Невероятные факты Цветы Дарвина
Большинство людей знакомы с деятельностью Чарльза Дарвина и с его знаменитым путешествием в Южную Америку. Он сделал свои наиболее важные открытия на Галапагосских островах, где каждый из 20 островов обладал своим уникальным набором видов, идеально адаптированных для проживания в тех условиях. Но мало кто знает об экспериментах Дарвина после того, как он вернулся в Англию. Некоторые из них были сосредоточены на орхидеях.
В процессе выращивания и изучения нескольких видов орхидей, он понял, что сложные цветки орхидей – это адаптация, позволяющая цветам привлекать насекомых, которые затем переносят пыльцу на соседние растения. Каждое насекомое специально предназначено для опыления одного типа орхидеи. Взять, к примеру, орхидею Вифлеемская звезда (Angraecum sesquipedale), нектар в которой хранится на глубине 30 сантиметров. Дарвин предугадал, что обязательно должно быть насекомое, которое опыляет этот вид орхидеи. Конечно, в 1903 году, ученые открыли вид под названием сумеречная бабочка, обладающая длинным хоботком, который может дотянуться до нектара этого вида орхидеи.
Дарвин использовал данные, которые он собрал об орхидеях и их насекомых опылителях для укрепления своей теории естественного отбора. Он утверждал, что перекрестно опыляемые орхидеи более жизнеспособны, чем самоопыляемые, поскольку самоопыление снижает генетическое разнообразие, что, в конечном итоге, оказывает прямое воздействие на выживаемость вида. Так, три года спустя, после того, как он впервые описал естественный отбор в "О происхождении видов", Дарвин провел еще несколько экспериментов на цветах и укрепил свои утверждения о рамках эволюции.
Расшифровка ДНК
Джеймс Уотсон (James Watson) и Фрэнсис Крик (Francis Crick) подошли очень близко к расшифровке ДНК, но их открытия в значительной степени зависят от работ Альфреда Херши (Alfred Hershey) и Марты Чейз (Martha Chase), они в 1952 году провели известный по сей день эксперимент, который помог им определить как молекулы ДНК связаны с наследственностью. Херши и Чейз работали с типом вируса, известного как бактериофаг. Этот вирус, состоящий из белковой оболочки, окружает нить ДНК, заражает бактериальную клетку, что программирует ее на производство новых зараженных клеток. Затем вирус убивает клетку и на свет появляются новые вирусы. Херши и Чейз знали об этом, но, при этом, они не знали, какой компонент – белок или ДНК – был ответственен за происходящее. Они не знали это до проведения своего гениального "блендер" эксперимента, который вывел их на ДНК рибонуклеиновые кислоты.
После эксперимента Херши и Чейз многие ученые, такие как Розалинд Франклин (Rosalind Franklin) сосредоточились на изучении ДНК и его молекулярную структуру. Франклин использовал технику, называемую рентгеновской дифракцией для изучения ДНК. Она подразумевает "вторжение" Х-лучей в волокна очищенной ДНК. При взаимодействии лучей с молекулой, они "сбиваются" с первоначального курса и становятся дифрагированными. Далее дифрагированные лучи образуют картинку уникальной молекулы, готовой для анализа. Знаменитая фотография Франклина показывает Х-образную кривую, которую Уотсон и Крик обозначили как "подпись молекулы ДНК". Они смогли также определить ширину спирали, глядя на изображение Франклина.
Первая вакцинация
До полной глобальной ликвидации оспы в конце 20 века, это заболевание представляло собой серьезную проблему. В 18 веке, заболевание вызванное вирусом оспы, убивало каждого десятого ребенка, родившегося в Швеции и Франции. "Поимка" вируса было единственной возможностью «лечения». Это привело к тому, что люди сами пытались поймать вирус из гнойных язв. К сожалению, многие из них умерли при опасной попытке самостоятельной прививки.
Эдвард Дженнер (Edward Jenner), британский врач, начал изучать вирус и разрабатывать эффективные методы лечения. Генезисом его экспериментов стало наблюдение того, что доярки, проживающие в его родном городе, часто заражались вирусом коровьей оспы, несмертельным заболеванием, похожим на обычную оспу. Доярки, которые заражались коровьей оспой, казалось, были защищены от инфекции оспы, поэтому в 1796 году Дженнер решил проверить, может ли человек развить иммунитет к обычной оспе, если его заразить вирусом коровьей оспы. Мальчика, над которым Дженнер решил провести свой эксперимент, звали Джеймс Фиппс (James Phipps). Дженнер сделал надрез на руке Фиппса и заразил его коровьей оспой. Через некоторое время мальчик выздоровел. 48 дней спустя доктор ввел в его организм вирус обычной оспы и обнаружил у мальчика иммунитет.
