ультрафиолетовой и рентге­новской областях спектра. Исследование структуры

твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения мо­лекул

органических соединений — успешному решению этих и других задач способствует

синхротронное излучение.

4.2.3 Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.

Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных

молекул, необходимо управлять химиче­скими процессами и затем определять

состав и структуру про­дуктов реакций. Предложенные физиками эффективные

методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне —

ядерный магнитный резонанс, оптическая спек­троскопия, масс-спектроскопия,

рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. — позволяют исследовать

состав и струк­туру необычайно сложных молекул, что способствует изучению,

например, химической природы жизненно важных биологиче­ских процессов.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на ана­лизе взаимодействия

магнитного момента атомных ядер с внеш­ним магнитным полем. Это один из

важнейших методов в раз­ных отраслях естествознания, в особенности, в химии:

химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью

метода ЯМР можно определить, например, хи­мическое окружение атомов водорода

даже в таких сложных мо­лекулах, как сегменты ДНК. Прогресс и развитии

спектроско­пии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнит­ного поля,

которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов.

Созданный в 1973 г. томограф, ос­нованный на ЯМР, позволяет наблюдать картину

распределения химических отклонений и Концентрации ядер таких крупных

объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда

заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения

вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком,

газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и

количественного опреде­ления состава вещества по его оптическому спектру

излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр

ин­терпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных

соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном

анализе определяют по относи­тельной или абсолютной интенсивности линий или

полос спектра.

С применением лазерного источника излучения и персо­нального компьютера

возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой

спектрометр способен обнару­жить отдельную молекулу или даже атом любого

вещества.

С помощью метода индуцированной лазерной флуоресцен­ции можно регистрировать

загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале пре­вращается в газовую

фазу, затем газ конденсируется и ионы ус­коряются до заданной кинетической

энергии электрическим по­лем. Масса частиц может быть определена двумя

способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени

пролета им заданного расстояния.

Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить,

например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов

14С. Такое содержание изотопа 14С соответствует,

со­гласно радиоизотопному методу определения возраста пород, возрасту в 70000

лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения

изотопного состава и строения молекулы в таких областях, как производство

инте­гральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтиче­ская и атомная

промышленность.

Комбинированные приборы — хроматомасс-спектрометры позволяют обнаружить в

питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить

небольшие концентрации од­ного из самых ядовитых веществ — изомеров диоксина.

Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром — лучший аналитический

прибор для работы со сложными смеся­ми, позволяющий решать разнообразные задачи

химии, биоло­гии, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако

вплоть до недавнего времени применение такого прибора огра­ничивалось лишь

легко испаряемыми веществами. С разработ­кой способов десорбции ионов из

твердых образцов путем бом­бардировки их ионами, фотонами или нейтральными

частицами границы применения масс-спектроскопии значительно расши­рились.

Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых

методом масс-спектроскопии. Например, плазменная десорбция с применением

бомбарди­ровки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила

получить ионы с молекулярной массой 23000 и про­извести их масс-спектральный

анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные

харак­теристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом

масс-спектроскопии достаточно всего 10-10 г соединения. В плазме

крови масс-спектрометр регистрирует ак­тивное вещество марихуаны в концентрации

0,1 мг на кило­грамм массы тела.

Современные электрохимические методы в сочетании с вы­сокочувствительной

аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций

живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь

несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри

клетки.

Для определения строения молекул необходимо знать про­странственное

расположение атомов. Зная молекулярную струк­туру, легче понять физические и

химические свойства соедине­ния, механизмы химических реакций и

идентифицировать но­вые соединения. Один из наиболее распространенных методов

исследования молекулярных структур — рентгеноструктурный анализ, основанный

на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается

получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают

рентге­нограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентге­ноструктурный

анализ способствовал получению феромонов на­секомых, применяемых для борьбы с

вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для

увели­чения производства пищи и биомассы.

Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, ос­нованная на дифракции

нейтронов. Для нейтронографии необ­ходимы потоки нейтронов, которые

получаются в ядерных реак­торах, что несколько ограничивает применение

данного метода. Отличительная особенность нейтронографии — высокая точ­ность

определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при

определении структур сверхпровод­ников, рибосомы и других сложных

молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в

образовании водо­родных связей, определяющих строение белков.

4.3 Важнейшие достижения современного естествознания в практической области

Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в

естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию

экспериментальной базы достигнуты значи­тельные успехи. Невозможно

перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно

однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных

наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молеку­лярные

пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК,

клонирование и т.п. — вот некоторые очень важные достижения современного

естествознания.

4.3.1 Высокотемпературная сверхпроводимость.

История сверхпро­водимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X.

Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов,

обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия,

составляющей около 4,2 К, электрическое со­противление этого металла скачком

уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре

переходит в сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материалов

сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние

неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NвN была установлена

температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. — примерно 23 К

для другого бинарного сплава — NвGe.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпрово­димости, положивший

начало высокотемпературной сверхпро­водимости: был синтезирован

четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода

которых состав­ляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное вре­мя

температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и да­же выше 100 К. В

результате многочисленных экспериментов было установлено, что

четырехкомпонентные оксиды меди, об­ладающие сложной кристаллической

структурой, переходят и сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.

В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпро­водящее состояние уже

при 170 К. Такое сверхпроводящее со­стояние можно реализовать при охлаждении

не жидким азотом, а более дешёвым охладителем — жидким ксеноном. Этот

сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция и кальция;

структура его относительно проста.

Широкое применение сверхпроводников позволит сущест­венно сократить рассеяние

энергии в различного рода элек­трических цепях, и особенно при

электропередаче, потери в которой составляют около 20% при использовании

обычных проводников.

4.3.2 Химические лазеры.

Экспериментальное исследование сме­шивания двух газообразных соединений,

проведенное более 10 лет назад, позволило установить распределение энергии

между мо­лекулами. Например, в результате реакции атомного водорода с

молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор,

которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что

существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию

колебательного движе­ния молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону

Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская премия по химии. .Данные

исследования привели к созданию первого химического лазера — лазера,

получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры

отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энер­гию

электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки

химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования

термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный

лазер).

4.3.3 Молекулярные пучки.

Молекулярный пучок представляет со­бой струю молекул, образующуюся при испарении

вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, форми­рующее

пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысо­кий вакуум, исключающий

межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пупса на реагенты —

соединения, вступающие в реакцию, — при низком давлении (10-10 атм.)

каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем

к реакции. Для осуществления такого сложного экс­перимента требуется установка

сверхвысокого вакуума, источ­ник интенсивных сверхзвуковых пучков,

высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени

свобод­ного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли

(Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Херм-баху (Гарвардский университет)

присуждена Нобелевская пре­мия по химии. Опыты с молекулярными пучками

позволили оп­ределить, например, ключевые реакции при горении этилена, при

котором в реакции этилена с кислородом образуется короткоживущая молекула.

4.3.4 Достижения ядерной химии.

Химия играет важную роль в ис­следовании свойств радиоактивных веществ и в

разработке ра­диоактивных методов анализа, применяемых в различных отрас­лях

естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в об­ласти ядерных

процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления

ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической

системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его

коллеге - физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достиже­ния науки о

ядерных процессах получены при тесном взаимодей­ствии химиков, физиков и

ученых многих других направлений.

С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы

химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых

изотопов элементов, располо­женных выше урана. Исследования изотопов

позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и

определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.

Одна из интересных задач ядерной химии — обнаружение супертяжелых элементов,

т.е. элементов, входящих в предска­занный остров стабильности, включающий

атомный номер.

В последние десятилетия методы ядерной химии нашли ши­рокое применение при

исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для

химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод

позво­лил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной

поверхности. Анализ изотопного состава образцов лун­ного грунта, метеоритов и

других небесных тел помогает сфор­мировать представление об эволюции

Вселенной.

Ядерная химия применяется и в медицине. Например, в США ежегодно назначается

около 20 млн. процедур с примене­нием радиоактивных препаратов. Особенно

широко распростра­нено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом.

Прак­тика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция

обладают терапевтическими свойствами. Позитронный метод, основанный на

взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими

изотопами углеро­да и фтора, а также применение стабильных изотопов в

сочета­нии со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов

обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством

ранней диагностики заболеваний.

4.3.5 Новая ядерная установка.

Одна из основных проблем атом­ной энергетики связана с нахождением таких

условий протека­ния ядерных процессов, при которых можно было бы умень­шить

количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными

разных стран отрабатываются многочисленные способы, способствующие решению

этой весь­ма важной проблемы. Среди разных направлений в её решении уже

воплощается в металл новое направление в ядерной энерге­тике — так называемый

электрояд, на который ученые возлагают большие надежды. В Институте

теоретической и эксперимен­тальной физики Российской академии наук и в

институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике

ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистыми и более

безопасными источниками энергии, чем многие из сущест­вующих. Действующая

модель новой ядерной энергетической ус­тановки состоит из двух агрегатов —

ускорителя элементарных час­тиц и бланкета — особого типа атомного реактора.

Для техниче­ского воплощения этой новой идеи предполагается использовать

старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.

4.3.6 Химический синтез ДНК.

В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для

создания жи­вого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных

связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация

записывается с помощью осо­бого алфавита из четырех аминов аденина, тимина,

цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов

кодирует информацию. Каждый из аминов содержит не­сколько атомов азота,

ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает

водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно

прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые во­дородные связи,

совсем не затрагивая более прочные связи са­хар-фосфат в цепочке-матрице.

Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал

многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы

гены инсули­на и интерферона. Произведен синтез гена для фермента

рибонуклсозы, открывающей возможность изменять желаемым обра­зом физические и

химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются

фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований

нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.

4.3.7 Успехи генной инженерии.

В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в

цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в

белках, составляет только около 5%. Установлено, что в осталь­ных

нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована ин­формация о форме молекул

ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического

моносахарида), ко­торый существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к

подвижности их скелета.

Современная молекулярная биология позволяет вводить поч­ти любой отрезок ДНК

в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который

кодирует данная ДНК. А со­временная органическая химия дает возможность

синтезировать последовательности нуклеотидов — фрагменты генов. Такие

фраг­менты генов можно применять для изменения исходной последо­вательности

оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить

модифицированный белок с изме­ненной последовательностью аминокислот, т.е.

белок со струк­турой и функцией, ранее не существовавшими в природе.

Данный метод осуществления специфических мутаций в нормальных белках получил

название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой желаемой структуры.

Кроме того, один раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с

по­мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в сколь угодных

количествах.

4.3.8 Клонирование.

Успехи, достигнутые в разных отраслях естест­венных наук, открыли новые

возможности в понимании строения гномов человека и других сложных организмов.

Ученые научи­лись соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять

сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нуклеотидные

последовательности в больших фрагментах ДНК.

Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащийся всего в одном гене, среди

огромного количества генетического материала клетки организма человека столь

же трудно, как оты­скать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает

приме­нение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраива­ются в миллион

быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно,

дает целую колонию своих по­томков. Применяя методы диагностики,

чувствительные к опре­деленной функции гена, находят колонию бактерий,

содержа­щую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактерий дает

миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из

бактерий в химически чистом виде. С по­мощью такого процесса - клонирования —

очищены сегменты ДНК более 100 различных генов человека. Ещё большее число

ге­нов выделено из простейших организмов, таких, как дрожжи.

В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом кло­нирования овце.

Шотландский ученый Ян Вильмут и его кол­леги получили из клетки взрослой овцы

её генетическую иден­тичную копию - известного теперь во всем мире ягненка

Долли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца — ей дала начало

клетка, содержащая двойной набор генов ма­тери. Как известно, любая клетка

взрослого организма, так на­зываемая соматическая клетка, несет полный набор

наследст­венного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов. При

зачатии такие половинки — отцовская и материн­ская — соединяются и образуют

новый организм. Искусственное выращивание нового животного из соматической

клетки — это создание генетически тождественного существа, процесс, который и

называется клонированном. Работы по клонированию растений, простейших

живых организмов начались ещё в 60-с годы последнего столетия. Росли масштабы и

сложность таких работ. Но клонирование млекопитающих из соматической клетки

впервые удалось осуществить только в 1997 г. Подобные опыты были мечтой

нескольких поколений генетиков. Некоторые уче­ные уверены в реальной

возможности повторить данный экспе­римент и для человека. Однако остается

предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других

последствиях такого рода экспериментов.

5. Заключение

Как видно, эксперимент действительно является важнейшим методом познания

окружающего нас мира, что позволяет называть его основой естественно-научного

знания.

Как метод эмпирического познания, эксперимент – в отличии, например, от

наблюдения – представляет наиболее широкие возможности и средства в познании

сущности огромного множества процессов и явлений. В экспериментальном

исследовании не природа, а человек создает различные условия и

обстоятельства, что позволяет “подстроить” саму окружающую действительность в

пределах определенных рамок. В этом, на мой взгляд, состоит наиглавнейшее

преимущество эксперимента над другими методами естественно-научного познания,

а следовательно и его огромная значимость.

Конечно же, эксперимент не может существовать обособленно. В осуществлении

экспериментального исследования, как уже упоминалось, огромную роль играет

теоретическая база. Теоретические предпосылки и подготовка эксперимента

представляют собой “львиную долю” самого процесса экспериментального

исследования.

Но все же ,в большинстве своем, именно посредством экспериментального

исследования, были достигнуты эти огромные успехи в области науки и техники,

о которых говорилось выше. Это и дает право называть именно эксперимент

основой естествознания.

Литература:

1. Кокин А. В., Концепции современного естествознания, М., 1998

2. Концепции современного естествознания. Коллектив авторов под ред.

Проф. В. Н. Лавриенко и проф. В. П. Ратникова, М., 1997

3. Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, М., 1974

4. Карпенков С. Х., Основные концепции естествознания, М., 1998

5. Карпенков С. Х., Концепции современного естествознания, М., 1998

6. Хапачев Ю. П., Дышеков А. А., Концепции современного

естествознания, М., 1995

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6