холдинге «Вертолеты России» (входит в «Ростех»). — Так было в Афганистане, Ираке, Египте, Ливии — везде, где вместо земли песок, а в воздухе до высоты в несколько сотен метров висит пелена пыли. Пыль — это абразив. Это было и будет проблемой, решить которую в полной мере нельзя, а можно лишь снизить ее остроту. В том числе переходом на применение современных цельнокомпозитных лопастей.

Как сообщили в «Вертолетах России», цельнокомпозитные конструкции обладают значительно повышенной усталостной прочностью, боевой живучестью и стойкостью к внешним воздействиям, их ресурс во много раз больше, чем у цельнометаллических лопастей.

До последнего времени Минобороны предпочитало закупать исключительно металлические вертолетные лопасти. В военном ведомстве «Известиям» уточнили, что это было вызвано конструктивными особенностями этих изделий — лопасти состояли из нескольких элементов, что позволяло при боевом повреждении одного из них менять не целиком лопасть винта, а только ее часть. С композитными изделиями до последнего времени подобную операцию провести было невозможно. В случае повреждения лопасть заменялась целиком так, что в контексте высокой боевой нагрузки на вертолетный парк было экономически неэффективно.

По словам представителя холдинга «Вертолеты России», на Московском вертолетном заводе им. М.Л. Миля разработана и освоена в опытном производстве новая технология изготовления лопастей несущего винта из современных композиционных материалов на основе углеволокна. Одно из ключевых ее отличий: лопасть изготавливается и полимеризуется в пресс-форме целиком, а не собирается из лонжерона и хвостовых секций, как это было раньше. На ПАО «КВЗ» композиты применяются для изготовления лопастей новых вертолетов «Ансат» и Ми-38. Цельнокомпозитные лопасти несущего и рулевого винтов уже получили вертолеты Ми-38, Ми-35М (модернизированный Ми-24 с винтами по типу Ми-28), Ми-171А2 (также получивший новые лопасти несущего и рулевого винтов, аналогичные применяемым на вертолете Ми-38), кроме того, их ставят на новый тяжелый транспортный вертолет Ми-26М2.

— Доля композиционных материалов в конструкции вертолетов постоянно увеличивается, и в настоящее время на предприятии закончена реконструкция производства с целью увеличения объемов производства деталей из композиционных материалов и улучшения их качества, — рассказал представитель «Вертолетов России». — К сожалению, эксплуатация вертолетной техники в условиях пустынь была и остается сложной задачей: лопасти винтов вертолетов и другие агрегаты всегда будут подвергаться повышенному износу при эксплуатации в пустынных регионах. В холдинге идет поиск мер по защите лопастей винтов вертолетов от абразивного воздействия: исследуются возможности применения современных антиабразивных покрытий и дополнительного усиления передних кромок лопастей.

Точные объемы производства цельнокомпозитных лопастей в холдинге не раскрывают, ссылаясь на закрытость вопроса. Глава компании Александр Михеев лишь отметил, что «Вертолеты России» до 2020 года планируют выпустить 870 машин на общую сумму около 388 млрд рублей. Из этих планов следует и количество необходимых цельнокомпозитных несущих и хвостовых лопастей. Судя по тому, что авиабазу Хмеймим Россия предполагает использовать на постоянной основе, вопрос удешевления эксплуатации вертолетной техники станет для Минобороны первоочередным, а значит, с ним и переход на новые цельнокомпозитные лопасти для всего парка эксплуатируемой в Сирии техники.

— Судя по фотографиям, попавшим в интернет, на модернизированном «Ночном охотнике» уже стоят новые композитные лопасти несущего винта с измененными законцовками, — сообщил «Известиям» эксперт в области вертолетной техники Антон Лавров. — Это свидетельствует о том, что разговор об осмыслении опыта боевого применения вертолетной техники в Сирии не просто слова, а реальная работа, направленная на повышение боевой эффективности наших вертолетов. По некоторым данным, использование новых цельнокомпозитных лопастей на Ми-28НМ приведет к увеличению крейсерской и максимальной скорости вертолета. Если в такой же пропорции увеличилась и надежность самих лопастей, то это решающий аргумент для перехода с металлических на композитные лопасти.

