Журнал «Компьютерра» № 16 от 24 апреля 2007 года - Компьютерра

Автор: Дмитрий Шабанов

Первое дело первого человека до сих пор не доделано. Адам, по свидетельству Библии, до грехопадения (определившего необходимость добывать хлеб насущный в поте лица своего) придумывал имена для животных. Ныне поименовано более миллиона видов, а очередь безымянных все еще скрывается за горизонтом. Классифицирование названных видов позволяет разобраться в миллионе имен и сделать информацию об их сходстве и различии более компактной.

Систематики до сих пор спорят, существует ли единая, правильная классификация. Оптимисты верят, что это та классификация, которая точно отражает филогению – эволюционную историю. Вот узнаем с помощью молекулярных методов, как шла эволюция, и поставим все на свои места… Увы, эволюционные изменения многомерны, и, проецируя их на иерархическую систему, мы неизбежно теряем значительную часть информации. Какую? Ту, которую сочтем менее важной. Считаете, что «объективными» методами можно определить, какая часть информации наиболее важна? Оставьте эти иллюзии!

Интерпретируйте, к примеру, такой факт. С тех пор как разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе, человек приобрел 154 новых гена, а наши «отсталые» родственники шимпанзе – 233! Как измерить и сравнить эти изменения? По числу генов? По длине последовательностей ДНК? По изменению образа жизни? Одна из влиятельных школ систематики говорит: если изменение видов нельзя оценить "объективно", то его не следует учитывать вообще и реконструировать надо лишь порядок ветвления эволюционного древа. Страусово решение: зачем нужна классификация, которая не учитывает основной результат эволюции – изменение видов?

С другой стороны, сложности в трактовке каких-то результатов не означают, что эти результаты бесполезны. Зачастую родство (или его отсутствие) разных групп организмов, устанавливаемое молекулярными методами, оказывается столь явным, что приходится менять устоявшуюся классификацию.

Орнитологи давно выделили две группы грифов: Старого Света (собственно грифов) и Нового Света (катартид). Хотя было ясно, что эти группы не находятся в тесном родстве, результаты анализа ДНК оказались неожиданными. Американские грифы – это на самом деле аистообразные. К их числу относятся и современные кондоры, и самые крупные из когда-либо летавших птиц. Речь идет о тераторнисах ("ужасных птицах"), "грифах", которые в неогеновом периоде питались останками гигантских млекопитающих. У одного из них, аргентависа, размах крыльев достигал 7 м, а вес 120 кг! Помните, в "Детях капитана Гранта" Жюля Верна кондор похитил и утащил по воздуху мальчика? Реальные кондоры на такие подвиги не способны. Но в нашем фольклоре европейские аисты носят детей в клювах (держа за пеленочку), а американские – в когтях!

Новейшие молекулярные данные касаются примитивных групп крылатых насекомых. Выяснилось, что термитов надо не выделять в особый отряд, а рассматривать как семейство отряда тараканов. Неважно, что по сложности социальной организации термиты обогнали всех животных, кроме людей. Социальное совершенство термитов – следствие их способности расщеплять целлюлозу, основу древесины. В кишечниках термитов живет сложный эндосимбиотический комплекс. Его основу составляют высокоспециализированные жгутиконосцы (которых долго считали инфузориями, так как под микроскопом кажется, что они покрыты множеством подвижных ресничек, как инфузории). То, что считалось ресничками, оказалось спирохетами – удлиненными бактериями, способными извиваться. Населяющие кишечник термита спирохеты выстраиваются на поверхности жгутиконосца, синхронизируют свои движения и перемещаются вместе с ним, как единое целое. Жгутиконосцы сами по себе не могут расщеплять целлюлозу, но внутри них обитают симбиотические бактерии, овладевшие этой реакцией. Заглатывая маленькие щепочки, жгутиконосцы скармливают их своим внутренним бактериям, а продуктами переработки делятся с обеспечивающими их подвижность спирохетами. Ну а термиты питаются как продуктами активности своего внутреннего зоопарка, так и его питомцами.