Сегодня ученые знают, что вирусы коровьей и обычной оспы настолько похожи, что иммунная система человека не в состоянии их отличить.
Доказательство существования атомного ядра
Физик Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) уже выиграл Нобелевскую премию в 1908 году за свои радиоактивные работы, при этом в тот период времени он также начал проводить эксперименты по выявлении структуры атома. Эксперименты были основаны на его предыдущих исследованиях, которые показали, что радиоактивность состоит из двух типов лучей – альфа и бета. Резерфорд и Ганс Гейгер (Hans Geiger) установили, что альфа-лучи – это потоки положительно заряженных частиц. Когда он выпускал альфа-частицы на экран, они создавали четкое и резкое изображение. Но если между источником альфа-излучения и экраном располагался тонкий лист из слюды, то полученное изображение было размытым. Было ясно, что слюда рассеивала некоторые альфа-частицы, но как и почему это происходило, на тот момент не было понятно.
В 1911 году, физик расположил тонкий лист золотой фольги между источником альфа-излучения и экраном, толщиной 1-2 атома. Также он разместил еще один экран перед источником альфа-излучения для того, чтобы понять какие из частиц отклоняются назад. На экране позади фольги, Резерфорд наблюдал диффузную картину, аналогичную той, какую он видел при использовании листа из слюды. Увиденное на экране перед фольгой очень удивило Резерфорда, поскольку несколько альфа-частиц отскочили прямо назад. Резерфорд заключил, что сильный положительный заряд, находящийся в сердце атомов золота, отправил альфа-частицы обратно к источнику. Он назвал этот сильный положительный заряд "ядром", и заявил, что по сравнению с общим размером атома, его ядро должно быть очень мало, в противном случае назад бы вернулось гораздо большее количество частиц. Сегодня ученые аналогично Резерфорду визуализируют атомы: маленькие, положительно заряженные ядра в окружении большого, в основном пустого пространства, в котором обитает несколько электронов.
Рентген
Мы уже говорили выше о рентгеновской дифракции исследований Франклина, но проделанной работой он многим обязан Дороти Кроуфут Ходжкин (Dorothy Crowfoot Hodgkin), одной из трех женщин, которым удалось выиграть Нобелевскую премию по химии. В 1945 году Ходжкин считалась одной из ведущих специалистов мира, практикующих методы рентгеновской дифракции, поэтому не удивительно, что именно она, в конце концов, показала структуру одного из важнейших на сегодняшний день химических веществ в медицине – пенициллина. Александр Флеминг обнаружил убивающее бактерии вещество еще в 1928 году, но ученым потребовалось еще некоторый период времени для того, чтобы очистить вещество в целях разработки эффективного лечения. Таким образом, при помощи атомов пенициллина Ходжкин удалось создать полусинтетические производные пенициллина, что оказалось революцией в борьбе с инфекциями.
Исследования Ходжкин стали известными как рентгеновская кристаллография. Химики впервые кристаллизировали соединения, которые они хотели проанализировать. Это был вызов. После того, как испытания кристаллов пенициллина провели две разные компании, Ходжкин пустила рентгеновские волны через кристаллы и позволила радиации «проникнуть в исследуемый объект». При взаимодействии Х-лучей с электронами исследуемого объекта, лучи становились немного дифрагированными. Это привело к появлению четкого рисунка из точек на фотопленке. Проанализировав положение и яркость этих точек и выполнив множество расчетов, Ходжкин точно определила, как располагаются атомы в молекуле пенициллина.
Несколько лет спустя она использовала эту же технологию при выявлении структуры витамина В12. Она получила Нобелевскую премию по химии в 1964 году, честь, которой не удостоилась больше ни одна другая женщина.
Возникновение жизни
В 1929 году биохимики Джон Холдейн (John Haldane) и Александр Опарин независимо друг от друга предположили, что в ранней атмосфере Земли отсутствовал свободный кислород. В тех суровых условиях, они предположили, органические соединения могли формироваться из простых молекул, получая серьезный заряд энергии, будь то ультрафиолетовое излучение или яркий свет. Холдейн также добавил, что океаны, вероятно, были первыми источниками этих органических соединений.