Показать полностью 1

Новости Сирия Политика Вертолет Военная техника Длиннопост

Mexovoy

7 лет назад

Кто изобрел рубанок для сыра?⁠⁠

«Беда, коль сапоги начнет тачать пирожник», — всем нам с детства известны эти мудрые слова. Между тем история изобретения ножа для тонкой нарезки сыра доказывает, что мудрецы не всегда бывают правы.

Норвегия не особо богата на изобретателей. До XX века в стране даже не было патентного бюро, и Йохану Ваалеру, автору самого знаменитого норвежского изобретения — канцелярской скрепки — пришлось патентовать его в Германии. Но в 1925 году, когда 36-летнему столяру-краснодеревщику Тору Бьёрклунду из Лиллехаммера пришла в голову замечательная идея, патентное бюро в Норвегии уже появилось.

Тор Бьёрклунд был прекрасным мастером своего дела, а по характеру — настоящим перфекционистом. А еще он очень любил сыр. Поэтому, как гласит легенда, Тор чрезвычайно разозлился, когда однажды летним днем из-за жаркой погоды кусок твердого сыра стал мягким. Конечно, в дурное настроение его привел не сам этот факт, а то, что у него не получилось нарезать сыр для бутербродов ровными тонкими ломтиками.

Вероятно, именно тогда столяру пришла в голову идея устройства, которое резало бы сыр одинаково ровно и тонко независимо от консистенции. Он вспомнил об инструменте, который использовал каждый день, — обыкновенном рубанке. «Рубанок, — примерно так рассуждал Бьёрклунд, — снимает ровную стружку почти одинаковой толщины и с сосновых, и с дубовых, и с буковых досок. Почему бы не сделать рубанок, снимающий стружку… с сыра?»

Идея оказалась плодотворной и не слишком сложной в реализации. Изготовив несколько прототипов, Бьёрклунд убедился в ее работоспособности и 27 февраля 1925 года получил патент на Osteh? vel, что в переводе с норвежского означает «нож для резки сыра». Два года спустя он основал собственную компанию для производства «рубанков» и столкнулся с двумя серьезными проблемами.

Первая была вполне ожидаема: из-за очень простой конструкции стали возникать многочисленные контрафактные производства, так что за два года изобретатель собрал более сотни различных «пиратских» подделок (что косвенно свидетельствует о высокой популярности изобретения). А вот вторая проблема оказалась совершенно неожиданной: это было практически открытое противостояние со стороны… производителей сыра!

Ход мыслей сыроделов был вполне понятен. «Если любой человек сможет порезать сыр очень тонкими ломтиками, объемы покупаемого сыра значительно упадут».

Сыроделы развернули широкую пропагандистскую кампанию, призывающую отказываться от «рубанков» и использовать обычные ножи. Однако вскоре выяснилось, что объемы продаж сыров не только не уменьшились, но даже наоборот — возросли: тонкость ломтиков давала возможность покупать сыр даже очень бедным покупателям. В результате нож Бьёрклунда стал чрезвычайно популярен и среди богатых, и среди бедных — с момента основания компании было выпущено более 50 млн таких ножей.

Статья «Столярная смекалка» опубликована в журнале «Популярная механика» (№137, март 2014).

Показать полностью 1

Mexovoy

7 лет назад

Происхождение человека. Чем денисовский человек отличается от Homo sapiens?⁠⁠

Интересно, как порой выдающиеся открытия, с одной стороны, сообщают нам какую-то важную истину, а с другой сигналят о том, что до истин еще докапываться и докапываться. Все это в полной мере относится к сенсациям недавних лет, связанным с выявлением ранее неизвестных альтернативных ветвей человечества.

