Науки - наукам

Намер Л., Ильин И.
(«ХиЖ», 2017, №6)

В учебнике предусмотрены специальные вставки дополнительного материала. Содержание вставок охватывает разнообразные межпредметные связи, например «математика в химии», «информатика в химии», «физики для химиков», «химики для физиков», «химия и писатели», «химия и поиски внеземной жизни».

Из пояснительной записки к учебнику химии А.В.Мануйлова

pic_2017_06_32.jpg

Бургомистр Отто фон Герике и шары, из которых он добывал электричество



Наука, инженерия и приборы

Науку принято делить на науки — физику, химию, биологию и другие. И отделять науки, как способ получения знания, от инженерии, как способа создания вещей. Разумеется, и первое, и второе деления и нечетки, и дискуссионны, но несколько лет после окончания школы мы еще помним, что законы Ньютона относятся к физике, NaCl —к химии, а позже делим интуитивно. Заметим, что науки интуитивно делятся, а инженерия — не вполне: отдельных слов для «инженерий» нет, приходится говорить — инженер-математик, инженер-физик, инженер-химик... термин инженер-биолог уже появился, хотя пока он употребляется в 30 раз реже.

Среди всего того, что создают инженеры, есть и научные приборы — ускорители и телескопы для физики, хроматографы и спектрофотометры для химии, микроскопы и секвенаторы для биологии. Инженеры работают над этими приборами вместе с учеными-заказчиками, сотрудничество тем более тесное, чем более новый прибор предполагается создать. А еще лучше, если это делают инженеры-физики, инженеры-химики и т. д.: они знают специфику наук. Но каких именно — своих наук или наук-заказчиков? Этот вопрос возникает потому, что приборы для одной науки могут создавать инженеры от других наук, а прибор, сконструированный с использованием результатов одной науки, находит применение в другой. Например, радиотелескопы для физики создают инженеры-физики или инженеры вместе с физиками. Но электронный микроскоп, явный продукт физики, используют биологи и химики. Спектроанализаторы — тоже продукт физики, но они применяются в химии. И вообще, если обозреть приборный парк химии и биологии, то возникает впечатление, что большую часть приборов для химии и биологии создали физики и инженеры-физики; разумеется, вместе с заказчиками. А бывает ли наоборот? Например, используют ли физики приборы и методы, созданные химиками?


Разделение физики и химии

Дробление наук на все более узкие области приводит к постепенному стиранию граней между физикой и химией. И если в XVIII веке еще были ученые, которые могли внести существенный вклад в разные области знания (их называли естествоиспытателями), то сейчас трудно представить человека, одинаково хорошо разбирающегося во всех областях даже одной науки, например физики или химии. Первые научные журналы тоже не разделялись по разным отраслям знаний. Так, в 1665 году в Париже начал издаваться «Журнал ученых» (Journal des savants), в Лондоне — «Философские записки» (Philosophical Transactions), а Лейпциге с 1682 года — журнал «Труды ученых» (Acta eruditorium). Отголосок тех лет — название журнала The Philosophical Magazine, в котором публиковались вовсе не философские труды, а статьи, посвященные теоретической, экспериментальной и прикладной физике. Именно в нем были напечатаны многие пионерские работы Эрнеста Резерфорда и других крупнейших физиков, а название объясняется тем, что журнал был основан в XVIII веке, когда еще трудились последние ученые-энциклопедисты. Позже у этого журнала появилось второе, «поясняющее», название: A Journal of Theoretical, Experimental and Applied Physics. Присваиваемое в ряде стран ученое звание «доктор философии» (Philosophy Doctor, PhD) также напоминает о тех временах, когда естествоиспытателей называли философами.

Отделение химии от физики началось, по-видимому, в XVII веке благодаря работам Роберта Бойля и других ученых. В течение нескольких веков, вплоть до середины ХХ столетия, и способ мышления, и экспериментальные методы, используемые физиками и химиками, сильно различались. Физики изучали фундаментальные свойства вещества, а химики часто имели дело с эмпирическими методами, позволяющими превращать одни вещества в другие. А чем же занимались физикохимики? Здесь можно вспомнить не слишком серьезное определение американского физикохимика Эдварда Уошберна (1881—1934), издателя семитомного справочника International Critical Tables of Numerical Data. Physics, Chemistry and Technology (1926—1933): «Физик проводит измерения с помощью очень точных приборов, но на очень грязных химических веществах; химик делает те же измерения посредством очень грубых приборов, но с очень чистыми реактивами; физикохимик же использует не только плохие приборы, но и грязные реактивы». Это тот самый Уошберн, который предложил разделять изотопы водорода электролизом, что позволило получить дейтерий и тяжелую воду.