Американские химики Гарольд Юри (Harold Urey) и Стэнли Миллер (Stanley Miller) решили проверить гипотезы Опарина и Холдейна в 1953 году. Им удалось воссоздать раннюю атмосферу Земли путем тщательной работы над контролируемой, закрытой системой. Роль океана играла колба с нагретой водой. После того, как водяной пар поднимался и собирался в другой емкости, Юрии и Миллер добавляли водород, метан и аммиак для того, чтобы сымитировать безкислородную атмосферу. Затем в колбе образовывались искры, представляющие свет в смеси газов. Наконец, конденсатор охлаждал газы в жидкости, которую они затем брали на анализ.
Спустя неделю, Юрии и Миллер получили удивительные результаты: в охлажденной жидкости в изобилии присутствовали органические соединения. В частности, Миллер обнаружил несколько аминокислот, в том числе глицин, аланин и глутаминовую кислоту. Аминокислоты – это строительные элементы белков, которые сами являются ключевыми компонентами и клеточных структур и клеточных ферментов, ответственных за функционирование важных химичексих реакций. Юри и Миллер пришли к выводу, что органические молекулы вполне могли выжить в безкислородной среде, что, в свою очередь, не заставило ждать появление простейших организмов.
Создание света
Когда в 19 веке появился свет, он так и остался загадкой, которая вдохновляла на проведение многих увлекательных экспериментов. К примеру, "двухщелевый эксперимент" Томаса Юнга (Thomas Young), который показал, как ведут себя световые волны, но не частицы. Но тогда еще не знали, как быстро свет путешествует.
В 1878 году физик А.А.Майкельсон (A.A. Michelson) провел эксперимент для того, чтобы рассчитать скорость света и доказать, что это конечная, измеряемая величина. Вот что он сделал:
1. Во-первых, он разместил два зеркала далеко друг от друга на разных сторонах дамбы возле университетского городка, расположив их так, что падающий свет отражался от одного зеркала и возвращался назад. Он измерил расстояние между зеркалами и обнаружил, что оно равнялось 605, 4029 метров.
2. Далее Майкельсон использовал паровой вентилятор для того, чтобы сторона одного из зеркал вращалась со скоростью 256 оборотов в секунду. Второе зеркало оставалось неподвижным.
3. При помощи линз он сфокусировал луч света на неподвижном зеркале. Когда луч света касался неподвижного зеркала, он отскакивал и отражался во вращающемся зеркале, возле которого Майкельсон разместил специальный экран. В связи с тем, что второе зеркало вращалось, траектория возвращения светового пучка незначительно изменилась. Когда Майкельсон измерил эти отклонения, он получил цифру 133 мм.
4. Используя полученные данные, ему удалось измерить скорость света, равную 186380 миль в секунду (299 949 530 километра). Допустимое значение для скорости света на сегодняшний день составляет 299 792 458 км в секунду. Измерения Майкельсона показали на удивление точный результат. Более того, в распоряжении ученых сейчас находятся более точные представления о свете и основ, на которых строятся теория квантовой механики и теория относительности.
Открытие радиации
1897 год был очень важным для Марии Кюри. Родился ее первый ребенок, а спустя всего несколько недель после его рождения она отправилась искать тему для докторской диссертации. В конце концов, она решила изучать "урановые лучи", впервые описанные Анри Беккерелем (Henri Becquerel). Беккерель открыл эти лучи случайно, когда он оставил соли урана, завернув их в непрозрачный материал вместе с фотопластинками в темной комнате, а вернувшись, обнаружил, что фотопластинки полностью засвечены. Мари Кюри выбрала для изучения эти таинственные лучи для того, чтобы выявить и другие элементы, действующие подобным образом.
Уже на раннем этапе изучения Кюри поняла, что торий вырабатывает такие же лучи, как и уран. Она начала маркировать эти уникальные элементы, как "радиоактивные" и быстро осознала, что сила радиации, вырабатываемая ураном и торием, зависит от количества тория и урана. В конце концов, ей удастся доказать, что лучи – это свойства атомов радиоактивного элемента. Само по себе это было революционное открытие, но Кюри это остановило.
