БИОЛОГИЯ

Биологией называется совокупность наук о живой природе. За последние десятилетия в биологии широко применяются понятия и методы физики и химии. Поэтому, наряду с такими «чистыми» биологическими науками, как ботаника - наука о растениях, зоология - наука о животных, микробиология - наука о микроорганизмах, генетика - наука о законах наследственности и изменчивости организмов, в систему наук, в целом составляющих биологию, вошли биофизика, биохимия, молекулярная биология.

Поскольку объектом изучения биологии является живая природа, естественно возникает вопрос: что следует понимать под словом «жизнь»? Общим ответом па этот вопрос является: жизнь есть одна из форм существования материи. Но появляется второй вопрос: в чем особенности этой формы существования материи? На этот вопрос, по-видимому, нельзя дать столь же короткий ответ, как на предыдущий,- жизнь характеризуется рядом важнейших признаков. Живой организм должен быть способен к обмену веществ (метаболизму), т. е. быть в состоянии усваивать извне определенные вещества (например, пищу, кислород), подвергать их химической переработке, выделять вовне ненужные ему продукты. Он должен быть также способен к воспроизводству себе подобных, причем так, чтобы в данном воспроизводстве сохранялся биологический вид. Живой организм также должен быть в состоянии регулировать свои функции, приспосабливая их к изменениям среды, различным видам движения и к другим условиям.

Но не всегда легко определить применительно к некоторым объектам, можно ли их отнести к живым организмам или пет. Речь идет, например, о вирусах - мельчайших неклеточных частицах, состоящих из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) (О нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК речь будет идти ниже.) и белковой оболочки, способных вызывать болезни у растений, животных и человека (например, оспу, корь, грипп, полиомиелит, чуму рогатого скота и птиц, бешенство и др.).

Л. Полинг и П. Полипг по этому поводу пишут: «Чтобы показать, как трудно определить, что такое живой организм, рассмотрим простейшие виды материи, которая считается живой. Примером могут служить вирусы растений, например вирус кустистой карликовости томата... Эти вирусы в соответствующих условиях обладают способностью самовоспроизведения. Отдельная частица (индивидуальный организм) вируса кустистой карликовости томата, оказавшись на листе растения, может вызвать превращение значительной части вещества, составляющего клетки данного листа, в точно такие же, как и она сама, вирусные частицы. Эта способность к самовоспроизведению представляется, однако, единственной характерной чертой живого организма, которой обладает данный вирус. После того как вирусные частицы образовались, они не растут, не нуждаются в питательной среде и уже не участвуют в процессах обмена веществ. Насколько можно судить на основании данных, полученных при помощи электронной микроскопии и других методов исследования, отдельные частицы данного вируса совершенно идентичны между собой; со временем они не изменяются - явление старения для них не наблюдается. Вирусные частицы не способны передвигаться и, по-видимому, не обладают свойством реагировать на внешние раздражители так, как это делают более сложные живые организмы. Однако, как уже сказано, они обладают свойством самовоспроизведения.

Можно ли на основании рассмотренных фактов сказать, что вирус является живым организмом? В настоящее время наука не дает ответа на этот вопрос - фактически же такой вопрос вообще не может считаться научным, он просто сводится к определению понятия жизни» (Полинг Л., Полинг П. Химия, с. 382.).

Говоря о живых организмах, необходимо отметить, что все они состоят из клеток. Известные сегодня клетки очень разнообразны. Например, их размеры, как правило, колеблются от 1 мкм (10^-6 м) до 1 м. Существуют одноклеточные организмы, например бактерии. И наоборот, многие состоят из очень большого числа клеток. Например, организм человека состоит приблизительно из 500 000 миллиардов (5 х 10¹⁴) клеток. Клетки имеют очень тонкую клеточную мембрану, так называемую цитоплазму и ядро. Клеточная (плазматическая) мембрана участвует в регуляции обмена веществ между клеткой и средой, цитоплазма - внеядерная часть белка клетки, ядро - часть клетки, управляющая синтезом белка.

Как по своему строению и размерам, так и по исполняемым функциям клетки также очень разнообразны. Их разделяют, в частности, на клетки, составляющие тело (соматические), и клетки, служащие для размножения. В организме человека среди огромного числа клеток существуют клетки мышц, стенок кровеносных сосудов, соединительных тканей, нервов (некоторые из них имеют длину около 1 м, например клетка, соединяющая концы пальцев ног со спинным мозгом), кожи. Красные тельца крови - эритроциты также являются клетками; их в организме человека имеется около 25 млрд. (25 х10⁹).

В состав организма человека входят также кости, образованные костеобразующими клетками и состоящие из фосфата кальция, а также из белка коллагена. В теле человека имеется жидкость: кровь (около пяти литров), лимфа, обеспечивающая обмен веществ между кровью и тканями организма, и др.

Белки являются основной частью организма всех растений и животных, в том числе и человека. В состав белков входят аминокислоты. Растения и большинство микроорганизмов сами синтезируют их в своем организме. Что касается животных и человека, то они не могут синтезировать 20 аминокислот из примерно 150. Поэтому эти 20 аминокислот называются незаменимыми и животные должны получать их с пищей.

Для жизнедеятельности человека особенно важными являются 9 незаменимых аминокислот. Все остальные необходимые организму человека аминокислоты могут вырабатываться самим организмом. Очень важным ингредиентом пищи является белок казеин - основной белок молока. Из казеина (из молока) организм человека может получать все необходимые ему незаменимые аминокислоты.

Большое значение для деятельности живого организма имеют ферменты - катализаторы химических реакций, протекающих в организме. В 1857 г. основоположник современной микробиологии и иммунологии, известный французский ученый Луи Пастер (1822-1895) от зерг теорию «самозарождения» микроорганизмов, изучил процесс брожения, играющий огромную роль в круговороте веществ в природе и в жизнедеятельности микробов. Пастер занимался инфекционными заболеваниями и достиг большого успеха в их лечении и профилактике. Было установлено, что ферменты (их называют также энзимами), присутствующие во всех живых клетках, представляют собой белки (очень большие молекулы), могущие существовать в кристаллической форме, чаще всего образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Для нормальной жизнедеятельности живых Организмов требуется в небольших количествах еще один вид органических соединений - витамины, участвующие в обмене веществ. Большинство витаминов человек получает с пищей, некоторые образуются в организме.

В настоящей книге уже говорилось о некоторых выдающихся ученых-биологах и проделанных ими важных исследованиях. Очень кратко напомним о них читателю, чтобы легче было следовать дальше. В XVII в. Гарвей сделал чрезвычайно важное (особенно для медицины) открытие - изучил и описал систему кровообращения у животных и человека.

В XVIII в. были достигнуты по крайней мере два очень крупных результата. Обширную классификацию растений и животных разработал Линней. Его система является бинарной: первое латинское слово означает род, к которому принадлежит, например, данное животное, а второе - видовое название. К этим словам может быть добавлена фамилия (в сокращенном виде) лица, открывшего и описавшего этот организм. Если желательно указать пол организма, то ставится знак планеты Марс (3) для самца или знак планеты Венера (5) для самки. Так, человек, мужчина, по Линнею, имеет научное обозначение: Homo Sapiens L.S, где L - первая буква фамилии Линнея. Линней не признавал эволюции в растительном и животном царстве. Он считал, что растения и животные неизменны с тех пор, как они появились на Земле.

Второй биологической проблемой, получившей ясное толкование в XVIII в., была проблема дыхания, рассмотренная как совокупность процессов поступления в организм кислорода и удаления углекислого газа, использован ля клетками и тканями кислорода для окисления органических веществ и освобождения энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Здесь трудно назвать одну фамилию, правильнее будет назвать группу ученых, сделавших особенно много для решения проблемы дыхания. Среди них - А. Лавуазье, Дж. Пристли, П. Лаплас, А. Сеген.

Из биологов XIX в. мы успели ранее назвать Ламарка, отстаивавшего теорию эволюции живой природы, но не вскрывшего действительных причин этого процесса.

Конечно, приведенные нами фамилии учепых-биологов XVII - XVIII вв. далеко не исчерпывают имена тех, кто внес свой вклад в развитие биологии. Что касается XIX в., то главное еще впереди.

Оставшиеся страницы настоящего раздела будут посвящены двум важнейшим, тесно связанным между собой проблемам: эволюции растительного и животного мира и вопросам наследственности и изменчивости. Мы постараемся рассмотреть развитие этих проблем от великого ученого Чарлза Дарвина и основоположника учения о наследственности Грегора Менделя вплоть до наших дней.

Всемирно известный ученый, англичанин Чарлз Роберт Дарвин (1809 - 1882) родился в Англии в небольшом городке близ Лондона-Шрусбери, в семье врача. Сам Дарвин о своей биографии сказал так: «Я учился, потом совершил кругосветное путешествие, а потом снова учился: вот моя автобиография» (Цит. по: Голубев Г. Всколыхнувший мир. М., 1982, с. 5, 7. ). Конечно, об этом же можно рассказать несколько подробнее. По-видимому, Дарвин, вопреки даваемой ему часто характеристике очень серьезного и даже холодного человека, был живым и остроумным.

Интерес к ботанике и зоологии, а также к химии появился у Дарвина в детские годы, однако судьба распорядилась иначе: сначала он учился в Кембриджском университете по специальности врача, а затем, не чувствуя к врачебной деятельности никакого влечения, под давлением отца перешел па богословский факультет того же университета. В 1831 г. Дарвин окончил Кембриджский университет, получил звание бакалавра, оставалось только пройти посвящение в сан священника.

Но в это время друг Дарвина по Кембриджу, профессор биологии Геисло, получив согласие Дарвина, рекомендовал его в качестве натуралиста па корабль «Бигль» (Бигль - переводится с англ. как гончая, ищейка. ), который под командованием капитана Фриц-Роя должен был совершить кругосветное плавание, главным образом в географических целях.