Заметим, что разделение биологии и физики — тоже интересный и непростой вопрос. И он — по крайней мере, в одном пункте — имеет прямое отношение к нашей теме. А именно, если посмотреть на историю изучения электрических рыб (см. «Химию и жизнь», 2011, 9), то видно, что при изучении данной группы объектов эти две науки не только работали вместе, но и были тесно переплетены. Один и тот же ученый мог изучать и электричество, и зверушек, да и с объектом не было ясности, то ли «животное электричество» физический феномен, то ли некое таинственное свойство живого? Заметим, что получение чисто физического, причем катастрофически важного, знания именно биологическими методами не исключено. Например, это произошло бы при обнаружении телепатии или кожного зрения.


Химия для физики: открытие трансуранов

Известно несколько применений химических методов и процессов в самой что ни на есть передовой физике. Начнем с получения трансурановых элементов. Сами трансураны получают при ядерных реакциях, но требуется еще выделить их атомы из облучаемого в реакторе материала либо из мишени, если облучение шло в ускорителе. Разделение делалось или традиционными химическими методами, или ионообменными. Подробности см. в книге «Популярная библиотека химических элементов», глава «Эйнштейний» (М.: «Наука», 1977, http://n-t.ru/ri/ps/pb099.htm). Кстати, в основу этой книги были положены публикации в журнале «Химия и жизнь».

Занималась добычей трансуранов группа радиохимиков Калифорнийского университета во главе с Гленном Сиборгом (1912—1999). В раствор, содержащий смесь актиноидов, они насыпали крупицы полимера-катионита. Ионы элементов с порядковым номером от 89 и больше переходили из раствора на катионит. Оставалось отмыть их с гранул и разделить, для чего использовали классический метод химии — хроматографию. Мокрые крупицы катионита помещали в верхнюю часть колонки, наполненной тем же самым полимером. Затем через колонку нужно было пропустить специальные жидкости (элюенты), которые вымывают различные элементы с разной скоростью. Например, для разделения лантаноидов используют соляную кислоту и цитрат аммония. Эти же вещества решили использовать при разделении актиноидов: ведь актиноиды и лантаноиды — химические аналоги.

Из-за неодинаковой прочности сцепления разных ионов с катионитом в первых каплях элюента, выходящего из колонки, содержался только самый тяжелый элемент, в последующих — второй, чуть более легкий, и так до самого легкого. Каждую каплю раствора принимали на отдельный платиновый диск и тут же определяли радиоактивные свойства элемента, принесенного в этой капле. Если по химическим свойствам актиноиды — почти двойники, то по радиоактивным они различны.

Атомы новых элементов с большими номерами получают почти поштучно, их наличие устанавливают косвенно, по дальнейшему распаду — в цепочке распада наличествуют изотопы, про которые уже известно, как они распадаются, а энергии вылетающих при этом частиц могут быть измерены с достаточной для идентификации точностью. По этим энергиям может быть установлен нуклид — продукт распада, а уже по нему — искомый новый элемент.

Девятнадцатого декабря 1952 года группа ставила очередной опыт. Было известно, в какой капле должен появиться самый тяжелый из открытых к тому времени элементов – калифорний. Однако раньше, в «докалифорниевых» каплях, приборы зарегистрировали альфа-частицы с энергией 6,6 МэВ. Их порождали атомы неизвестного элемента. Стали считать капли, в которых новый элемент давал о себе знать. Налицо была аналогия с десятым лантаноидом — гольмием. Значит, гольмий — ближайший аналог нового элемента и этот элемент — десятый актиноид; следовательно, его номер 99. Спустя месяц таким же путем был найден элемент № 100. Впоследствии эти элементы назвали эйнштейнием и фермием.