Несмотря на все чудеса эндосимбиоза, переваривание целлюлозы для термитов – непростой процесс, в кишечнике одного насекомого ему не пройти. Поэтому одна и та же порция пищи проходит через пищеварительные тракты многих насекомых, поедающих фекалии друг у друга. В конечном счете комочки из продуктов переработки пищи будут использованы для возведения термитников. Эти сооружения, иногда достигающие величественных размеров, обеспечивают защиту и благоприятный климат для совместного расщепления древесины. И теперь получается, что все это делают тараканы?! Представляете, какой победой генной инженерии и прочих биотехнологий стало бы создание прусаков, содержащих в кишечнике симбиогенетический комплекс, способный расщеплять целлюлозу? Такие тараканы поедали бы не только пищевые остатки, но и мебель с книгами.

Сфера приложения данных молекулярной систематики растет. Последняя новость: из остатков мягких тканей тираннозавра, найденных пару лет назад в Монтане, извлекли фрагменты молекул белка (коллагена, основы соединительной ткани). Анализ этих фрагментов пока принес лишь тривиальный результат: тираннозавр состоял в более близком родстве с курицей, чем с лягушками и тритонами. Стоило ли ради этого тревожить останки, ожидавшие своей судьбы 68 миллионов лет? Стоило! Ведь лиха беда – начало. Поймем, в каких породах макромолекулы сохраняются лучше, – научимся их эффективнее искать и толковее анализировать, и со временем узнаем что-то новое. Поживем – увидим…

КАФЕДРА ВАННАХА: Относительность и электрические машины

Автор: Ваннах Михаил

В заметке «И вычисления относительны» («КТ» #682, с. 16) рассказано о влиянии выбора системы отсчета на эффективность вычислений. Но там речь шла о релятивистских системах, вроде пучков элементарных частиц, движения в которых заставляют учитывать эффекты специальной теории относительности (СТО). Но многие ли знают о существовании достаточно широко используемой электрической машины, функционирующей на основе релятивистских эффектов?

Воснове этого устройтва, называющегося униполярным генератором, лежит явление униполярной индукции, суть которого заключается в том, что при движении намагниченного тела под некоторым углом к оси намагничивания происходит его поляризация. В одном месте на поверхности тела собираются положительные заряды, а в другом отрицательные. Приложив к этим точкам проводник, мы получим ток.

Представим себе обычный круглый постоянный магнит, вроде используемого в динамиках. Верхний торец – северный полюс, нижний – южный. Пусть магнит вращается вокруг оси, и к нему присоединены два скользящих контакта – один на оси вращения, другой на боковой поверхности. Ввиду того, что магнит проводящий, преимущественно железный, по цепи потечет ток.

Очень просто! Куда проще, чем в самых первых динамо-машинах. Но за счет чего же образуется ток?

Дело в силе Лоренца. Она действует на свободные электроны внутри проводника, движущегося в магнитном поле, вызывая их перераспределение, то есть поляризацию. И если проводник замкнут, то электрические заряды будут двигаться непрерывно, порождая ток. Это в первом приближении.

Но последовательное описание явления униполярной индукции дается лишь теорией относительности. Рассмотрим, как это делается.

Поставим мысленный эксперимент: пусть мы имеем две системы отсчета. Одна лабораторная (сидим за столом и глядим на вращающийся магнит), другая – связанная с магнитом (собственная система отсчета). Вообразим себя сидящими на магните и вращающимися вместе с ним.

После того, как мы ввели две системы отсчета, и начинается самое интересное. В связанной с магнитом системе отсчета присутствует только постоянное магнитное поле. Магнит в этой системе неподвижен, и на его свободные электроны никакие силы не действуют. В магнитном поле движется только проводник, и Лоренцева сила действует только на его электроны. Именно она и создает электродвижущую силу (ЭДС), вызывающую электрический ток. Запомним это.

Теперь перейдем к лабораторной системе отсчета. Здесь внутри вращающегося магнита существует два поля – и магнитное, и электрическое. Электрическое компенсирует силу Лоренца, и полная сила, воздействующая на электроны, равна нулю. В неподвижном (в лабораторной системе отсчета) внешнем проводнике силы Лоренца нет, зато есть электрическое поле, создающее между полярной осью магнита и боковой поверхностью разность потенциалов, равную электродвижущей силе, о которой мы говорили, рассматривая собственную систему отсчета. Запомним и это!

А теперь зададим себе очень простой вопрос: как все обстоит на самом деле? Какие заряды создают электрическое поле, которое, как Афина из головы Зевса, вдруг является во всеоружии, но из ничего, из перехода от одной системы координат к другой.