Дарвин согласился. Это был, может быть, главный поворотный пункт в его жизни. Путешествие длилось с 1831 по 1836 г. Оно прекрасно описано в книге Дарвина «Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль»» (Дарвин Ч. Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль». М., 1934. ). В настоящей книге пет возможности сколько-нибудь подробно останавливаться па этом интересном путешествии. Заметим только, что маршрут «Бигля», начавшийся в Девоннорте 27 декабря 1831 г., проходил через Атлантический океан вплоть до г. Баия, расположенного в Южном полушарии, па восточном берегу Бразилии. Здесь «Бигль» оставался до 12 марта 1832 г. Затем «Бигль» двигался на юг вдоль Атлантического побережья Бразилии. 2В июля 1832 г. экспедиция достигла столицы Уругвая г. Монтевидео и до мая 1834 г., т. е. почти два года, вела работы па восточном побережье Южной Америки. За это время два раза посещалась Огненная Земля, два раза экспедиция посещала Фолклендские (Мальвинские) острова. Дарвином были также совершены сухопутные экспедиции. 12 мая 1834 г. «Бигль» взял курс на юг, прошел через Магелланов пролив и в конце июня 1834 г. достиг западных берегов Южной Америки. У тихоокеанских берегов Южной Америки экспедиция находилась до сентября 1835 г., т. е. более года. За это время Дарвин совершил сухопутные экспедиции, в частности он сделал переход через Кордильеры. В сентябре 1835 г. «Бигль» покинул Южную Америку, взяв курс на Галапагосские острова. Вслед за тем экспедиция двигалась на юго-запад, достигла островов Товарищества, потом островов Дружбы и 20 декабря 1835 г. бросила якорь в бухте Айлепдс, у северного острова Новой Зеландии. Курс экспедиции лежал далее на Австралию, южное побережье которой было обойдено от г. Сиднея, через Тасманию, до залива Короля Георга в юго-западной части Австралии. Оттуда экспедиция направилась на северо-запад н достигла Кокосовых островов. Затем «Бигль» изменил курс, направившись на остров Маврикий, обогнул мыс Доброй Надежды, посетил остров Святой Елены, а 1 августа 1836 г. бросил якорь в Баие, завершив тем самым кругосветное плавание. В октябре 1836 г. «Бигль» возвратился в Англию.

Материал, который привез Дарвин из пятилетнего кругосветного путешествия, был огромен и разностороиен. Здесь были гербарии и коллекции, большое число различных записей и многое другое.

Когда же Дарвин пришел к выводу, что наблюдаемый нами мир растений и животных непостоянен, что он непрерывно эволюционирует и что эта эволюция происходит в результате изменчивости, наследственности и естественного отбора?

Трудно дать точный ответ на этот вопрос. С одной стороны, известно, что в 1836 г. Дарвин говорил: «Теперь наконец я овладел теорией, при помощи которой можно было работать, но я так сильно стремился избежать всякого предубеждения, что решил в течение некоторого времени не составлять в письменной форме даже самого краткого очерка ее» (Цит. по: Голубев Г. Всколыхнувший мир, с. 57.)

С другой стороны, после возвращения Дарвина из кругосветного путешествия и до выхода в свет его книги «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» прошло 23 года. Между тем в 1839 г. вышел первый научный труд Дарвина - «Дневник изысканий», в 1842 г. им была опубликована работа о строении и распространении коралловых рифов, в которой Дарвин убедительно доказал, что основанием рифов являются не древние потухшие вулканы, как думали раньше, а коралловые отложения, оказавшиеся под водой вследствие опускания дна моря. В 1842 - 1844 гг. Дарвин в «Очерках» опубликовал основы теории эволюции.

В 1858 г. на заседании Линнеевского общества были обсуждены работы Дарвина и Уоллеса об эволюции мира растений и животных (на этом заседании Дарвин не присутствовал). Вот что Дарвин написал о работе Уоллеса: «Никогда не видел я более поразительного совпадения; если бы Уоллес имел мой рукописный очерк, законченный в 1842 г., он не мог бы составить лучшего извлечения! Даже его термины повторяются в названиях глав моей книги... Я воображал, что обладаю слишком возвышенной душой, чтобы это могло меня задеть, но оказалось, что я ошибался и вот теперь наказан... Итак, вся моя оригинальность, какова бы она ни была, разлетится в прах, хотя моя книга, если она когда-нибудь будет иметь какое-либо значение, не обесценится, ибо весь труд заключается в применении моей теории» (Цит. по: Там же, с. 93.).

Однако работа Уоллеса оказалась не только менее обоснованной, по содержала некоторые ошибки и неточности. Например, Уоллес считал, что работа с домашними животными, их селекция но может приниматься в расчет при рассмотрении вопросов естественного отбора, что, конечно, было неправильно. Впрочем, к чести Уоллеса надо сказать, что он не претендовал на приоритет и даже именовал себя дарвинистом.

После возвращения из кругосветного путешествия Дарвин переехал из Лондона в местечко Даун близ Лондона, в котором он купил небольшое поместье, где и жил до конца своих дней. Дарвин еще до переезда из Лондона женился, в его семье было много детей.

Итак, основной труд Дарвина - «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (коротко: «Происхождение видов») - вышел в свет в ноябре 1859 г. В книге убедительно, с большим числом примеров изложены идеи автора, полностью опрокинувшие ранее существовавшие представления о неизменности растительных и животных форм жизни па Земле. Еще до выхода книги из печати Дарвин писал: «Я постепенно пришел к сознанию того, что Ветхий завет с его приписыванием богу чувства мстительного тирана заслуживает доверия не в большей мере, чем священные книги индусов или верования какого-нибудь дикаря... Так понемногу закрадывалось в мою душу неверие, и в конце концов я стал совершенно неверующим» (Цит. по: Там же, с. 78 - 79.).

Пришло время в кратких словах сказать, в чем состоит главная идея Дарвина. Оп считал, во-первых, что растительному и животному миру свойственна изменчивость, т. е. многообразие признаков и свойств у отдельных организмов и изменение этих признаков и свойств по разным причинам. Изменчивость, таким образом, является основой эволюции, первым звеном эволюции. Он считал, во-вторых, что наследственность есть фактор, посредством которого признаки и свойства организмов (в том числе и новые) могут передаваться последующим поколениям. И наконец, в-третьих, естественный отбор открывает дорогу тем организмам, которые наиболее приспособлены к условиям жизни, к внешней среде, и, наоборот, «отбрасывает в сторону» неприспособленные организмы.

Итак, три кита создают основу эволюции растительных и животных организмов на Земле: изменчивость, наследственность и естественный отбор.

Материалистическая теория эволюции Дарвина, дарвинизм, была новым, революционным шагом вперед в развитии науки.

Ну, а что можно было бы ответить, если кто-нибудь задал бы такой вопрос: все ли предусмотрел и учел Дарвин в своей теории эволюции, внесены ли в нее впоследствии какие-либо изменения, уточнения, дополнения?

Мы ответили бы прежде всего, что сам вопрос является ненаучным. Не было и, без тени сомнения, можно сказать, никогда не будет такого положения, когда один «самый великий» ученый решил бы все вопросы в любой области науки (физике, химии, биологии, общественных и других науках). В противном случае наука превратилась бы в схоластику.

Действительно, и в той области науки, которой занимался Дарвин, были достигнуты новые успехи. Забегая немного вперед, скажем, что изменчивость теперь разделяют на две группы: мутации, представляющие собой передающуюся по наследству изменчивость, и изменчивость, возникающую под действием окружающей среды и по наследству не передающуюся. Об этом подробнее будет сказано несколько ниже.

Выход в свет книги Дарвина «Происхождение видов» был встречен с огромным интересом. Все 1250 экземпляров первого издания были проданы за один день. Второе издание - 3 тыс. экземпляров - также было мгновенно распродано.

Отзывы па книгу Дарвина «Происхождение видов» были очень многочисленны и разнообразны. Даже со стороны ученых отклики были очень различные. Многие из них с одобрением, а некоторые даже с восхищением приняли книгу Дарвина. Перед ним ставились различные вопросы. Например, задавался такой вопрос: если эволюция представляет собой процесс непрерывный, то почему исчезли с лица Земли многие промежуточные виды, в результате чего сегодняшняя картина растительного и животного мира на Земле является дискретной (от лат. discretus - разделенный, прерывный; прерывать; противопоставляется непрерывности)? Для Дарвина ответ па этот вопрос был ясен: далеко не для всех отсутствующих в настоящее время на Земле, промежуточных видов условия жизни были благоприятными. Эти промежуточные виды исчезли в результате естественного отбора, отсюда дискретность существующих видов флоры и фауны.

Ополчилась против Дарвина церковь, понимая, что его учение - одна из основ атеизма. Нападки на Дарвина со стороны церкви стали особенно ожесточенными после того, как в 1871 г. вышла в свет его книга «Происхождение человека и половой отбор» (коротко: «Происхождение человека»), в которой доказывается, что человек произошел от общего с обезьяной существа. Сам Дарвин, знакомясь с тем, что пишут служители церкви по поводу его книг «Происхождение видов» и «Происхождение человека», назвал свои книги - в шутку, конечно - «евангелием сатаны». Как это ни парадоксально, к голосу церкви присоединился известный немецкий врач Вирхов. По этому поводу можно только предполагать, что религиозные чувства Вирхова оказались сильнее научной логики.

Дарвин проявлял большой интерес и высоко ценил работы в области искусственного отбора, видел, что за сравнительно короткий срок селекционерам удавалось получать новые, нужные практике сорта растений и породы животных.

Передовые ученые России, в их числе К. А. Тимирязев (в то время молодой профессор сельскохозяйственной академии, носящей теперь его имя), А. Н. Бекетов, Н. А. Северцев, А. О. Ковалевский, В. О. Ковалевский и др. сразу же стали сторонниками дарвинизма. Дарвин был избран иностранным членом-корреспондентом Петербургской Академии наук. К. А. Тимирязев в ответ на критику дарвинизма писал: «Вместо того чтобы оправдываться, защищаться, приходится задать один вопрос самому обвинителю, вопрос, сознаюсь, крайне невежливы!, в благовоспитанном обществе даже нетерпимый, но, к сожалению, неизбежный почти всегда, когда приходится иметь дело с противниками и обличителями Дарвина,--это вопрос: читали ли вы эту книгу, которую так красноречиво обличаете?.. Потому что, если бы читали... вы бы, наконец, знали, что борьба за существование в применении к человеческому роду не значит ненависть и истребление, а, напротив, любовь и сохранение.

Как же объясняет Дарвин, что это начало борьбы становится в приложении к человеку началом, способствующим, а не препятствующим развитию нравственного чувства любви к ближнему? Очень просто: человек, говорит он, прежде всего существо социальное, стремящееся жить обществом, и эти-то социальные инстинкты, это чувство общественности становятся исходной точкой нравственности...» (Цит. по: Там же, с. 131 - 132.)

На рис. 47 представлена схема развития жизни на Земле, заимствованная из книги известных американских ученых Франка Пресса и Реймонда Сивера «Земля» (Press F., Siever R. Earth. San Francisco; W. H. Freeman 1974, p. 79, p. 2 - 48.)

Рис. 47. Относительное и абсолютное время и история Земли: Pz - палеозой: е - кембрий, О - ордовик, S - силур, D - девон, С - карбон, Р - пермь; Мz - мезозой: Т - триас, J - юра, К - мел; Кг - кайнозой: - N - третичный период: ♀1 - палеоцен, ♀2 - эоцен, ♀3 - олигоцен, N1 - миоцен, N2 - плиоцен; Q - четвертичный период

Теперь следует сказать несколько подробнее о генетике. Генетикой называется наука, предметом рассмотрения которой является наследственность и изменчивость организмов.