Алтайские горы расположены таким образом, что обогнуть их многочисленным миграциям самых разных двуногих существ было просто невозможно. Рядом обширная полоса степей, идущая от Енисея до Карпат, которая служила настоящими «вратами народов» (обычно так называли ту ее часть, которая проходила между Уральским хребтом и Каспием). С другой стороны гор — пустыни, открывающие путь к Дальнему Востоку и Юго-Восточной Азии. Алтай вместил в себя множество интересных и таинственных мест, среди которых знаменитая Денисова пещера с большим гротом — в нем всегда сухо, а отверстие под куполом днем дает свет и служит естественным дымоходом. Неудивительно, что в Денисовой пещере сотни тысяч лет находили прибежище представители рода Homo, начиная с неандертальцев, которые заселились туда 280?000 лет назад. Оставили там следы и люди исторической эпохи — тюрки и гунны, создатели обширных кочевых империй. Весь этот гигантский промежуток времени люди здесь жили, делали инструменты, поедали или разделывали добытых на охоте животных — в Денисовой пещере обнаружены кости яка, осла, носорога, гиены.

Фото

На полу Денисовой пещеры выросло 20 культурных слоев. Находка в этом массиве мелких костных останков денисовцев — большая удача.

Таким образом над естественным полом пещеры выросло два десятка культурных слоев, наполненных артефактами — свидетельствами жизни самых разных обитателей. Чтобы исследовать эти культурные слои (а раскопки здесь начались во второй половине 1970-х годов), археологам пришлось выкопать глубокую яму. И вот в 2008 году случилось знаменитое открытие: в Денисовой пещере, среди огромного массива культурных слоев была найдена крошечная кость — как потом выяснилось, фаланга мизинца юной особи женского пола. Можно говорить об огромном научном везении, так как эта находка плюс еще несколько небольших костных фрагментов (два зуба, возможно, фаланга пальца ноги) стали единственным свидетельством существования на Земле доселе неизвестного вида людей.

Информативные кости

Сюрпризы продолжились в 2012 году, когда была опубликована работа группы ученых из лейпцигского Института Макса Планка (руководителем группы был шведский биолог Сванте Пеэбо). Ученым удалось с высокой точностью секвенировать как ядерную, так и митохондриальную ДНК денисовцев, как теперь стали называть наших вымерших двоюродных братьев, и появилась возможность предметно говорить о родстве живших в Денисовой пещере 75−30 тыс. лет назад людей с Homo sapiens и Homo neanderthalensis. Секвенирование «денисовской» ДНК стало реальным лишь с возникновением новых технологий работы с генетическим материалом, который в ископаемых костях представлен, как правило, фрагментарно. В частности, был применен метод искусственного восстановления двухнитевых ДНК в тех случаях, когда в исходном образце одна из нитей оказывалась поврежденной.

Фото

На схеме показано идущее от общего предка родословное древо сапиенсов, денисовцев и неандертальцев, а также человекообразных обезьян. Красным показан порог, после которого из 24 пар обезьяньих хромосом после слияния получилось 23 пары человеческих.

Что же касается родства, то удалось выяснить, что, согласно анализу мтДНК, отличие современного человека от денисовца составляет 385 нуклеотидов, в то время как различие между Homo sapiens и неандертальцем равно 202 нуклеотидам. Анализ ядерной ДНК показал, что неандертальцы и денисовцы имели общего предка, который жил, возможно, около 700?000 лет назад (датировка крайне приблизительная). Предок же этой ветви и Homo sapiens — так называемый «человек предшествующий» (Homo antecessor) обитал на Земле более миллиона лет назад.

Значит, с родством все ясно? Не совсем. Известно, что Homo sapiens появились около 200?000 лет назад на Африканском континенте. Полторы сотни тысяч лет спустя небольшая популяция сапиенсов (порядка 40−50 тыс. человек) решилась покинуть свой африканский дом и ушла на Ближний Восток, а потомки этих людей заселили все континенты, кроме Антарктиды. Таким образом, все исконные жители Старого и Нового Света за исключением Африки — то есть белые европейцы, китайцы, эскимосы, американские индейцы — являются потомками беглецов из Африки, численность которых сравнима с населением райцентра. При этом сапиенсы были, разумеется, не первыми представителями рода Homo, ушедшими в Евразию. До этого туда пропутешествовал Homo erectus, давший в Европе потомство в виде гейдельбергского человека или в Азии в виде синантропов и питекантропов.