Она обнаружила, что настуран (уранинит) более радиоактивен, чем уран, это натолкнуло ее на мысль, что наверняка в естественных минералах существует неизвестный ей элемент. Ее муж Пьер присоединился к исследованиям, и они систематически уменьшали количества настурана до тех пор, пока не обнаружили новый изолированный элемент. Они назвали его полонием, в честь родины Марии Польши. Вскоре после этого, они обнаружили другой радиоактивный элемент, который они назвали радием, от латинского "луч". Кюри завоевала две Нобелевские премии за свою работу.
Собачьи дни
Знаете ли вы, что Иван Павлов, российский физиолог и химик, а также автор эксперимента по выработке у собак слюноотделения и прививания им условного рефлекса, совсем не был заинтересован в психологии или поведении? Его интересовали темы пищеварения и кровообращения. На самом деле, он изучал систему пищеварения собак, когда открыл то, что сегодня нам известно, как "условные рефлексы".
В частности, он пытался понять наличие взаимосвязи между слюноотделением и работой желудка. Незадолго до этого, Павлов уже отметил, что желудок не начинает переваривать пищу без слюноотделения, которое происходит в первую очередь. Другими словами, рефлексы в вегетативной нервной системе тесно связывают друг с другом эти два процесса. Далее Павлов решил узнать, смогут ли внешние раздражители повлиять на пищеварение аналогичным образом. Чтобы это проверить, он начал во время приема пищи собакой включать и выключать свет, тикать метрономом и сделал слышимым звучание зуммера. В отсутствии этих раздражителей, у собак происходило слюноотделение только тогда, когда они видели и ели пищу. Но спустя некоторое время, у них начиналось слюноотделение при стимуляции звуком и светом, даже если им в это время не давали еды. Павлов также обнаружил, что этот тип условного рефлекса умирает, если стимул слишком часто "неправильно" использовать. К примеру, если звуковой сигнал собака слышит часто, но при этом не получает еды, то через какое-то время, она перестает реагировать на звук слюноотделением.
Павлов опубликовал полученные результаты в 1903 году. Год спустя он получил Нобелевскую премию в области медицины, причем не за свою работу по условным рефлексам, а "в знак признания его работ по физиологии пищеварения, благодаря которым знания о жизненно-важных аспектах были преобразованы и расширены".
Подчинение авторитету
Эксперименты Стэнли Милграма (Stanley Milgram), которые он проводил в 1960-х годах, и по сей день квалифицируются как одни из самых известных и противоречивых научных экспериментов. Милграм хотел выяснить, как далеко сможет зайти обычный человек в причинении боли другому человеку под давлением авторитета. Вот что он сделал:
1. Милграм набрал добровольцев, обычных людей, которые должны были по приказу причинить другим добровольцам-актерам некоторую боль. Экспериментатор играл роль авторитета, который на время исследования постоянно присутствовал в помещении.
2. Авторитет перед началом каждого испытания продемонстрировал ничего не подозревавшим добровольцам, как пользоваться шок – аппаратом, который мог поражать человека разрядом в 15-450 вольт (повышенный уровень опасности).
3. Далее ученый отметил, что они должны протестировать, как шоковое потрясение может улучшить запоминание слов при помощи ассоциаций. Он поручил добровольцам в процессе эксперимента "награждать" добровольцев-актеров шоковыми ударами за неправильные ответы. Чем больше было неправильных ответов, тем выше уровень напряжения на аппарате. Причем, стоит отметить, что аппарат был сделан на высшем уровне: над каждым выключателем было написано соответствующее ему напряжение, от "слабого удара" до "труднопереносимого удара", прибор был оснащен множеством панелей со стрелочными вольтметрами. То есть усомниться в подлинности эксперимента у испытуемых не было возможности, причем исследование было построено так, что на каждый верный ответ было три ошибочных и авторитет говорил добровольцу каким "ударом" наказать "неспособного ученика".
4. "Учащиеся" кричали, когда получали шоковые удары. После того, как сила удара превышала 150 вольт, они требовали освобождения. При этом, авторитет призывал добровольцев продолжать эксперимент, не обращая внимания на требования "учащихся".
5. Некоторые участники эксперимента пожелали его покинуть после достижения наказания в 150 вольт, но большинство продолжали, пока не достигли максимального шокового уровня в 450 вольт.
По окончанию экспериментов, многие высказывались относительно неэтичности данного исследования, но полученные результаты были впечатляющими. Мильграм доказал, что обычные люди могут причинить боль невинному человеку просто потому, что получили такую команду от властного авторитета.