По общему признанию, у истоков этой науки стоит широко известный теперь естествоиспытатель, ученый Грегор Мендель. Мы не случайно употребили слово теперь. Дело в том, что наблюдения Менделя, выполненные и опубликованные им приблизительно в 1856 - 1866 гг., оставались практически неизвестными вплоть до 1900 г. Именно с Менделя и его исследований мы начнем краткий «разговор» .о генетике.

Грегор Иоганн Мендель (1822 - 1884) родился в крестьянской семье, в сел. Хейцендорф (Австро-Венгрия, ныне Гинчице, Чехословакия). С детских лет Мендель проявлял большой интерес к сельскому хозяйству, особенно к садоводству и пчеловодству. В этом немалое значение имело влияние его отца.

Главным стремлением Менделя в его юношеские годы была учительская деятельность. Но из-за болезни отца и, как следствие этого, бедности семьи Мендель вынужден был принять пострижение в монахи католического монастыря в Брюнне (теперь Брно). При этом у Менделя сохранилась возможность как проводить свои биологические опыты, наибольшего успеха в которых он достиг в 1856 - 1866 гг., так и готовиться к преподавательской работе. В 1847 г. Мендель был возведен в сан каноника и начал вести преподавательскую работу в гимназии г. Цнайме (теперь Зноймо) неподалеку от г. Брюнна и с еще большим усердием продолжал свои опытные работы с растениями.

В 1863 г. Мендель завершил опыты более чем с 30 сортами гороха. В конце 1866 г. результаты опытов были опубликованы в «Трудах Брюннского общества естествоиспытателей».

В 1868 г. Мендель был назначен настоятелем монастыря. После этого по разным причинам Мендель фактически прекратил работы по наследственности растений. Он занимался, помимо своих основных обязанностей, пчеловодством и древонасаждением, но каких-либо материалов об этой его деятельности не сохранилось. Умер Мендель в 1884 г. никому не известным человеком. Только 16 лет отделяло его тогда от мировой известности и славы.

В работе «Опыты над растительными гибридами» Мендель писал: «Поводом к постановке обсуждаемых здесь опытов послужили искусственные оплодотворения, произведенные у декоративных растений с целью получить новые разновидности по окраске. Поразительная закономерность, с которой всегда повторялись одни и те же гибридные формы при оплодотворении между двумя одинаковыми видами, дала толчок к дальнейшим опытам, задачей которых было проследить развитие гибридов в их потомках» (Мендель Г. Опыты над растительными гибридами. М., 1965, с. 9.)

Методика опытов Менделя была основана на том, что скрещиваемые организмы (например два сорта гороха); отличались друг от друга одним или несколькими, передающимися по наследству свойствами (например, один сорт гороха имел гладкую поверхность семян, а другой - морщинистую).

Результаты опытов Менделя представлены на рис. 48. На этом рисунке P₁ и Р₂ - исходные формы гороха; F₁, F₂, F₃, F₄ - поколения гибридов; белым цветом обозначены семена гороха с гладкой поверхностью семян, черным - с морщинистой поверхностью. Из рисунка видно, что в гибридах первого поколения все зерна гороха имеют признак, свойственный первой исходной форме гороха, т. е. все зерна имеют гладкую поверхность. Это значит, что признак первой исходной формы гороха P₁ является подавляющим, доминантным, а признак второй исходной формы гороха Р₂ - подавляемым, рецессивным.

Рис. 48. Опыты Менделя с горохом

Но самое интересное заключается в том, и это было опытным путем доказано Менделем, что в последующих поколениях гибридов (при самоопылении) снова проявляются оба признака: гладкая поверхность семян и морщинистая поверхность. Причем во втором поколении гибридов (F₂) в соотношении P₁ : Р₂ = 3 : 1. В последующих поколениях гибридов F₃, F₄ доля семян гороха с рецессивным признаком Р₂ возрастает, т. е. дело идет к дальнейшему расщеплению свойств.

Мендель дал, как теперь можно судить, в принципе правильное объяснение своим опытам. Он предполагал, что отдельные частицы наследственного вещества (теперь их по предложению датского биолога Иогаисена называют генами), от которых зависят определенные наследуемые признаки, имеют в организме известную самостоятельность. Самостоятельность этих частиц, невозможность их слияния между собой в процессе размножения является причиной расщепления.

Мендель считал, что в каждом организме (в ядре каждой клетки организма) имеется по две частицы наследственного вещества, определяющих какое-либо передающееся по наследству свойство. Гибриды между двумя сортами в процессе размножения получают от своих родителей по одной частице (от каждого) вещества, определяющего данный признак. Если обозначить буквой R доминантный признак одного из родителей, а рецессивный другого - буквой r, то в первом гибридном поколении все возможные сочетания будут одинаковы: Rr. А так как R - доминантный, а r - рецессивный признак, то все первое гибридное поколение будет обладать свойством Pi. Во всех последующих самоопыляющихся гибридных поколениях возможны сочетания RR, Rr, rR и rr, причем первые три сочетания, т. е. те, где участвует доминантный признак R, будут иметь свойство R. Именно поэтому во втором гибридном поколении справедливо соотношение P₁ : Р₂ = 3 : 1. В последующих гибридных поколениях расщепление продолжается.

К сожалению, как уже говорилось, прекрасные опыты Менделя и его глубокое толкование их результатов оставались практически неизвестными до 1900 г. Бывает в науке такая несправедливость.

А в целом необходимо отметить огромный прогресс биологии во второй половине XIX в.: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, основополагающие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И. И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И. М. Сеченова и И. И. Павлова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала XX в., но уже выполненные их выдающимся автором.

XX век является продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. В 1900 г. голландским ученым-биологом, одним из основателей учения об изменчивости и эволюции, X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К. Э. Корренсом (1864 - 1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871 - 1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты н стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем, опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие ген, введенное, как уже говорилось, известным датским биологом Вильгельмом Людвигом Иогансеном (1857 - 1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного элемента ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (коротко: ДНК) - высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Читатель здесь вправе выразить неудовлетворение: только что было сказано, что ген является частицей наследственного материала, ответственной за передачу определенного наследственного признака, а теперь утверждается, что носитель наследственных признаков - ДНК. Что же в действительности несет, в себе наследственные признаки (ген или ДИК) и как обеспечивается их передача потомству?

Ответить па этот вопрос теперь нетрудно. Впрочем, пе следует забывать, что хроника открытий не всегда совпадает с научной логикой объяснения предмета.

Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК - носитель всей наследственной информации организма.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Хаита Моргана (1866-1945), и его учеников, которым удалось определить расположение генов в хромосомах плодовой мушки дрозофилы (Drosophila), на которой они проводили опыты.

Важно отметить, что все клетки данного организма (в том числе, разумеется, и половые) имеют один и тот же набор генов, что сохраняет устойчивость организмов при размножении, а при делении клеток происходит также удвоение молекул ДНК.

Уже упоминавшийся выдающийся американский учо-пый Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными (Исключение составляют гаплоидные организмы: грибы, некоторые водоросли, иногда высшие растения, клетки которых состоят из наборон непарных хромосом. ), т. е. их клетки (за исключением половых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более попятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций - возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление - внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств - известно в биологии давно. Одпако систематическое изучение мутаций было начато уже известным читателю голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации». Выло обнаружено, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867 - 1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 г. воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик, один из основоположников радиационной генетики, Герман Джозеф Мёллер (1890 - 1967), работавший в течение 1983 - 1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Советские ученые-генетики Максим Николаевич Мейсель (р. 1901), Владимир Владимирович, Сахаров (1902 - 1969), Михаил Ефимович Лобашев (1907 - 1971) обнаружили в период 1928 - 1934 гг. мутагенное воздействие на организмы некоторых химических веществ. Эти работы были успешно продолжены советским ученым-генетиком Иосифом Абрамовичем Рапопортом (р. 1912) и другими советскими и иностранными учеными.

Уместно теперь задать такой вопрос: нужно ли с учетом установленных законов генетики и особенно открытия мутаций вносить какие-либо уточнения или изменения в теорию эволюции Дарвина, и если нужно, то какие именно?

Мы слегка касались этого вопроса раньше, но теперь требуется дать на него обстоятельный ответ. Современная наука, во всяком случае большинство биологов, как думает автор настоящей книги, дали бы на этот вопрос следующий ответ. Да, конечно, требуется. Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло па дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность,- которым Дарвин придавал большое значение, получили более глубокое толкование.

Изменчивость растительного или животного организма может быть достигнута двумя путями: либо непосредственным воздействием внешней среды, в результате которого наследственный аппарат организма не изменяется, либо посредством мутаций, характерных тем, что они вызывают изменения наследственного аппарата (генов, хромосом), и поэтому происходящие в этом случае изменения организма являются уже наследственными.

Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивость и наследственность, а следовательно, всему процессу эволюции живого мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря, как уже говорилось, технике физических методов анализа скорость его резко возросла. На основе полученных данных о структуре вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая несколько лет назад казалась малообещающей областью, сегодня выдвинулась на передний край науки, а раскрытие структуры дезоксирибо-нуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии. Являясь носителем и передатчиком наследственных качеств и играя основную роль в синтезе клеточных белков, нуклеиновые кислоты образуют группы веществ, важность которых трудно переоценить.

Уже к началу 40-х годов в распоряжении ученых имелись надежные методы выделения и фракционирования биополимеров, в том числе метод фракционирования белков, предложенный А. Тизелиусом, и методы очистки нуклеиновых кислот, разработанные Е. Кей, А. Даунсом и др. Методы рентгеноструктурного анализа были разработаны в основном благодаря усилиям английских учь ных, среди которых можно назвать Л. Брегга, У. Берг-га, Д. Бернала и др. К этой группе принадлежит также и У. Астбери, который ввел в науку и сам термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 г. О. Звери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте). В 1956 г. Г. Шрамм (ФРГ) и X. Френкель-Конрат (США) независимо друг от друга выделили РНК из вируса табачной мозаики и показали, что при заражении табака этой РНК в нем происходит развитие вируса. Таким образом, было убедительно доказано, что РНК содержит всю необходимую информацию для синтеза вирусного белка. Год спустя Френкель-Конрат осуществил реконструкцию вируса табачной мозаики с помощью РНК и белка.

40-е годы ознаменовались коренным изменением взгляда на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполагалось, что все кислоты построены из одинаковых тетрануклеотидных блоков и потому лишены специфичности. Отказ от этого представления произошел в результате детального исследования структуры нуклеиновых кислот, в которых первые крупные достижения принадлежали Д. Гулапду (Англия) и Э. Чаргаффу (США). Чаргаффу в 1949 - 1951 гг. удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичностью, т. е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу. Кроме того, Чаргафф установил важное правило относительно содержания пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК. Изучая различные ДНК, он открыл, что во всех ДНК независимо от происхождения количество пуринов (адешша н гуанина) равно количеству ниримидипов (цитозина н тимина), что является следствием равенства количества аденина и тимина (А - Т) и равенства коли-честпа гуанина и цитозина (Г - Ц), в то время как специфичность ДНК определяется величиной отношения А + Т/Г + Ц. Результаты, полученные Чаргаффом, создали предпосылку расшифровки молекулы ДНК, которую произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США).