Общие дети разных людей

Придя на Ближний Восток, сапиенсы встретили там ранее пришедших неандертальцев. Тогда же случилось то, что в науке называется гибридизацией: наши предки и неандертальцы стали скрещиваться, и у них появилось потомство. Предположительно это была первая, но не единственная волна гибридизации этих видов. Второй эпизод, согласно генетическим данным, мог происходить на Дальнем Востоке с участием со стороны Homo sapiens предков китайцев и американских индейцев. На сегодняшний день процент неандертальских генов в геноме представителей разных народов мира составляет 1−4%.

После того как удалось получить точные данные о геноме денисовцев, было сделано еще одно важное открытие. Оказалось, что гибридизации с Homo sapiens не удалось избежать и денисовцам. Обитая неподалеку от «врат народов», они встретились с некой ветвью предков современных людей, которая затем прошествовала в сторону Юго-Восточной Азии, а точнее — ее островной части. Меланезийцы, представители австралоидной расы (среди них наиболее известны у нас папуасы) содержат в своем геноме до 6% «денисовских» генов. Хотя совершенно необязательно, что гибридизация произошла именно на Алтае, — сейчас считается, что этот вид людей имел широкий ареал обитания в Евразии.

Таким образом, некоторые современные люди, обитающие, правда, в основном в одном уголке планеты, могут считать себя более близкой родней денисовцам, чем все остальные. Однако есть другая загадка, которую преподнесла находка в Денисовой пещере. Похоже, на ее основании можно предположить существование еще одного вида людей, от которых пока не найдено даже крохотной косточки.

Неандертальцы и денисовцы составляют две ветви, происходящие от общего предка, но, как уже сказано, Homo neanderthalensis генетически заметно ближе к сапиенсу, чем денисовец. Более того, в «денисовском» геноме есть примерно 1% генов, которых нет у неандертальцев и которые заметно древнее остальных: на это обратил внимание американский биолог Дэвид Рейч из Гарвардской школы медицины. Остается предположить, что гибридизация с сапиенсами была не единственной, которой подверглись «денисовские» люди. Теперь выдвигается предположение о том, что они на своем историческом пути могли скрещиваться и с другими видами рода Homo.

Исследователи обратили внимание на то, что найденный в Денисовой пещере зуб, который, как и фрагмент фаланги, стал предметом генетического анализа, имеет необычно большой размер, что типично для более ранних гоминид. Это может означать, что партнерами по скрещиванию выступали представители какого-то вида людей, которые вышли из Африки еще раньше и сапиенсов, и денисовцев, и неандертальцев. Возможно, об этом виде до сих пор ничего не известно, а можно предположить, что это были, например, представители гейдельбергского человека. Что мешает это проверить? Отсутствие секвенированного генома последнего.

Фото

Зуб «денисовского» человека наряду с фрагментом фаланги мизинца стал для генетиков ключом к геному неведомого ранее вида людей.

Придется снова напомнить, что выделение качественной генной информации ископаемых останков денисовцев было уникальным случаем и большой научной удачей. Это же касается и генов неандертальцев. Дело в том, что и те и другие обитали в сравнительно холодных и влажных областях мира, и климат обеспечил сохранность сложных молекул внутри костных останков. В жарком климате, где солнце выжигало кости добела, ДНК практически полностью разрушалась.

Открытия еще впереди

К сожалению, в силу скудности найденного пока ископаемого материала очень трудно сказать, насколько денисовцы отличались от современных людей внешним обликом и поведением, или обладали ли они, например, речью. Различия в геноме сапиенса и денисовца могут указывать на то, что определенные мутации, отвечающие в нашем геноме за важные функции, связанные с развитием нервной системы и работой мозга, у денисовцев, как у представителей иной ветви человечества, не отмечены. Это может означать, что человеческим разумом в полном смысле эти вымершие люди не обладали, что, разумеется, не помешало им оставлять совместное с сапиенсами потомство.