Химия для физики: изучение нейтрино

Другой пример, когда химические методы помогли решить важную физическую задачу, — извлечение единичных атомов германия в галлий-германиевых нейтринных детекторах GALLEX, GNO (на растворе GaCl3)и SAGE (на жидком Ga). Механизм работы детектора основан на том, что атом галлия-71 при захвате нейтрино превращается в атом германия-71. Процесс это весьма маловероятный, и поэтому приходится извлекать единичные атомы германия из 50 тонн жидкого галлия (в детекторе SAGE). Метод описан в диссертации и статьях его разработчика, С.М.Киреева.

Из жидкого галлия создается дисперсная система — капли галлия в кислом растворе, с соотношением металла и раствора 100:1 (по массе). На поверхности капель в присутствии окислителя образуется и поддерживается пленка оксида галлия, которая собирает в себе микропримеси, в том числе германий. Площадь пленки велика, поскольку капли мелкие, а объем маленький, потому что пленка тонкая. В результате германий накапливается в небольшом объеме оксидной пленки. Из этой пленки его переводят в раствор, концентрируют, превращают в моногерман GeH4, который и поступает в систему регистрации распадов единичных атомов. Полнота выделения зависит от скорости диффузии атомов из объема жидкого металлического галлия к границе раздела фаз. Задавая время существования дисперсной системы, можно добиться практически полного извлечения.

Вообще, химических технологий существует великое множество, и все, что нас окружает, создано с их помощью, в том числе разнообразные объекты, необходимые физикам. Но в большинстве случаев они создаются и применяются не специально для физики, хотя и развитие физики без них существенно затормозилось бы. Достаточно сказать, что при изготовлении всех полупроводниковых приборов, микросхем и процессоров используются химические технологии, например травление фото-, рентгено- и электронорезистов. Менее известный пример — катоды мощных электровакуумных приборов, без коих не было бы радиолокации, космической связи и ускорителей. Теперь попробуйте представить физику без всего этого.

Однако были случаи разработки химических технологий специально в интересах физики. Один из самых ранних примеров — технология изготовления сверхтонких, диаметром от одного до нескольких микрон, платиновых нитей для применения в самых чувствительных приборах, таких, как упругие элементы, датчики температуры и мощности излучения. Это сделал Уильям Волластон (1766—1828); он же открыл палладий и родий. Другой пример — химическая технология покрытия зеркал телескопов серебром; правда, сейчас перешли на вакуумное напыление алюминия, причем опять-таки по химической причине — серебро взаимодействовало с серосодержащими газами атмосферы.


Химия для физики: источники электричества

pic_2017_06_34-1.jpg

Древняя электрофорная машина. Кунсткамера, Санкт-Петербург

До создания гальванических элементов и аккумуляторов возможности физиков по части изучения электричества были весьма ограниченными. Физики имели дело только со статическим электричеством, которое получали с помощью трения. Когда-то натирали янтарь (по-гречески electron), потом шары из серы и стекла. Если верить литературным источникам, у Отто фон Герике (1602—1686) шар из серы был «величиной с детскую голову», хотя на рисунках из других источников он явно крупнее. Кстати, фон Герике — тот самый бургомистр Магдебурга, которого школьники знают как физика-экспериментатора: это он пытался разделить «магдебургские полушария» шестнадцатью лошадиными силами, но атмосферное давление воспрепятствовало.

Затем вместо шаров стали использовать стеклянные трубки или диски, которые вращали с помощью педального механизма. Натирали стекло уже не ладонями, а специальными кожаными подушечками.

В процессе трения разнородных веществ электрические заряды на их поверхности разделяются, и два вещества заряжаются противоположно. Механизм этого явления физика объяснила только во второй половине ХХ века. В электрофорной машине (в переводе с греческого — «несущие электричество») разделившиеся заряды с помощью проводников подводятся к двум металлическим шарам, находящимся на небольшом расстоянии друг от друга. Когда электрический заряд на шарах становится достаточно большим, между ними проскакивает маленькая молния — электрическая искра. Электрофорные машины давали такие сильные искры, что могли даже воспламенить горючую жидкость — эфир. Чтобы между двумя шарами, находящимися в сухом воздухе на расстоянии одного сантиметра, проскочила искра, напряжение между ними должно быть около 30 кВ. Но даже когда человек причесывается, напряжение на расческе может достичь 10 кВ.