Уотсопу и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Если эту спираль развернуть в плоскость, то полученная структура будет напоминать лестницу, у которой перекладины представляют собой пурино-пиримидииовые пары, а направляющие - чередование молекул сахара и фосфатных групп. Правила Чергаффа ограничили число возможных комбинаций пар оснований, поскольку аденин всегда должен соединяться с тимином, а гуанин - с цитозяном. Таким образом, оказалось, что строение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет строение другой ветви, поскольку последовательность оснований, примыкающих к одной из направляющих, однозначно определяет последовательность основания, примыкающих к другой направляющей. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплементарностыо (дополнительностью), определяет генетическую функцию молекулы.

Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов репликации ДНК и транскрипцию Уотсон и Крик предположили, что репликация (воспроизведение) молекулы происходит следующим образом: двойная спираль раскручивается и составляющие ео нити расходятся, разделяясь в местах соединения оснований. Затем па каждой из нитей в соответствии с правилами комплементарности образуется новая молекула. В 1957 г. американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью репликации, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона. Для того чтобы осуществить этот процесс, Кроибергу понадобилось выделить фермент, катализирующий его. За открытие этого фермента - полимеразы - и синтез ДНК Кронберг в 1959 г. получил Нобелевскую премию по медицине (он разделил ее с С. Очоа, который провел биосинтез РНК).

Генетическая информация кодируется в ДНК с помощью четырех символов (оснований), располагающихся в определенной последовательности. Однако, поскольку существует 20 основных белковых аминокислот, следующей задачей было выяснить, каким образом запись па четырехбуквенном алфавите в ДНК переводится в запись на двадцатибуквенном алфавите в белках.

Решающий вклад в решение этой проблемы был сделан Г. А. Гамовым в 1954 г. Он предположил, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (нуклеотид представляет собой элементарный мономер ДНК, состоящий из сахара, фосфата и основания). Доказательство этого предположения было получено лишь в 1961 г. в результате работ Ф. Крика, Л. Барнета, С. Бреннера и Р. Ваттс-Тобииа (Великобритания), а также работ М. Нирпберга и Дж. Маттеи (США).

М. Нирнберг и Дж. Маттеи, а также О. Очоа (США) в своих исследованиях проводили биосинтез белка в присутствии РНК-матрицы. Эти РНК были искусственно синтезированы, и их состав был известен; затем, меняя сочетания оснований в РНК и определяя вид аминокислот в получающемся белке, оказалось возможным установить, какие тройки нуклеотидов (кодоны) соответствуют данным аминокислотам. К середине 60-х годов был определен порядок оснований практически для всех кодонов; однако эти достижения стали возможными лишь после выяснения механизма синтеза белка.

Уже в 40-е годы рядом исследователей высказывалось мнение, что нуклеиновые кислоты (РНК) играют существенную роль в синтезе белка, поскольку в тканях с активным белковым синтезом наблюдалось увеличение содержания РНК. Это мнение полностью подтвердилось в работах последующего десятилетия. В это же время (50-е годы) было выдвинуто представление о двух видах РНК - информационной (или матричной) и транспортной. Представление об информационной РНК было высказано Ф. Криком, С. Шпигельманом, А. Н. Белозерским и др. и разработано Ф. Жакобом и Ж. Mono в 1961 г. В том же году было экспериментально доказано существование информационной РНК. Что касается транспортной РНК, то еще в 1954 г., Ф. Криком была выдвинута гипотеза, согласно которой должны существовать особые молекулы нуклеиновых кислот, выполняющие функцию перевода языка нуклеиновых кислот на язык белков. Спустя три года эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение.

К 1958 г. стало уже известно, что белковый синтез протекает в три основные стадии. Сначала аминокислота активируется ферментом, затем активированная кислота присоединяется к специфической транспортной РНК, и, наконец, аминокислота включается в белок, а РНК высвобождается.

В 60-е годы фундаментальная роль РНК в синтезе белка представлялась неоспоримой, и поэтому усилия исследователей сосредоточились на поисках методов фракционирования и определения нуклеотидной последовательности РНК. Выдающихся результатов на этом пути добился в 1965 г. американский биохимик Р. Холли, расшифровавший структуру аланиновой РНК из дрожжей. Холли разработал специальную методику, которая позволяла получать крупные фрагменты молекул РНК, в то время как другие исследователи умели получать только мелкие фрагменты. Это дало Холли возможность собрать из фрагментов всю молекулу целиком, соблюдая требуемую последовательность нуклеотидов. За эту работу Р. Холли получил в 1968 г. Нобелевскую премию по медицине. Разработанный им метод оказался чрезвычайно плодотворным - в последующие годы была расшифрована структура ряда РНК и создана предпосылка синтеза ДНК. Синтез гена - молекулы ДНК, кодирующей аланиновую РНК - был осуществлен Г. Кораной (США) в 1970 г. и явился завершением его 15-летних исследований по химическому синтезу олиго-нуклеотидов. В соответствии с последовательностью нуклеотидов в РНК, описанной Холли, Корана сначала синтезировал короткие фрагменты молекулы, которые с помощью специального фермента, ДНК-лигазы, соединял в более длинные участки. По такой же методике проводятся работы по синтезу других генов.

До самого последнего времени считалось, что перенос генетической информации может происходить только от ДНК к РНК. Однако в 1970 г. американские биохимики Д. Балтимор и Г. Темин доказали, что может происходить обратная транскрипция - синтез ДНК на РНК, причем был выделен соответствующий фермент - ревертаза.

В процессе осуществления синтеза белка важно было понять, какая часть клетки ответственна за этот процесс. В середине 50-х годов считалось, что областями синтеза являются фракции мелких гранул, которые в 1949 г. были названы микросомами. Позднее выяснилось, что синтез проходит в еще более мелких частицах микросом, названных в 1958 г. рибосомами. Классические исследования бактериальных рибосом были проведены А. Тисьером и Дж. Уотсоном в конце 50-х годов. Было показано, что рибосомы состоят из двух неравных частей, включающих различные белки, а в 60-е годы строение рибосом было уточнено - оказалось, что это система, состоящая из двух клубков нитей (тяжей), неравных по своим размерам.

К началу 60-х годов сложилось уже четкое понимание основных процессов передачи информации в клетко при синтезе белка. К понятию репликации прибавились понятия транскрипции и трансляции. При раздвоения молекулы ДНК последовательность ее оснований переводится в комплементарную последовательность оснований информационной РНК (РНК, как и ДНК построена с помощью четырех оснований, лишь вместо тимина в ней используется урацил - вещество, близкое ему по свойствам) . Этот процесс передачи информации от гена к матричной РНК называется транскрипцией. Затем РНК перемещается из ядра в цитоплазму, где она соединяется с рибосомой - субмикроскопической структурой, в которой происходит белковый синтез. В рибосоме происходит считывание генетической информации, т. е. последовательность оснований, содержащихся в РНК, переводится в последовательность аминокислот. Этот процесс называется трансляцией. Аминокислоты захватываются небольшими участками транспортной РНК и переносятся в нужное место к информационной РНК, находящейся в рибосоме. Для каждой аминокислоты есть своя транспортная РНК, состоящая приблизительно из 80 нуклеотидов. Так как насчитывается 20 аминокислот, то существует и 20 транспортных РНК, каждая из которых соответствует кодону - тройке нуклеотидов в кодовой последовательности информационной (матричной) РНК. Когда все кодовые элементы информационной РНК соответствуют своим дополнительным элементам, аминокислоты располагаются в требуемом порядке, соединяясь через пептидные связи в цепь. Образовавшийся белок сходит с матрицы, и процесс повторяется.

В результате исследований, проведенных в 1936- 1970 гг. рядом ученых, стало известно, что в процессе трансляции принимает участие множество разнообразных компонент, помимо рибосом, а сам процесс трансляции включает три стадии - инициацию, собственно трансляцию и терминацию. При наличии всех необходимых компонент, синтез белка может протекать и вне клетки, причем с помощью меченых атомов удалось показать, что белки синтезируются именно постадийно; начало синтеза приходится на свободные аминоокончания, а конец - на свободные карбоксильные группы в последней аминокислоте.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процесса синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Здесь следует отметить открытие Л. Полингом в 1940 г. дефектного гемоглобина S, выделенного из эритроцитов людей, страдающих наследственной болезнью - серповидной анемией. Полинг выдвинул предположение, что эта ненормальность имеет молекулярную природу, и его догадка была подтверждена в 1961 г., когда было обнаружено, что дефектный гемоглобин полностью аналогичен нормальному, за исключением того, что в его молекуле глутаминовая кислота заменена валином. Открытие Полипга, указавшее исключительную важность молекулярных представлений в биологии, в значительной степени обусловило расширение фронта исследований, и к настоящему времени определена структура многих белков.

В 1953 г. в результате десятилетних исследований Ф. Сенгер расшифровал аминокислотную последовательность инсулина, разработав для этого эффективный метод определения- W-концевых аминокислотных остатков содержащих свободную аминогруппу. Этот метод оказался весьма плодотворным в процессе дальнейшего развития анализа белков, и в 1958 г. Сегнеру была присуждена Нобелевская премия по химии. Дальнейший прогресс аналитических методов был обусловлен созданием в 1957 г. автоматического анализатора аминокислот. Создатели анализатора - американские биохимики В. Стейи и С. Мур занялись с его помощью определением структуры рибонуклеазы, которая и была расшифрована в 1960 г.- она представляет собой полипептидцую цепь из 124 аминокислотных остатков. За раскрытие строения рибонуклеазы В. Стейпу и С. Муру была присуждена в 1972 г. Нобелевская премия по химии (совместно с К. Аифипсетюм).

Рибоиуклеаза была первым ферментом, строение которого было расшифровано, однако то, что ферменты имеют белковую природу, было известно еще с довоенных лет. В 1940 г. М. Куниц получил РНК в кристаллическом виде, особенно удобном для исследования рентгеноструктурными методами, а к концу 50-х годов химики располагали сотнями препаратов ферментов, полученных как в кристаллическом, так и в некристаллическом виде.

Мощное развитие аналитических методов в биохимии привело к расшифровке строения многих белков - к началу 60-х годов была определена аминокислотная последовательность белка вируса табачной мозаики, миоглобина, а- и р-цепей гемоглобина человека, а также ряда других белков.

Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разработанную к 1951 г. Л. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плоской, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены. Крупным достижением 50-х годов было определение пространственной структуры миоглобина (Дж. Кендрью) и гемоглобина (М. Перутц). Особенно трудоемкой оказалось построение трехмерной модели гемоглобина - первые данные о структуре гемоглобина были получены Перутцем в 1937 г. За работы по определению пространственной структуры белков Кендрью и Перутцу была присуждена в 1962 г. Нобелевская премия по химии.