Казалось бы, в этот же ряд «криптолюдей» вписывается и Homo florensiensis — останки представителей этого вида были обнаружены в 2003 году в пещере Лианг-Буа на острове Флорес. Этих существ, которых сразу же окрестили «хоббитами», отличал маленький рост (1 м) и крайне небольшой объем мозга — 400 см3. Это меньше, чем у шимпанзе, и сопоставимо с объемом мозга афарского австралопитека, который не принадлежал к роду Homo. Таким образом, флоресские карлики, очевидно, находились на более низкой стадии развития, чем неандертальцы или денисовцы. Да, они производили примитивные каменные орудия, вероятно, занимались с их помощью охотой и строительством, но к созданию каменных орудий был способен и австралопитек. По одной из бытовавших гипотез, Homo florensiensis мог быть потомком питекантропа, достаточно развитого существа, который попал в условия островной изоляции (а современная и ископаемая фауна острова Флорес наполнена эволюционными курьезами) и там видоизменился, или, можно было бы сказать, деградировал. Последний термин, правда, вряд ли уместен, так как предполагает понимание эволюции как неизменного движения от низших форм к высшим, в то время как в реальности имеет значение лишь приспособление методом естественного отбора. Сейчас, однако, гипотезу об уменьшившемся и поглупевшем питекантропе разделяют далеко не все, подозревая в предках «хоббитов» каких-то менее развитых существ типа тех же австралопитеков.

Однако есть еще один интересный пример, когда следы какого-то таинственного человекоподобного существа явно прослеживаются в геноме современного человека. Правда, речь опять же идет о специфической группе Homo sapiens.

Африка — настоящий кладезь генетического разнообразия. Если вспомнить, что неафриканское человечество восходит к нескольким десяткам тысяч африканцев, ушедших в Евразию, нетрудно предположить, что генетические различия между немцем и японцем могут оказаться значительно меньшими, чем между представителями разных африканских народов, где сапиенсы развивались 200?000 лет. Но пигмеи в западном Камеруне и народности хадза и сандаве в Танзании являют собой особый случай. Как можно заметить по географической карте, Танзанию и Камерун разделяет приличное расстояние, а вот представителей трех упомянутых народов объединяют общие участки ДНК, и это указывает, во-первых, на общих предков, живших самое позднее 40 000 лет назад, и, во-вторых, на то, что эти самые предки уже были обладателями вышеупомянутых участков. Группа биологов из Пенсильванского университета под руководством Сары Тишкофф опубликовала работу в журнале Cell, в ней утверждалось, что общие для трех народов участки ДНК являются следами гибридизации с доселе неизвестным и жившим в Африке еще 80−20 тыс. лет назад видом людей, который произошел от общего с неандертальцами предка примерно 1,2 млн лет назад.

Проблема лишь в том, что от этих гипотетических людей опять-таки не найдено ни косточки — генетики вновь совершили открытие «на кончике пера». Косвенным подтверждением, что еще в недавнюю эпоху в Африке могли существовать какие-то виды людей, не относящихся к сапиенсам, может служить находка в Иво-Элеру (Нигерия). Там был обнаружен довольно примитивный череп, датируемый, однако, эпохой безраздельного властвования сапиенсов, — 13 000 лет назад. Иными словами, существует проблема определенного рассогласования между выкладками генетиков и находками палеоантропологов, работающих «в поле».

Но не будем забывать: не случись удачи с находкой крошечных костных фрагментов в Денисовой пещере, ни про каких денисовцев сегодня никто бы не знал вообще.

Австралийцы были первыми

Карта на соседней странице показывает пути миграций предков разных групп Homo sapiens по Евразии. Как видно, предки австралийских аборигенов и папуасов были в той же самой группе выходцев из Африки, что и предки будущего населения Европы и Азии, — они вместе отделились от своих африканских родственников 75−62 тыс. лет назад. Однако «австралийская» ветвь (красная стрелка) отправилась в Евразию первой, еще до того, как 38−25 тыс. лет назад «европейцы» отделились от «азиатов» (в частности, имеется в виду предковая линия китайцев — хань). Вторая волна миграции, прошедшая через Переднюю Азию, Индию и Индокитай, вытеснила и поглотила представителей «австралийской» ветви на континенте, а аборигены Австралии и папуасы оказались в изоляции на 50?000 лет. На карте отмечена и гибридизация с денисовцами.