Эксперименты с электрофорными машинами позволили сделать несколько важных открытий. Оказалось, что определенные вещества — металлы, графит, водные и некоторые неводные растворы — передают электричество на большие расстояния; их назвали проводниками. Не проводящие ток вещества назвали изоляторами. Вслед за электрофорными машинами были созданы простейшие конденсаторы —в лейденской лаборатории Питера ван Мушенбрука. Один из сотрудников лаборатории Андреас Кунеус (1712—1778) решил с помощью электрической машины «зарядить электричеством» воду в стеклянной колбе, которую он держал в руке. Кунеус подсоединил к электрической машине кусок проволоки, которая через горлышко колбы спускалась в воду. Когда Кунеус решил, что накоплен достаточный электрический заряд, он попытался свободной рукой вынуть проволоку из сосуда и неожиданно получил сильный электрический удар. Такое же явление одновременно и независимо обнаружил и немецкий физик Эвальд Георг фон Клейст (1700—1748).

pic_2017_06_34-2.jpg

Дети и электричество. Электрофорные машинки можно повертеть, а отодрав кусок бумаги (рулон висит под прилавком), убедиться, что молния пробивает изоляцию. Музей науки, Иерусалим

Фото Натальи Кленицкой

Выяснилось, что с помощью лейденской банки электрический заряд, полученный трением, можно накапливать в больших количествах и сохранять длительное время. Чтобы удобнее было подводить электрические заряды к стенкам банки, их начали обклеивать снаружи и изнутри тонкой оловянной фольгой. Это был прообраз современного конденсатора. А для увеличения заряда делали батарею из нескольких банок. Лейденская банка могла накопить так много электричества, что дотрагиваться до нее было опасно. Конденсаторы могут сохранять заряды в течение длительного времени. В последние десятилетия появились новые конденсаторы емкостью больше фарада. Это так называемые ионисторы (см. «Химию и жизнь», 2005, 5). Они работают при небольших напряжениях, порядка 5–10 Ви имеют малые размеры.

С помощью статического электричества французский физик Шарль Огюстен де Кулон (1736—1806) открыл закон, носящий его имя. Но дальнейший прогресс в изучении электрических явлений был невозможен без источников постоянного тока. Впервые его создал итальянский физик Алессандро Вольта (1745—1827). В течение XIX века усилиями физиков и химиков было сделано множество таких источников, названных гальваническими элементами (см. «Химию и жизнь», 2017, 1). Вольта установил опытным путем «ряд напряжений», давно известный химикам как «ряд химической активности» металлов. Успехи химиков, открытие ими новых химических элементов, эффективных деполяризаторов, новых веществ с необычными свойствами позволили создать гальванические элементы и аккумуляторы с более высокими ЭДС и емкостью. В их числе марганцево-цинковые, цинк-хлоросеребряные и другие гальванические элементы; кислотные (свинцовые), щелочные (железо-никелевые, кадмий-никелевые, серебряно-цинковые), а также литий-ионные, литий-серные, металлогидридные и другие аккумуляторы; топливные элементы разного типа. Химические, вернее, электрохимические исследования помогли понять, что именно происходит на электродах, когда источник питания заряжается и когда отдает ток во внешнюю цепь.


Химия для физики: атомная энергия

В 1939 году немецкий химик Отто Ган (1879—1968) и химик и физик Фриц Штрассман (1902—1980) открыли цепную реакцию деления урана. Их экспериментальные результаты объяснили Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Оказалось, что эта реакция не просто цепная, а разветвленно-цепная. Теорию таких реакций, на примере процессов горения и некоторых других, создали физикохимики — советский ученый Н.Н.Семенов (1896—1986) и английский Сирил Хиншелвуд (1897—1967). Математические закономерности химических и ядерных процессов оказались сходными.

pic_2017_06_35.jpg

Полуостров воспламенения для реакции белого фосфора с кислородом. В области между кривыми реакция идет быстро.