В начале 60-х годов на пути прогресса синтеза белков встретились серьезные трудности, связанные с тем, что выход конечного продукта был ничтожным. Путь резкого увеличения выхода конечного продукта (вплоть до 100%) был указан работами американского биохимика Р. Меррифилда, который разработал метод синтеза белков на твердофазном носителе - в его методе растущая полипептидная цепь оставалась все время связанной с шариком полистирольной смолы, к которой присоединялась первая аминокислота. С помощью своего метода Меррифилду удалось синтезировать инсулин, а затем и рибонуклеазу, строение которой было к тому времени известно благодаря работам Стейна и Мура. Синтез рибонуклеазы проходил в 11931 этап, включавший 369 химических реакций - эти характеристики дают представление о сложности проблем, с которыми имеет дело современная молекулярная биология.

Как пишет известный советский биолог 10. А. Овчинников, «наибольших успехов биологическая наука достигла в последние 20 - 25 лет, когда она сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий» (Овчинников 10. А. Биотехнология, ее место в научно техническом прогрессе.- Вестн. АН СССР, 1982, № 4, с. 4.). Многие биологи считают, что особенно большое значение будет иметь генная инженерия, к достижениям которой уже теперь можно отнести создание новых микроорганизмов (бактерий и вирусов). Путем направленного изменения наследственного аппарата получены многие десятки микроорганизмов с заранее заданными свойствами.

В Советском Союзе проводится большая работа в области селекции, являющейся, с одной стороны, разделом агрономии и зоотехники, в котором рассматриваются методы создания новых сортов и гибридов сельскохозяйственных растений и пород животных, а с другой стороны, отраслью сельского хозяйства. Широко известны имена селекционеров, достигших в своем деле больших успехов. К их числу относятся: И. В. Мичурин (1855 - 1935), создавший более 300 сортов плодово-ягодных культур, широко использовавший методы отдаленной гибридизации; П. П. Лукьяненко (1901 - 1973) и В. Н. Ремесло (1907 - 1983), сумевшие создать высокопродуктивные сорта пшеницы; В. Н. Мамонтова (р. 1895) - один из создателей метода ступенчатой гибридизации яровой пшеницы и автор ценных сортов ее; М. И. Хаджинов (1899 - 1980), создавший высокоурожайные гибридные сорта кукурузы; В. С. Пустовойт (1886 - 1972), разработавший высокоэффективную систему селекции и семеноводства подсолнечника, и др.

Надо надеяться, что генетика будет в дальнейшем использоваться гораздо шире в селекционных сельскохозяйственных работах.

В заключение приведем три раздела, в которых речь будет идти о современной технике: энергетике, радиоэлектронике (в частности, лазерах и ЭВМ), исследованиях космического пространства.

Итак, энергетика, или, как теперь часто говорят, топливно-энергетический комплекс-Энергетика - понятие очень широкое. В него входят электростанции, производящие электрическую энергию, двигатели автомобилей, тепловозов для железных дорог, речных и океанских судов и самолетов, передача электроэнергии, а также добыча, переработка и транспортировка топлива и многое другое. Мы сосредоточим внимание на электроэнергетике, т. е. электрических станциях и всем том, что связано с их работой, или, может быть, точнее сказать, па электрификации - широком использовании электрической энергии в производстве и быту. В. И. Ленин придавал большое значение электрификации; на VIII Всероссийском съезде Советов в декабре 1920 г. им были сказаны хорошо известные слова: Коммунизм - это есть Советская власть плюс электрификация всей страны. На этом же съезде был принят Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), рассчитанный на 10 - 15 лет. Согласно этому плану, было намечено построить новые электростанции общей мощностью 1750 тыс. кВт, т. е. приблизительно в 4,4 раза больше, чем имела вся дореволюционная Россия. План ГОЭЛРО был успешно выполнен.

В настоящее время широкое развитие получили три вида электростанций: тепловые (ТЭС), работающие на органическом топливе; гидравлические (ГЭС), использующие разность уровней воды в реках, создаваемую с помощью специально сооружаемых плотин; атомные (АЭС), использующие энергию, выделяющуюся в ядерных реакциях.

Очень кратко остановимся на устройстве ТЭС, принципиальная схема которой показана на рис. 49. Топливо (уголь, мазут - продукт переработки нефти, точнее сказать, остаток, образующийся после отгонки из нефти бензина, керосина и других легких фракций, или природный газ) подается в топку котла 5 и там сжигается. За счет выделившегося при этом тепла вода нагревается и испаряется, образуется водяной пар при температуре насыщения, определяемой давлением в котле и тем более высокой, чем больше давление. Далее пар поступает в перегреватель 1, в котором его температура повышается до требуемой величины.

Рис. 49. Схема устройства ТЭС

В последние десятилетия широкое применение нашли прямоточные котлы. Схема устройства прямоточного котла очень проста: он представляет собой змеевик, в один конец которого подается относительно холодная вода, а из другого конца выходит перегретый пар. Давление воды, подаваемой в прямоточный котел, часто создается выше критического (критическое давление воды составляет около 225 атм.).

Из котла (пароперегревателя) перегретый пар поступает в паровую турбину 2, назначение которой - превращать тепловую энергию пара в механическую. Как это видно из рис. 50, пар поступает в сопла турбины. Сопла, принадлежащие к статору турбины и поэтому остающиеся неподвижными, представляют собой сделанные из металла каналы, профиль которых выполнен таким образом, чтобы скорость струи пара возрастала (на выходе из сопел скорость пара нередко превышает скорость звука). Увеличение скорости струи пара происходит за счет уменьшения его тепловой энергии (при этом давление и температура пара понижаются).

Рис. 50. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в паровой турбине

Выходя с высокой скоростью из сопел, струя пара попадает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на специальных дисках, жестко связанных с валом. Таким образом, вал турбины, диски и рабочие лопатки, вместе взятые, представляют собой вращающуюся часть турбины - ее ротор.

Проходя по каналам между рабочими лопатками, струя пара значительно снижает свою скорость. Другими словами, кинетическая энергия струи пара превращается в кинетическую энергию ротора турбины.

Важно заметить, что струя пара, теряя свою скорость, заставляет вращаться ротор турбины отнюдь не за счет удара о стенки лопаток. Напротив, конструктор турбины стремится к тому, чтобы избежать такого удара, или по крайней мере, если возможно, его уменьшить. Ротор приводится в движение единственно потому, что струя пара, протекая по криволинейному каналу между рабочими лопатками, оказывает давление на вогнутую поверхность лопаток, как показано на рисунке. Это давление есть единственная причина превращения кинетической энергии струи пара в кинетическую энергию ротора турбины.

Ротор турбины представляет собой одно целое с ротором электрического генератора. Поэтому струя пара, воздействуя на рабочие лопатки, приводит во вращение по только ротор турбины, но и жестко (с помощью муфты) связанный с ним ротор электрического генератора. Таким образом, тепловая энергия пара превращается в электрическую энергию.

Если мы снова посмотрим па схему TЭС, то увидим, что пар, выходящий из турбины, имеющий температуру, близкую к температуре среды (около 25° С) и давление около 0,04 атм, поступает в конденсатор 3. Протекающая по трубкам конденсатора охлаждающая вода отнимает тепло от пара, превращает его в воду (конденсат), которая с помощью питательного насоса 4 вновь подается в котел. Цикл замыкается.

Необходимо высказать несколько соображений, касающихся ТЭС. Прежде всего о топливе. Поскольку в котлах ТЭС можно использовать любое низкосортное топливо, желательно, конечно, применять здесь не продукты переработки нефти или природный газ - ценные вещества, нужные для многих других целей,- а уголь или сланцы.

Как известно, для непрерывного производства электроэнергии из тепла необходимо иметь два источника тепла: верхний, с более высокой температурой, и нижний, с более низкой температурой. Известно также, что чем больше разность температур, тем выше может быть коэффициент полезного действия (КПД) процесса превращения тепла в электрическую энергию.

Что касается низкотемпературного источника тепла, то здесь выбирать не приходится: природа дала нам такой источник в виде окружающей среды. Под низкими широтами (ближе к экватору) этот источник заметно теплее, под верхними (ближе к полюсам Земли) - холоднее.

Наоборот, верхний источник тепла в подавляющем большинстве случаев создается человеком, хотя имеются такие естественные источники тепла, как Солнце и геотермальное тепло Земли. Наиболее широко в качестве горячих источников используется тепло, образующееся в результате сжигания органического топлива, и тепло, выделяющееся в ядерных реакциях. В первом случае может быть достигнута температура в пределах 3000 К (в специальных условиях она может достигать 4000 К), во втором случае - неограниченно высокая.

Однако на самом деле температуру водяного пара перед входом в турбину в настоящее время не поднимают выше 550° С. Конечно, если бы увеличить начальную температуру водяного пара с 550° С, например, до 700° С, то теоретический (термический) КПД увеличился бы с 63,5 до 69,2%. Но этого пока не делают. Причина заключается в том, что при повышении начальной температуры свыше 550° С необходимо использовать другие, высококачественные, по зато значительно более дорогие металлы, особенно для таких ответственных частей турбины, как, например, рабочие лопатки, которые испытывают большие механические напряжения при высокой температуре. Увеличение КПД ТЭС при переходе к температуре пара выше 550° С не окупает повышенных расходов на металл.

Еще один важный вопрос. Значительно выгоднее сооружать тепловые станции, которые снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Такие электростанции называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). ТЭЦ отличаются от обычных ТЭС тем, что ил турбины пар выходит с температурой не 25 - 30° С. как на ТЭС, а значительно более высокой: 100 - 150° С (в зависимости от нужд потребителя). Конечно, в этом случае электроэнергии будет выработано меньше, но зато оставшаяся неиспользуемой в турбине тепловая энергия (например, в виде горячей воды) будет передана тепловому потребителю.

Может возникнуть такой вопрос. Почему бы не сооружать для тепловых потребителей специальные водогрейные котлы, в которых подогревать воду именно до той температуры, которая нужна потребителю? Поступать так, конечно, можно. Более того, чаще всего именно так и делается, но это очень невыгодно. При сжигании топлива только для получения тепла, например для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500° С (обычная температура продуктов сгорания в таких котлах) до 100° С (температура воды, нужная тепловому потребителю) теряется, хотя он мог бы быть частично использован (от 550 до 100° С) для выработки электроэнергии.

Действительно, КПД хорошей ТЭС близок всего лишь к 40%, в то время как коэффициент использования тепла (Под КПД понимается отношение выработанной электроэнергии (или механической работы) ко всему затраченному теплу, а под коэффициентом использования тепла - отношение, числителем которого является сумма выработанной электроэнергии и полезно израсходованного тепла, а знаменателем все израсходованное для этого тепло. )на ТЭЦ достигает 60 - 70%. В Советском Союзе построено большое число ТЭЦ, их общая мощность превышает 50 млн. кВт.