Генетическая ясность

Честь научного доказательства гибридизации между Homo sapiens с одной стороны и денисовцами, а также неандертальцами — с другой принадлежит группе ученых из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге (ФРГ) под руководством шведского генетика Сванте Пеэбо. На основании костных останков из Хорватии исследователям удалось в 2010 году прочитать геном неандертальца. В 2012 году аналогичная работа была проведена в отношении генома денисовцев. «Денисовский» геном отсеквенирован со средним покрытием 31 (99,4% нуклеотидов прочтено не менее 10 раз, 92,9% - не менее 20). Таким образом, качество прочтения генома соответствует отсеквенированным геномам современных людей, что и позволило заняться сравнением.

Статья «Крипточеловечество» опубликована в журнале «Популярная механика» (№141, июль 2014)

Показать полностью 4

Mexovoy

7 лет назад

Генетическая модернизация: развеиваем мифы о ГМО⁠⁠

Во вселенной стратегической компьютерной игры StarCraft внеземная раса зергов примечательна тем, что научилась усваивать генетический материал других организмов и преобразовывать собственные гены, меняясь и адаптируясь к новым условиям. Эта, на первый взгляд, фантастическая идея намного ближе к реальным возможностям живых организмов, чем кажется.

Сегодня мы очень много знаем про ДНК: этой двухцепочечной молекуле посвящено более двух миллионов научных публикаций. Молекулу ДНК можно рассмотреть как текст, написанный с использованием алфавита из четырех букв (нуклеотидов). Совокупность всех нуклеотидов, составляющих хромосомы любого организма, называется геномом. Геном человека насчитывает примерно три миллиарда «букв».

Отдельные участки генома представляют собой обособленные гены — функциональные элементы, которые чаще всего отвечают за синтез конкретных белков. У человека около 20 000 кодирующих белки генов. Белки, как и молекулы ДНК, являются полимерами, но состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. «Алфавит» аминокислот, входящих в состав белков, насчитывает 20 молекул. Зная нуклеотидную последовательность гена, можно точно определить аминокислотную последовательность белка, который он кодирует. Дело в том, что все организмы используют один и тот же (с небольшими вариациями) хорошо изученный генетический код — правила соответствия кодонов (троек нуклеотидов) определенным аминокислотам. Подобная универсальность позволяет генам из одного организма работать в другом организме и при этом производить тот же самый белок.

Естественная инженерия

Один из основных методов генной инженерии растений использует агробактерии и разработанный ими механизм модификации растительных геномов (см. «ПМ» № 10'2005). Гены обитающих в почве агробактерий кодируют специальные белки, способные «протащить» определенную молекулу ДНК в растительную клетку, встроить ее в растительный геном и тем самым заставить растение производить нужные для бактерии питательные вещества. Ученые позаимствовали эту идею и нашли ей применение, заменив нужные бактериям гены на те, которые кодируют белки, необходимые в сельском хозяйстве. Например, Bt-токсины, которые производят почвенные бактерии Bacillus thuringiensis, абсолютно безопасные для млекопитающих и ядовитые для некоторых насекомых, или белки, придающие растению устойчивость к конкретному гербициду.

Обмен генами для бактерий, даже не родственных — очень распространенное явление. Именно из-за этого микробы, устойчивые к пенициллину, появились уже через несколько лет после начала его массового применения, а в наши дни проблема устойчивости к антибиотикам стала одной из самых тревожных в медицине.

От вирусов к организмам

Естественной «генной инженерией» занимаются не только бактерии, но и вирусы. В геномах многих организмов, включая человека, есть транспозоны — бывшие вирусы, которые давно встроились в ДНК хозяина и, как правило, не принося ему вреда, могут «перескакивать» с одного места в геноме на другое.

Ретровирусы (такие как ВИЧ) умеют встраивать свой генетический материал прямо в геном эукариотических клеток (например, клеток человека). Аденовирусы не встраивают свою генетическую информацию в геномы животных и растений: их гены могут включаться и работать без этого. Эти и другие вирусы активно используются в генной терапии для лечения целого спектра наследственных заболеваний.

Таким образом, естественная генная инженерия очень широко используется в природе и играет огромную роль в адаптации организмов к окружающей среде. Еще важнее то, что все живые организмы постоянно подвергаются генетическим изменениям в результате случайных мутаций. Из этого следует важный вывод: по сути, каждый организм (если не считать клонов) является уникальным и генетически модифицированным по сравнению со своими предками. У него есть как новые мутации, так и новые комбинации существовавших ранее вариантов генов — в геноме любого ребенка обнаруживаются десятки генетических вариантов, которых не было ни у одного из родителей. Кроме возникновения новых мутаций, в ходе полового размножения в каждом поколении возникает новая комбинация уже существующих у родителей генетических вариантов.