В химических цепных реакциях цепь ведут активные частицы — атомы, свободные радикалы, а в растворе — ионы и ион-радикалы. В реакциях продолжения цепи активные частицы, распадаясь или реагируя с молекулами исходных веществ, образуют продукты реакции с регенерацией новых активных частиц. Исчезновение (гибель) активных частиц по тому или иному механизму приводит к обрыву цепи. Такие неразветвленные цепные реакции в контролируемых условиях могут идти спокойно до израсходования реагентов. Однако в 1920-х годах ХХ века были обнаружены химические реакции с некоторыми неожиданными особенностями. Например, при газофазном окислении паров белого фосфора кислородом наблюдается резкий переход от полного отсутствия реакции к очень быстрому процессу при ничтожном изменении давления кислорода. До этого считалось, что скорость реакции должна плавно увеличиваться с увеличением концентрации реагентов. Еще один не объясненный тогда факт: при давлении ниже критического, то есть в отсутствие реакции, введение в сосуд аргона приводит к яркой вспышке. Это указывает на протекание быстрой реакции окисления. Выяснилось также, что существует и второй (верхний) предел по давлению, выше которого реакция не идет. Этот предел очень сильно зависит от примесей различных веществ и даже от формы реакционного сосуда. Область давлений и температур, в которой происходит реакция, получила название полуострова воспламенения.

Химики в данном случае помогли физикам тем, что разработали математическую модель, которая в принципе подходит и для физических процессов деления ядер.

pic_2017_06_36-1.jpg

Зависимость среднего количества нейтронов от энергии и исходного нуклида

В ядерных цепных реакциях роль активных частиц играют нейтроны. «Реагируя» с атомами делящегося материала, например урана (на самом деле — поглощаясь ими), нейтроны способствуют мгновенному делению ядра на два осколка примерно одинаковой массы. Деление ядра сопровождается выделением большой энергии (за счет дефекта масс) и испусканием нескольких нейтронов, которые могут вызвать деление других ядер. Среднее количество нейтронов зависит от энергии и исходного нуклида, как показано на рисунке.

Если их в среднем оказывается больше одного и они приводят к расщеплению других ядер, то происходит быстрый лавинообразный процесс, то есть взрыв. Самопроизвольное (спонтанное) деление ядер также может инициировать процесс, но это редкое событие, то есть скорость инициирования мала. Если значительная часть выделяющихся нейтронов покидает массу делящегося вещества, не успев поглотиться (велика скорость обрыва цепей), то взрыва не будет. Не будет его и при наличии примесей, обрывающих цепи (поглощающих нейтроны). Такими эффективными примесями могут служить некоторые изотопы бора, гафния, кадмия. И наоборот, взрыв можно инициировать внешним нейтронным облучением. Произойдет ли взрыв или реакция будет идти спокойно (но с выделением энергии), зависит от коэффициента размножения нейтронов — полного аналога коэффициента разветвления в химии —и скорости обрыва цепей. Последняя, в свою очередь, зависит от формы и размеров делящегося материала: при определенных критических параметрах значительная часть нейтронов покидает вещество, не вызвав деления ядер.


Биология для химии: объекты

Примеры использования биологических методов в физике и химии найти нелегко по целому ряду причин. Большинство услуг, которые исследователи живой природы оказали исследователям неживой, связаны не с методами или процессами, а со свойствами биообъектов — растений, животных и даже царя природы. При таком подходе окажется, что биологии сильно обязана, например, метрология, ныне — общенаучная дисциплина, необходимая и физике, и химии, и инженерии и даже самой биологии. Первые единицы многих величин, например веса и длины, имели, как всем известно с младшей школы, именно биологическое происхождение. Менее известно, что, согласно одной из версий, Фаренгейт использовал температуру тела человека в качестве опорной точки своей шкалы (второй была температура таяния льда). Кроме того, в 1827 году Роберт Броун открыл движение пыльцевых зерен в жидкости, позднее названное броуновским движением; в дальнейших исследованиях этого явления использовались опять же биологические объекты — частички смолы и густого сока деревьев.