Чем выше давление пара, поступающего в сопла турбины тем, при той же температуре выше КПД ТЭС (или ТЭЦ). Именно поэтому за последние десятилетия широкое использование получил пар сверхвысокого давления (порядка 240 атм).

И наконец, во многих, если не во всех, отраслях техники проглядывается общая тенденция: увеличение мощности отдельных агрегатов. Это в полной мере относится и к теплоэнергетике. 300, 500, 800, 1200 тыс. кВт - таков рост мощности турбогенераторов за последние 30 лет, а вместе с ними паровых котлов и другого оборудования. Тенденция эта вполне оправданна. С ростом мощности отдельных агрегатов растет их КПД и, что, пожалуй, самое главное, снижается величина удельных капитальных вложений.

Перейдем теперь к ГЭС. Принцип работы ГЭС (рис. 51) прост и хорошо известен. Самым важным и самым дорогостоящим элементом ГЭС является плотина, которая и создает необходимую разность уровней воды. Подвод воды с верхнего бьефа к лопастям гидравлических турбин, устанавливаемых всегда на нижнем бьефе, происходит либо через каналы, выполненные в теле плотины (см. рис. 51), либо через специальные трубопроводы. Струя воды на входе в турбину, обладающая всегда большой скоростью (за счет уменьшения ее потенциальной энергии), поступает на лопасти турбины. Ротор гидравлической турбины связан с ротором электрического генератора. Они составляют в совокупности ротор гидротурбогенератора, приводимого во вращательное движение под воздействием струи воды, поступающей на лопасти турбины. Так же как и в паровых турбинах, конструкторами принимаются меры к тому, чтобы избежать удара (или по крайней мере его снизить) струи воды о лопасти турбины.

Рис. 51. Схема устройства ГЭС

Гидроэнергия, как и многое другое на Земле, имеет солнечное происхождение: вода совершает свой круговорот за счет энергии Солнца. Поэтому гидроэнергия относится к числу восполняемых источников энергии, к которым нельзя отнести органическое и ядерное топливо. Гидростанции особенно эффективны тогда, когда они сооружаются в целях решения не только энергетических, но также сельскохозяйственных, рыбохозяйствеиных и транспортных задач. В Советском Союзе, располагающем большими гидроресурсами, развернуто широкое гидростроительство, построены крупнейшие в мире ГЭС: Братская на р. Ангаре (мощность около 4,5 млн. кВт), Красноярская на р. Енисее (мощность 6 млн. кВт), заканчивается строительство еще более мощной ГЭС на р. Енисее - Саяно-Шушенской.

Теперь уже строительство новых, все более мощных атомных электростанций (АЭС) ни у кого не вызывает удивления, рассматривается как обычное дело, а между тем освобождение и использование ядерной энергии является одним из наиболее крупных событий XX в. К сожалению, это великое открытие было использовано не только в мирных, но и в военных целях. Мир узнал о нем из сообщений о взрывах американских атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки 6 и 9 августа 1945 г.

Мы скажем здесь очень кратко о физических основах атомной энергетики и об устройстве АЭС. Еще в конце 30-х годов XX в. было установлено, что ядро атома изотопа урана с атомным весом 235, ²³⁵U, под воздействием нейтрона делится на осколки и что этот процесс сопровождается большим энерговыделением. Естественно, это открытие не осталось без внимания.

Мы не имеем возможности описывать в хронологическом порядке, как дальше развивались события, а сразу же перейдем к рассмотрению физических процессов, происходящих в атомном реакторе. Деление ядра ²³⁵U происходит, как уже сказано, иод действием нейтрона (в результате попадания нейтрона в ядро). Чрезвычайно важно, что при делении ядра число испускаемых нейтронов больше единицы. Для ядра ²³⁵U, если в пего попадает так называемый замедленный, или тепловой, нейтрон, это число в среднем составляет 2,46. Это значит, что может быть осуществлена цепная, развивающаяся реакция. Это значит также, что должны быть приняты меры против бесполезной утечки нейтронов.

Природный очищенный от примесей уран состоит почти исключительно из двух изотопов: 235U и 238U, причем 235U в природном уране содержится только 0,7%, a 238U - 99,3%. Особую ценность, по крайней мере теперь, представляет 235U, так как он является единственным известным саморасщепляющимся ядерным топливом, встречающимся в природе. При делении 1 кг 235U выделяется огромная энергия (тепло), равная энергии (теплу), которая образовалась бы при сжигании 2,7-10е кг условного топлива, т. е. топлива, имеющего теплотворную способность 7000 ккал/кг. Другими словами, 1 г ²³⁵U энергетически эквивалентен 2,7 т условного топлива (2,7 т у. т.).

Существуют два типа принципиально отличных друг от друга ядерных реакторов: работающие на тепловых нейтронах и работающие на быстрых нейтронах. В реакторах на тепловых нейтронах образовавшиеся в процессе ядерной реакции, обладающие высокой энергией и поэтому называемые быстрыми нейтроны искусственно замедляются, их энергия делается приблизительно в 100 раз меньше. Они могут, как уже говорилось, вызывать распад ядер атомов 235U, но только в малой мере воздействовать на ядра атомов 238U, преобразуя их в количестве всего лишь около 1% в плутоний 239Рu. Последний в природе практически не встречается и, следовательно, является искусственным, созданным человеком элементом, близким по своим свойствам к 235U.

Следовательно, в реакторе на тепловых нейтронах используется весь 235U и около 1% 238U, т. е. около 2% природного урана.

Для того чтобы быстрые нейтроны превратить в тепловые, используются так называемые замедлители нейтронов, которыми могут служить графит, обычная или тяжелая вода. Замедление нейтронов происходит в результате их столкновений с ядрами замедлителя. При этом нейтроны не только замедляются (что и требуется), но частично поглощаются (что уже плохо).

Читатель может задать такой вопрос: что было бы, если нейтроны, полученные при делении ядра 235U, искусственно не замедлять, а сохранить их высокую энергию? Так поступить можно. Так и поступают в реакторах па быстрых нейтронах. Причем в принципе в этом случае возможно полностью использовать весь природный уран: 233U, как и в реакторах, работающих на тепловых нейтронах, а также и 238U (не будем забывать, что его в природном уране 99,3%!), который под действием быстрых нейтронов сначала преобразуется в плутоний, 219Рu, и который по своим свойствам, как говорилось, близок к 235U и поэтому также используется для получения тепла.

Естественно, может возникнуть второй вопрос: зачем же специально замедлять быстрые нейтроны, заранее зная, что с их помощью можно использовать в энергетических целях полностью только изотоп урана ²³⁵U и в весьма малой доле изотоп урана 238U, тогда как с помощью быстрых, не замедленных нейтронов можно (по крайней мере теоретически) использовать весь природный уран?

Действительно, на первый взгляд может показаться, что искусственное замедление быстрых нейтронов ничего хорошего не дает. На самом же деле это шаг вынужденный. Дело заключается в том, что создание и эксплуатация реактора на быстрых нейтронах существенно сложнее, чем реактора на тепловых нейтронах, и не все проблемы на этом пути должным образом решены. Назовем хотя бы некоторые из них.

Для того чтобы успешно эксплуатировать реакторы на быстрых нейтронах, надо прежде всего решить некоторые) сложные проблемы материаловедческого характера. Облучение материала быстрыми нейтронами приводит к тому, что атомы облучаемых материалов выбиваются из их фиксированных положений в кристаллической решетке, в результате чего материал теряет свои прочностные и некоторые другие свойства. Следовательно, необходимо создавать новые материалы, более приспособленные к работе в интенсивном нейтронном пучке.

Кроме того, для предохранения быстрых нейтронов от замедления в зоне их существования ни в коем случае нельзя использовать материалы и вещества, сколько-нибудь заметно поглощающие нейтроны или снижающие их энергию. В частности, именно по этой причине в реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя нельзя использовать обычную воду, довольно активно замедляющую нейтроны. Приходится отыскивать для этой цели другие вещества. В большинстве, если не во всех, действующих реакторов иа быстрых нейтронах роль теплоносителя исполняет жидкий натрий, гораздо слабее чем вода поглощающий и замедляющий нейтроны. Замена воды на жидкий натрий, технически вполне возможная, отнюдь не упрощает дела.

Есть и другие трудности, задерживающие начало широкого строительства реакторов на быстрых нейтронах. Одна из них заключается в следующем. Поскольку, как уже говорилось, плутоний в естественных условиях на Земле не встречается, нужно, чтобы уже работающие реакторы на быстрых нейтронах нарабатывали плутоний для последующих, намечаемых к строительству реакторов. Причем делать это они должны быстро, с тем чтобы обеспечить программу строительства АЭС с реакторами па быстрых нейтронах. Темп наработки плутония в реактоpax принято выражать временем удвоения - временем, в течение которого количество делящегося вещества (плутония) по отношению к первоначальной загрузке его в реактор удвоится. Сократить время удвоения плутония - такова задача.

Конечно, читатель может спросить: почему бы для первоначальной загрузки реактора не использовать вместо плутония 239Ри, изотоп урана 235U, который существует в природе и может быть добыт в нужном количестве? На этот вполне законный вопрос можно ответить так. Дело в том, что при делении ядра атома 239Рu излучается больше нейтронов, чем при делении ядра атома 235U (в среднем 3,0 против 2,46), и поэтому коэффициент воспроизводства топлива существенно выше при первоначальной загрузке 239Рu.

Вопрос о широком применении реакторов на быстрых нейтронах мы закончили бы так. Реакторы этого типа являются высокоэффективными, и можно думать, что в ближайшее время, после решения некоторых пока еще не до конца решенных вопросов их производства и эксплуатации, АЭС с реакторами на быстрых нейтронах найдут широкое использование.

Прежде чем перейти к рассмотрению схем некоторых типов АЭС, хотелось бы кратко остановиться на еще одном важном вопросе. Учитывая, что при каждом делении ядра 235и или :239Рп один из образующихся при этом нейтронов расходуется на продолжение цепной реакции, часть нейтронов поглощается конструкционными материалами, а в реакторах на тепловых нейтронах еще и замедлителем, необходимо всемерно уменьшать утечку нейтронов. При этом, как и во многих других случаях, большое значение имеет геометрический фактор: отношение поверхности, в данном случае активной зоны реактора, к ее объему.

Чем меньше объем пространства, тем больше отношение поверхности этого пространства к его объему. Например, для куба с ребрами 3 м это отношение составляет 54/27=2, а для куба с ребрами 2 м - 24/8=3. Эта простая истина имеет в технике большое значение. Чем больше объем активной зоны реактора, тем больше в единицу времени образуется нейтронов. Чем больше поверхность, тем, естественно, больше и утечка нейтронов. Но с ростом объема отношение поверхности к величине объема уменьшается. Поэтому с ростом объема, в котором происходит ядерная реакция, утечка нейтронов по абсолютному значению растет, а по относительному значению (выраженная в процентах, например, к числу образующихся за то же время нейтронов) уменьшается. Из этого заключения следует, что существует минимальный, именуемый критическим, объем, при котором утечка нейтронов не превышает максимально допустимой, и, значит, возможна цеп-пая ядерная реакция. Если же объем меньше критического, цепная ядерная реакция протекать не будет.