Проверено в опытах

Сегодня активно обсуждается безопасность пищевых продуктов, содержащих генетически модифицированные организмы (ГМО). Для продуктов генной инженерии, осуществляемой человеком, намного лучше подходит термин «генетически модернизированные организмы», так как генная инженерия позволяет ускорить те процессы генетических изменений, которые самостоятельно происходят в природе, и направить их в нужное человеку русло. Однако между механизмами генетической модернизации и природными процессами генетической модификации нет никаких существенных различий, поэтому вполне обоснованно можно считать, что производство ГМ-продуктов питания не несет дополнительных рисков.

Однако, как и любая научная гипотеза, безопасность ГМО нуждалась в экспериментальной проверке. Вопреки многочисленным утверждениям противников ГМО, этот вопрос очень и очень тщательно исследуется не первый десяток лет. В этом году в журнале Critical reviews in biotechnology был опубликован обзор почти 1800 научных работ, посвященных изучению безопасности ГМО за последние десять лет. Лишь в трех исследованиях возникли подозрения о негативном влиянии трех конкретных ГМ-сортов, но эти подозрения не оправдались, еще в двух случаях была установлена потенциальная аллергенность ГМ-сортов. Единственный подтвержденный случай касался гена бразильского ореха, встраиваемого в ГМ-сорт сои. Стандартная в таких случаях проверка реакции сыворотки крови людей, страдающих аллергией, на белок нового ГМ-сорта, показала существование опасности, и разработчики отказались от продвижения сорта на рынок.

Кроме того, стоит отдельно упомянуть обзор 2012 года, опубликованный в журнале Food and Chemical Toxicology, в который вошло 12 исследований безопасности употребления ГМО в пищу на нескольких (от двух до пяти) поколениях животных и еще 12 исследований на животных долгосрочного (от трех месяцев до двух лет) потребления ГМО в пищу. Авторы обзора пришли к выводу об отсутствии каких-либо негативных эффектов ГМО (по сравнению с немодернизированными аналогами).

Фото

Генетическая модернизация c использованием T-плазмиды, в которой гены, вызывающие опухоль и синтез питательных веществ для паразита, заменены на гены, нужные разработчикам нового сорта. Контрольный ген чувствительности к антибиотику позволяет отсеять клетки, в которых не произошло внедрение целевого гена.

Скандальные разоблачения

Вокруг некоторых работ, якобы показывающих вред отдельных ГМ-сортов растений, возникают курьезы. Типичный пример, который очень любят приводить противники ГМО, — это нашумевшая публикация французского исследователя Сералини в журнале Food and Chemical Toxicology, который утверждал, что ГМ-кукуруза вызывает рак и увеличение смертности крыс. В научной среде работа Сералини вызвала бурные дискуссии, но не потому, что исследователь получил и опубликовал какие-то уникальные данные. Причиной было то, что с научной точки зрения работа была выполнена крайне небрежно и содержала грубые ошибки, заметные с первого взгляда.

Тем не менее представленные Сералини фотографии крыс с крупными опухолями произвели огромное впечатление на общественность. Несмотря на то что его статья не выдержала объективной критики и была отозвана из журнала, ее продолжают цитировать противники ГМО, которых научная сторона вопроса явно не интересует, а фотографии больных крыс до сих пор показывают с экранов.

Научный уровень обсуждения потенциальной опасности ГМО в СМИ и в обществе в целом поражает наивностью. На прилавках магазинов можно встретить крахмал, соль и даже воду «без ГМО». ГМО постоянно путают с консервантами, пестицидами, синтетическими удобрениями и пищевыми добавками, к которым генная инженерия не имеет прямого отношения. От реальных проблем безопасности питания подобные дискуссии уводят в область спекуляций и подмены понятий.