Живые организмы применялись и применяются для обнаружения химических веществ, например, у химиков в древности была привычка пробовать новооткрытые вещества на вкус (сейчас это считается вопиющим нарушением техники безопасности). На протяжении веков рудокопы брали клетку с канарейкой в шахту и во время работы следили за птицей. Канарейки очень чувствительны к метану и угарному газу и гибнут даже от незначительной примеси его в воздухе. Если птичка начинала проявлять признаки беспокойства или падала на дно клетки, люди покидали выработку. Артур Кларк считал, что канарейки как живые газоанализаторы могут пригодиться и в космосе (рассказ «Пернатый друг»): «Это был один из тех несчастных случаев, которые не могут случиться; ночью было редкое для нас затмение земной тенью; часть воздухоочистителей замерзла, и единственная аварийная цепь не сработала. Химическое и электронное оборудование стоимостью в полмиллиона долларов подвело нас. Без Кларибел мы могли бы потихоньку умереть». Применение собак для поиска взрывчатки и наркотиков началось позже, но сейчас мы и представить не можем эту работу без кинологов.

pic_2017_06_36-2.jpg

Памятник мыши. Новосибирск, Музей истории генетики в Сибири

С помощью мыши Джозеф Пристли (1733—1804) определял состав воздуха — без кислорода мышь погибала. Поскольку он проводил эти опыты многократно, в разных условиях, и у него были последователи, можно сказать, что он создал новый метод биологических исследований. Химики, правда, предпочитали нюхать и лизать сами —с печальными последствиями, а обобщенной лабораторной мышке в Новосибирске поставили-таки памятник.

Использование частей животных для нужд физики и химии — экзотика, но такое тоже было. Плавательный пузырь рыб и стенки мочевого пузыря когда-то использовались в качестве ультрафильтров, например для выделения коллоидных частиц. Разнообразие биологических пленок позволяло химикам изготавливать серии ультрафильтров и устанавливать размер частиц коллоида (Д.Л.Рубинштейн. Физическая химия. Изд-во АН СССР. М.–Л., 1940).

Что же касается веществ, то перечислить все, извлеченное из природы и использующееся в химии и физике, невозможно. Однако не назвать лакмус — нельзя: это, пожалуй, самый знаменитый индикатор, недаром выражение «лакмусовая бумажка» вошло в бытовой язык. Между тем лакмус добывают из некоторых видов лишайников, его основные компоненты — эритролитмин С13H22Oи азолитмин C9H10NO5.


Биология для физики

С некоторой натяжкой сюда можно отнести запуск собак и обезьян в космос, хотя получаемая при этом информация биологам была тоже нужна. Более четкий пример — исследование свойств человека-оператора, в частности точности отсчетов («личная разность» в астрономии) и связь надежности с разрешающей способностью.

Личная разность (личное уравнение) — разность между точным значением местного времени и его значением, полученным астрономом по наблюдениям небесных светил. Личная разность возникает из-за свойства наблюдателя упреждать или запаздывать в определении момента прохождения звезды через визирную нить зрительной трубы. Величина личной разности зависит от метода наблюдений. При определении момента прохождения звезды через нить со счетом ударов хронометра по слуху (метод «глаз-ухо») личная разность обычно выражается в десятых долях секунды, а при использовании автоматических способов уменьшается до 0,03–0,04 секунды.

pic_2017_06_37-1.jpg

Легко ли определить, какая из окружностей больше? Если диаметр одной 12 мм, а другой 13 мм, с заданием справляются практически все, а разница в 0,1 мм для большинства людей незаметна

Что касается связи надежности с разрешающей способностью, то вот какой эксперимент поставил полвека назад физик М.И.Корнфельд (1908—1993). Большое количество испытуемых сравнивало две окружности — диаметром 12 мм и отличающуюся от нее на 0,10; 0,15; 0,20 и т. д. мм. На рисунке показана зависимость вероятности правильного распознавания большей окружности от разницы в диаметрах.

Свойства человека-оператора важны для физики, только если показания приборов считывает человек. При этом неизбежна субъективность, поэтому физики стараются избавляться от «человеческих» методов. Например, при переходе со стрелочных приборов на цифровые роль субъективности уменьшается, а если прибор передает сигнал в компьютер для обработки, то и сводится к нулю. Существуют программы для обработки изображений, в частности, c микроскопов. Хотя тут уже надо говорить, скорее, о работе математики на физику, потому что программы распознавания изображений (это огромная самостоятельная область) — это все-таки математика.

Животные (лягушка и человек) использовались в качестве вольтметра, лягушка весьма давно (Алессандро Вольта), а человек еще недавно. А именно, пригодность 4,5-вольтовых батареек в середине прошлого века радиолюбители проверяли на язык — если ощущалось кислое, батарейка признавалась «еще ничего». Позднее метод стали применять все реже — батареи КБС и «Крона» были потеснены АА и ААА, а где вы видали такой язык, чтобы охватить оба их полюса?