В этом, кстати говоря, и заключается принципиальная основа атомной бомбы. Чтобы произвести ядерный взрыв, нужно соединить в одно целое несколько кусков делящегося материала, например 239Рu. Общий объем делящегося материала превысит критический, а масса его - критическую массу, начнется саморазвивающаяся ядерная реакция, произойдет взрыв.

На АЭС ядерного взрыва произойти фактически не может, так как ядерная реакция здесь в отличие от атомной бомбы управляется с помощью так называемых компенсирующих стержней, сделанных из материала, являющегося сильным поглотителем нейтронов, например из карбида бора. Извлечение стержней из зоны, где протекает ядерная реакция, или, наоборот, погружение в эту зону соответственно усиливает или ослабляет реакцию.

Если число возникающих и расходуемых, поглощаемых и теряемых в результате утечки нейтронов одинаково, то мощность реактора будет оставаться неизменной. Он будет работать в установившемся режиме. Это достигается с помощью компенсирующих стержней.

Нельзя сказать, что в ядерной реакции, протекающей с искусственным замедлением нейтронов, ²³⁸U не используется вовсе. Поскольку замедленные нейтроны ядрами ²³⁸U поглощаются и процесс преобразования ²³⁸U в ²³9Рu все же происходит, в ядерной реакции с замедленными нейтронами может быть использовано на тонну природного урана 7 кг ²³⁵U (весь ²³⁵U) и примерно 10 кг ²³⁸U (всего лишь около 7% ²³⁸U).

Рассмотрим теперь две схемы АЭС: 1) работающих на замедленных, тепловых нейтронах и 2) работающих па быстрых нейтронах.

Существует несколько типов атомных реакторов на тепловых нейтронах. Они различаются между собой главным образом в зависимости от того, какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла, образовавшегося в результате ядерной реакции. Имеются содо-водяные реакторы (в этом случае обычная вода служит и замедлителем и теплоносителем), уран-графитовые реакторы (замедлитель - графит, теплоноситель - обычная вода), газографитовые реакторы (замедлитель-графит, теплоноситель - газ, обычно С0₂), тяжеловодные реакторы (замедлитель - тяжелая вода, теплоноситель - либо обычная вода, либо тяжелая вода).

Мы рассмотрим схему АЭС с наиболее распространенным водоводяным реактором, или, как его кратко называют, ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). Принципиальная схема АЭС этого типа представлена на рис. 52. Реактор представляет собой толстостенный сосуд, рассчитанный на высокое давление. В нем размещены: твэлы - тепловыделяющие элементы, состоящие из сердечника, содержащего в качестве основного «материала» ядерное топливо, и оболочки, герметически отделяющей сердечник от теплоносителя, и объединенные в кассеты (так называемые сборки); компенсирующие стержни, с помощью которых, как уже говорилось, осуществляется управление реактором; вода, протекающая через реактор, служащая одновременно и замедлителем нейтронов и теплоносителем. Они составляют активную зону реактора.

Рис. 52. Схема устройства АЭС с водоводяным реактором

Активная зона защищена снаружи не показанным на схеме отражателем нейтронов, назначение которого - вернуть в активную зону «выскочившие» из нее нейтроны. Кроме того, любой реактор имеет, так называемую, биологическую защиту (также не показанную на рисунке) , которая должна резко уменьшить (практически ликвидировать) его радиоактивное излучение.

Вода, непрерывно циркулирующая через активную зону реактора, исполняя свое назначение теплоносителя, воспринимает тепло от твэлов, поступает в теплообменник-парогенератор и передает тепло воде второго контура, превращая ее в пар. Из сказанного ясно, почему схему такого рода АЭС называют двухконтурпой.

У читателя, может быть, возникнет вопрос: можно ли испарить воду второго контура за счет тепла, передаваемого водой первого контура, учитывая, что температура воды первого контура по условиям теплообмена должна быть выше температуры воды второго контура и в то же время в первом контуре все время вода остается в жидком состоянии, а во втором - более холодная вода испаряется?

Оказывается вполне возможно. И даже весьма просто. Вспомним, что температура парообразования, т. е. температура, выше которой вода существовать не может, зависит от давления. Так, например, при давлении 0,04 абсолютных атмосферы (ата) - это как раз обычное давление пара в конденсаторе (см. рис. 49) - температура парообразования (конденсации) равна 29° С, при давлении 1 ата температура парообразования равна 99,6° С, при давлении 160 ата - уже 347,3° С. Поэтому если давление воды в первом контуре выше, чем во втором, воду второго контура можно превратить в пар за счет тепла, отдаваемого водой первого контура. Так практически и поступают. В водо-водяном реакторе мощностью 1 млн кВт, установленном на Нововоронежской АЭС, давление воды первого контура избрано 160 ата, а давление воды второго контура - 60 ата. Температуры парообразования равны соответственно 347,3 и 275,6° С.

Из теплообменника-парогенератора пар поступает в турбину, и дальше все происходит так же, как на ТЭС (см. рис. 49), и поэтому в дополнительных объяснениях нет нужды.

Следовательно, ТЭС и АЭС отличаются «только» агрегатами, производящими водяной пар: на ТЭС это паровой котел, источником тепла для которого служит органическое топливо, а на АЭС это прежде всего ядерный реактор (в нашем случае реактор и теплообменник-парогенератор). Но это принципиальное различие.

На схеме устройства АЭС с водо-водяным реактором (см. рис. 52) блок ядерный реактор и теплообменник-парогенератор выделен оконтуривающей линией. Это сделано для того, чтобы показать принципиальные различия между схемами ТЭС и АЭС.

Следует заметить, что вне пределов оконтуривающей линии практически радиоактивности нет. В этом и есть основное назначение создания двухконтурной схемы.

На рис. 53 представлена одна из возможных схем устройства АЭС с реактором на быстрых нейтронах.

Рис. 53. Схема устройства АЭС с реактором на быстрых нейтронах

Используя этот тип реактора (именуемого также реактором-размножителем или бридером), можно, как уже говорилось, гораздо полнее использовать природное ядерное горючее.

В Советском Союзе (после проведения опытных работ на установках относительно малой мощности) первый крупный атомный реактор на быстрых нейтронах мощностью 350 мВт, БН-350, был введен в действие в 1973 г. в г. Шевченко на берегу Каспийского моря. На Белоярской АЭС (на Урале) введен в действие реактор на быстрых нейтронах - БН-600 - мощностью 600 мВт. Работы в этом направлении продолжаются.

Возвращаясь к схеме устройства АЭС с реактором на быстрых нейтронах, мы можем заметить, что часть схемы, специфичная для атомной станции и также оконтуренная здесь специальной линией, сложнее, чем в предыдущем случае, т. е. для схемы АЭС с реакторами типа ВВЭР на тепловых нейтронах. Действительно, в данном случае схема является трехконтурной, тогда как в предыдущем была двухконтурной. В соответствии с этим в предыдущей схеме было два теплоносителя: «реакторная», радиоактивная, вода и вода (водяной пар) не радиоактивная.

В данном случае приходится иметь дело с тремя теплоносителями: радиоактивным жидким металлом (обычно натрием), омывающим твэлы и забирающим от них тепло; менее радиоактивным (но все-таки еще радиоактивным) жидким металлом, являющимся промежуточным теплоносителем между жидким металлом первого контура и водой, нагревающейся и превращающейся в пар в парогенераторе (см. рис. 53). Вода - третий по-порядку теплоноситель - практически нерадиоактивна.

Остальная часть схемы за пределами контура обычна для ТЭС и АЭС.

Есть основания полагать, что АЭС с реакторами на быстрых нейтронах найдут широкое использование в ближайшие годы.

В Советском Союзе атомная наука и энергетика развиваются успешно, высокими темпами. Большая заслуга в этом принадлежит Игорю Васильевичу Курчатову (1902-1960), Анатолию Петровичу Александрову (р. 1903) и многим другим советским ученым и инженерам.

Теперь необходимо остановиться на имеющихся на Земле энергетических ресурсах, прежде всего на ресурсах органического топлива - угля, нефти, природного газа, горючих сланцев. Естественно возникает вопрос: надолго ли этих ресурсов хватит человечеству? Для того чтобы ответить на него, надо знать ресурсы топлива на Земле и годичное потребление его всеми странами мира.

Большинство специалистов, оценивая общие прогнозные запасы органического топлива на Земле, называет цифру, близкую к 10¹³ т у. т., т. е. 10 трлн. т у. т., причем доля угля и горючих сланцев, вместе взятых, составляет более 80%. Но оказывается, что не все эти запасы могут быть извлечены из земных или морских глубин. Коэффициент извлечения зависит от вида топлива, характера месторождения и техники добычи: для нефти он в пределах 30 - 40%, для природного газа 80%, для угля и сланцев около 50%. Такое низкое значение коэффициента извлечения для угля принято потому, что среди его месторождений имеется много тонких пластов, лежащих глубоко под землей.

Специалистами принят средний коэффициент извлечения 0,5. Другими словами, вместо общего прогнозного запаса органического топлива 1013 т у.т. нужно рассматривать общие прогнозные извлекаемые запасы топлив 5 х 10¹² т у. т.

Что касается потребления органического топлива всеми странами мира в год, ответ дает статистика: известно, что эта цифра составляет около 10 млрд, т у. т/год. Но потребление органического топлива с каждым годом растет, необходим прогноз потребления, например, на 2000 г. Эта задача оказывается труднее. Лет 10 назад предполагалось, что потребление органического топлива всеми странами мира будет составлять 15 - 20 млрд. т у.т./ /год. За последние 2 - 3 года произошли существенные изменения: многие специалисты считают, что на уровне 2000 г. надо ожидать, что мировая потребность составит 13 - 17 млрд. т у. т./год, а далее, возможно, будет снижаться вследствие все большего использования атомной и других видов энергии.

Будем считать, что в 2000 г. человечество израсходует только органического топлива 20 млрд. т у.т. Мы, вероятно, скорее завысили, чем занизили, эту цифру. Считая эту цифру стабильной на последующий за 2000 г. период, получим, что человечеству хватит органического топлива на

Конечно, по многим причинам, и прежде всего потому, что очень трудно (и, скорее всего, невозможно) представить себе, как будет выглядеть техника после 2000 г. (вспомним, что в 1940 г. никто не представлял себе возможности освобождения и использования ядерной энергии, создания ЭВМ с огромным быстродействием или создания и использования лазерного луча), приведенные расчеты являются сугубо ориентировочными.