Опасности — настоящие и нет

Впрочем, ни эта статья, ни другие научные работы не пытаются доказать, что ГМО «абсолютно безопасны». На самом деле ни один продукт питания не является абсолютно безопасным, ведь еще Парацельс сказал знаменитую фразу: «Всё есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным». Даже обычная картошка может вызывать аллергию, а позеленевшая содержит токсичные алкалоиды — соланины.

Может ли как-то измениться работа уже имеющихся генов растения в результате встраивания нового гена? Да, может, но от изменений в работе генов не застрахован ни один организм. Может ли в результате генной инженерии появиться новый сорт растения, который распространится за пределы сельскохозяйственных угодий и как-то повлияет на экосистему? Теоретически и такое возможно, но и это происходит в природе повсеместно: появляются новые виды, экосистемы меняются, одни виды вымирают, другие занимают их место. Однако нет оснований полагать, что генная инженерия несет в себе дополнительные риски для окружающей среды или для здоровья людей или животных. Но про эти риски постоянно трубят в СМИ. Почему?

Рынок ГМО в значительной степени монополизирован. Среди гигантов на первом месте стоит компания Monsanto. Разумеется, крупные производители ГМ-семян и технологий заинтересованы в прибыли, у них есть собственные интересы и собственное лобби. Но они зарабатывают деньги не «из воздуха», а предлагая человечеству прогрессивные сельскохозяйственные технологии, за которые производители голосуют самым убедительным образом — долларом, песо, юанем и т. д.

Основные производители и поставщики «органических» продуктов, выращенных с использованием устаревших технологий и, следовательно, более дорогих (но не более качественных) — тоже вовсе не мелкие фермеры, а такие же крупные компании с многомиллиардными оборотами. Только в США рынок органических продуктов составил в 2012 году $31 млрд. Это серьезный бизнес, и, поскольку органик-продукты не имеют каких-либо преимуществ перед ГМО, но обходятся дороже в производстве, рыночными методами конкурировать с ГМ-сортами они не могут. Вот и приходится посредством СМИ внушать доверчивым потребителям ничем не обоснованный страх перед мифическими «генами скорпиона», который и рождает спрос на дорогие и нетехнологичные «органик-продукты». Кроме того, противники ГМО, описывающие страшные опасности генно-модифицированных сортов, вырабатывающих белок B. thuringiensis, обычно забывают упомянуть о том, что препараты на основе таких культур или выделенных из них белков в «органическом земледелии» разрешены (и широко применяются). Как и натуральный навоз, который может оказаться источником кучи патогенных бактерий и прочей натуральной гадости.

Немного политики

Сегодня генная инженерия — одна из наиболее изученных с точки зрения безопасности технологий. Она позволяет создавать более качественные продукты питания, уменьшить количество используемых на полях пестицидов и защитить окружающую среду (да, именно защитить: на полях, засеянных Bt-сортами, живет больше насекомых и птиц, чем на «обычных», которые приходится регулярно обрабатывать инсектицидами).

Но существует и еще одна причина «борьбы» с ГМО — исключительно политическая. Страны, значительно отставшие в сфере биотехнологий, пытаются найти повод не допустить более дешевые продукты из других стран на свой рынок. Впрочем, такая защита отечественных производителей от иностранной продукции имеет смысл только в том случае, если помогает выиграть время, чтобы развить собственные технологии до конкурентоспособного состояния. Если же этого не делать, есть серьезный риск отстать от мирового научного и технологического уровня. Навсегда.

Крахмал и жиры без ГМО

Согласно ГОСТ Р 51953−2002 «Крахмал и крахмалопродукты», модифицированными называют крахмалы, свойства которых изменены (естественно, в лучшую сторону по сравнению с натуральным) в результате физической, химической, биохимической или комбинированной обработки. То ли по невежеству, то ли для красного словца обывателей часто пугают «генетически модифицированным крахмалом». Еще один распространенный ляп безграмотных журналистов — «трансгенные жиры». Так часто обзывают трансизомеры жирных кислот, или трансжиры. Ни к крахмалу, ни к трансжирам генетические методы прямого отношения не имеют.

Автор — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции Института проблем передачи информации РАН

Статья «Генетическая модернизация» опубликована в журнале «Популярная механика» (№142, август 2014).

Показать полностью 2

Отличная работа, все прочитано!

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 30