Биология для инженерии и компьютинга

Под бионикой (используется и калька с английского — биомиметика) принято понимать использование в технике чего-то подсмотренного в природе. Одна из отраслей бионики — из учение нейронов и нейронных сетей для попыток создания подобного в интересах компьютинга. Например, первая нейронная сеть (перцептрон Фрэнка Розенблатта, 1957) моделировала структуру сетчатки глаза и могла работать как система для распознавания образов (причем не только графических). Ныне перцептроны используются как системы распознавания в самых разных областях. Еще одна популярная бионическая тематика — исследование органов чувств животных с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения. Наконец, исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических идей, например изучение конструкции растений, оказалось полезно архитекторам, изучение механических свойств шкуры дельфинов позволило создать покрытия для подводных аппаратов, уменьшающие гидродинамическое сопротивление. Застежку «молния» изобретатель подсмотрел у птичьего пера.

pic_2017_06_37-2.jpg

Звуколокация (начало XX века)

Часто к бионике относят и то, что вроде бы похоже на что-то природное, но что конструктор вовсе не подсмотрел в природе. Например, радиолокатор не был подсказан летучими мышками, тем более что звуколокация — но без излучения сигнала! — применялась в военных целях на полвека раньше радиолокатора.

В компьютинге есть понятие «генетические алгоритмы». Об использовании биологии как науки говорить в данном случае не приходится, но математики, которые это придумали, явно вдохновлялись биологией. Пишут, что такие методы в некоторых случаях эффективны. Очень упрощенно говоря, в этом случае каким-то способом комбинируются части разных алгоритмов и из получившейся кучи отбирается жемчужное зерно. При этом остается открытым вопрос, лежит ли в глубине метода комбинирования тот же аппарат, который лежит в глубине метода, примененного природой? Во внешнем контуре подобие есть, и оно очевидно — «естественный отбор» эффективных программ так же естествен, как отбор зайцев, осуществляемый волками.

Более прозрачна ситуация с распознаванием образов — пограничной между математикой и компьютингом областью. Уже на ее заре для распознавания картинок применялось выделение характерных элементов (границ, углов, точек и т. д.), заимствованное, по словам авторов методов, у лягушек (М.М.Бонгард. Проблема узнавания. М.: Физматгиз, 1967).

Заметим, что весьма популярное в биологии моделирование биологических объектов средствами физики и химии к нашей теме не имеет прямого отношения — оно работает на биологию и обогащает именно ее. Но при этом не исключено, как и при всяком использовании каких-то методов, возникновение нового знания об этих методах, то есть принесение чего-нибудь интересного уже в физику или, что более вероятно, в химию.



Авторы рады поблагодарить Е.В.Клещенко за биологические примеры

123

Разные разности

29.09.2022 12:00:00

Сегодня в живых клетках аминокислоты образуются из α-кетокислот с использованием азота и белков-катализаторов. Но как это происходило в ранние исторические времена, когда никаких клеток еще не было? Ученые из Исследовательского института Скриппса предположили, что роль фермента в превращении α-кетокислоты в аминокислоту может сыграть обыкновенный цианид.

>>
25.09.2022 14:00:00

Как вы думаете, что важнее — есть много фруктов или есть фрукты часто? Казалось бы, какая разница. А между тем разницу обнаружили исследователи из Астонского университета в Бирмингеме.

>>
23.09.2022 14:00:00

В Формуле-1 всегда бытовало твердое убеждение, что здесь работает «правило 80/20»: машина/команда отвечают за 80% успеха в гонке, а мастерство пилота — только за 20%. Но, как выяснили ученые из Университета Летбриджа, эта формула ошибочна.

>>
21.09.2022 16:00:00

Компания Virginia Tech вместе со специалистами из двух университетов США работает над перчатками для подводных манипуляций Octa-glove. Принцип их работы позаимствован у щупалец осьминога.

>>
17.09.2022 16:00:00

Одуванчики продолжают распространяться по миру. И делают это поразительно успешно. Потому что используют надежные и изощренные технологии, созданные природой. Например, семена одуванчиков — одни из лучших летунов.

>>