Коротко о ресурсах ядерного топлива. Поскольку торий не нашел пока практического применения в ядерной энергетике, мы будем говорить только о ресурсах урана, хотя многие специалисты считают, что тория па Земле гораздо больше.

Урап широко распространен на Земле. Но концентрация, в которой он встречается в граните и других породах, а также в морской воде, очень невелика. Чем меньше содержание добываемого вещества в руде, тем, конечно, дороже получать это вещество. Поэтому, рассматривая вопрос о ресурсах урана, обычно выбирают допустимую цепу за 1 кг природного металлического урана, имеющего обычный состав ²³⁵U 0,7% и ²³⁸U 99,3%. Расчеты (также, конечно, весьма ориентировочные) показывают: если используются АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, то по энергетическому эквиваленту запасы приемлемого по затратам на добычу урана приблизительно равны запасам всех видов органического топлива, вместе взятых. Если же используются реакторы на быстрых нейтронах, то запасы урана можно считать практически неограниченными.

Так обстоит дело с перспективными извлекаемыми органическими и ядерными энергетическими ресурсами.

Однако экономия энергоресурсов и электрической энергии является вопросом первостепенное важности. Следует подгнить, что двигатели морских и речных судов, автомобилей, тепловозов и самолетов пока что не могут обойтись без жидкого моторного топлива (бензина, керосина, дизельного и газотурбинного топлива), которое является продуктом переработки нефти. Меры по экономии топлива в первую очередь относятся к природному газу и особенно нефти. За последнее время все более близким к экономически приемлемому решению как будто бы становится вопрос получения жидких моторных топлив из угля.

Об энергетике, ее сегодняшнем дне и дне завтрашнем, можно было бы сказать еще очень много, в частности о линиях электропередачи на переменном и постоянном токе, о вопросах экологии, связанных с энергетикой, об использовании восполняемых источников энергии, к которым, кроме энергии рек, относятся солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра, морских волн и морских приливов. Можно было бы также рассказать о новых методах преобразования энергии, в частности о магнито-гидродинамическом методе (МГД-методе), который, можно предполагать, уже до 2000 г. получит относительно широкое распространение. Но обо всем в этой книге рассказать нет возможности. В заключение раздела мы только кратко остановимся на управляемой термоядерной реакции и создании термоядерного реактора.

Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают физики многих стран мира, имеет кое-что общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, обладающие огромным энсрговыделепием. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т у. т. Или: 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 т у. т. Таким образом, энерговыделепие в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 3,5 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления 235U.

Отличие заключается в том, что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделеипем, свойственны тяжелым элементам, обладающим большой атомной массой. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малой атомной массой,--это реакции синтеза ядер.

В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят физики, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам - инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществляться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии около одной миллиардной доли микрометра.

Сближению ядер атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра и оторванные от них свободные электроны.

Заметим, что в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям низкотемпературной плазмы - смеси нейтральных атомов, свободных электронов и ионов, образовавшейся из атомов, потерявших один, редко два электрона. Температура такой плазмы составляет несколько тысяч или десятков тысяч градусов.

Низкотемпературная плазма может возникнуть в электрических дугах, газоразрядных источниках света или просто при нагревании газа до достаточно высокой температуры. Она находит все более широкое применение для различных технологических целей (плазменная резка металлов, сварка и др.), а также в качестве рабочего тела в установках прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Для термоядерного реактора требуется, конечно, высокотемпературная плазма.

Напомним, что водород имеет три изотопа: протий (И) - обычный водород, ядром атома которого является протон; дейтерий - (D) - более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (Т) - еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода соответственно: 1, 2, 3.

По современным представлениям, как уже говорилось выше, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Такая реакция протекает в недрах звезд, по осуществить ее в земных условиях, по-видимому, невозможно. Значительно проще, оказывается, осуществить реакцию между ядрами дейтерия и трития. При этом образуются ядра гелия, нейтроны, а также происходит огромное энерговыделение.

Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, исходными веществами для которой служат тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва, результатом которого является разрушение. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно научиться ее регулировать.

Следует заметить, что тяжелый изотоп водорода - тритий - вещество радиоактивное, период его полураспада небольшой, около 12 лет. Поэтому тритий на Земле практически не встречается. Но это не создает безвыходного положения. Вспомним, что плутония (239Рu) тоже не было па Земле. Однако теперь 239 Рu является одним из самых распространенных ядерных топлив для атомных реакторов. Оказывается, тритий можно получить из щелочного металла лития (Li) путем бомбардировки его атомных ядер быстрыми нейтронами, образующимися, в частности, в термоядерной реакции слияния ядер D и Т. Можно даже вместо трития помещать в термоядерный реактор «тритиевое сырье» - литий. В процессе работы реактора тритий в нужном количестве будет производиться из лития.

Что касается ресурса ядерного топлива для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (или, как иногда ее именуют, D + T-реакции), то в конце концов дело сводится к запасам лития. Действительно, ресурс дейтерия на Земле очень велик. Запасы дейтерия, содержащегося it воде морей и океанов (а получение дейтерия из воды рассматривается как дело несложное и экономически вполне оправданное), по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых.

В отношении лития - даже с учетом того, что для получения трития «в дело идет» только изотоп лития (⁶Li), содержащийся в природном литии в количестве 7,4%,-можно сказать, что его запасы достаточно велики. Они принимаются специалистами равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.

Если удастся использовать термоядерную D + D-реакцию (а не D + T-реакцию), то энергетический ресурс можно рассматривать как практически неограниченный.

Есть несколько различных предложений о способе практического осуществления управляемой термоядерной D + Т-реакции. Мы остановимся лишь на одном из них.

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством Л. А. Арцимовича были разработаны установки типа гокамак. Название «токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень трудные задачи. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн. градусов и достаточно длительно удерживать ее в этом состоянии.

В установке токамак нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы - порядка сотен тысяч ампер. Этот огромный ток возбуждается внешним индуктором. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.

Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой - на свете нет такого материала, который остался бы цел (не испарился бы) после такого соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то, что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд,- ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем.

Высокотемпературная плазма в токамаке помещается в сосуде, который имеет форму кольца, схож с баранкой или спасательным кругом. Такое геометрическое тело называется тором. С помощью магнитной системы, размещенной вне тора, создается сильное магнитное поле, интенсивность которого возрастает по мере удаления от оси кольцевого канала тора. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала тора. Именно в этом и заключается простая, но всегда восхищающая тех, кто с ней знакомится, идея токамака.

Для того чтобы термоядерная реакция могла протекать с большим выделением энергии, требуется еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, плотность плазмы), а также достаточное время удержания плазмы. Эти две величины взаимосвязаны: чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше необходимое время удержания и наоборот. Численно эта зависимость выражается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы имеется минимально необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для D +Т-реакции и температуры 100 млн. градусов критерий Лоусона равен 3 х 10 ¹⁴. Это значит, что при концентрации ядер атомов, равной 10¹⁴ 1/см³, время удержания плазмы должно быть во всяком случае не меньше секунды.

Как же обстоит дело в настоящее время с достижением необходимых значений температуры плазмы, концентрации ядер атомов и времени удержания?

Необходимая для D + Т-реакции температура пока еще не достигнута. Удалось, правда, подойти к ней довольно близко. Возможно, для достижения требуемой температуры окажется целесообразным впрыскивать в плазму разогнанные в ускорителе элементарные частицы высокой энергии.

В соответствии с критерием Лоусона для D+Т-реакции при уже достигнутой плотности плазмы 10¹⁴ 1/см³ и еще не достигнутой температуре 100 млн. градусов нужно время удержания более секунды. Пока еще оно менее десятой доли секунды.

Получение необходимой температуры и времени удержания плазмы в большой мере зависит от размеров реактора. Снова приходится сталкиваться с геометрическим фактором: отношением поверхности объекта к его объему. Оказывается, из камеры токамака, в которой заключена плазма, несмотря на магнитное поле, все-таки происходит утечка частиц (относительная, выраженная, например, в процентах) так же, как утечка нейтронов из активной зоны атомного реактора; она становится тем меньше, чем больше объем камеры токамака, т. е. чем меньше отношение величины поверхности камеры к ее объему. Этот вывод проверен практикой.

Следовательно, способ увеличения времени удержания н температуры плазмы токамака найден - это увеличение размеров установки. Можно предполагать, что трудные задачи - повышение температуры и плотности плазмы - будут решены.

По-видимому, первыми войдут в практику гибридные ядерно-термоядерные реакторы. Примерно 80% энергии, образующейся в результате термоядерной реакции, приходится па долю рождающихся в реакции нейтронов, а 20% - на долю ядер атомов гелия (а-частиц), также рождающихся в результате слияния ядер дейтерия и трития. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, а потому не подвергающиеся действию электромагнитного поля, свободно выходят из плазмы и попадают в окружающую камеру оболочку, именуемую бланкетом (от англ, blanket - одеяло).

В гибридном ядерно-термоядерном реакторе бланкет должен содержать исходное ядерное топливо («атомное сырье») - ²³⁸U или ²³²Th. Под действием очень быстрых нейтронов, образующихся при термоядерной реакции, оно преобразуется в ²³⁹Рu или в ²³³ U, атомные ядра которых обладают свойством самопроизвольного деления. В блаикете также должны быть каналы с циркулирующим по ним теплоносителем, которому передается тепло, образующееся за счет поглощения быстрых нейтронов и в результате деления ядер ²³⁹Рu или ²³³U. Тепло, воспринимаемое теплоносителем, используется, например в паросиловой установке, для производства электрической энергии.

Таким образом, в гибридном ядерно-термоядерном реакторе термоядерная D+T-реакция используется как источник нейтронов, а сам реактор «исполняет обязанности» атомного реактора на быстрых нейтронах (реактоpa-размножителя). Другими словами, с помощью гибридного реактора будет производиться электроэнергия и осуществляться выработка ядерного топлива - ²³⁹Рu или ²³³U. По мнению специалистов, к параметрам термоядерной реакции, используемой в гибридном реакторе, предъявляются «льготные» требования.

Использование управляемой термоядерной реакции в энергетике - дело очень важное, нужное для экономики. Но задача до сих пор остается до конца не решенной. Работа в этом направлении продолжается.

В Советском Союзе, учитывая особую значимость развития топливно-энергетического комплекса для всего народного хозяйства, разработана Энергетическая программа СССР на длительную перспективу. В этой программе нашли отражение все важнейшие, стратегические направления топливно-энергетического комплекса: улучшение структуры энергетического баланса страны, снижение в нем доли нефти, используемой в качестве печного топлива, и замена ее газом и углем, ускоренное развитие атомной энергетики, в том числе реакторов на быстрых нейтронах, продолжение поиска принципиально новых источников энергии, включая создание основ термоядерной энергетики.

Энергетическая программа СССР на длительную перспективу является как бы ленинским планом ГОЭЛРО, разработанным в новых условиях, при несравненно более высоком развитии народного хозяйства страны.