Открытие пенициллина, о котором мы рассказывали в предыдущей части, способствовало рождению новой области антибактериальной медицины. Однако инфекционные заболевания были не единственным бичом ХХ века. В начале столетия набрали популярности исследования заболеваний, передающихся наследственным путем. Эта тенденция дала старт изучению генома, расшифровка которого в основном осуществлялась с помощью новых электронно-вычислительных машин — компьютеров.
Вычислительные возможности компьютеров и глубокое теоретическое понимание процессов, происходящих на клеточном уровне, уже к середине века позволили людям расшифровать тайну генома, а к концу столетия — клонировать первых млекопитающих.
Разгадка тайны генома
Первые представления о наследственно передающихся заболеваниях были сформулированы английским врачом Арчибальдом Гарродом в начале ХХ века. В своей статье от 1902 года, которая называлась «Заболеваемость алкаптонурией: исследование химической индивидуальности», он дал определение понятию «химической индивидуальности» как генетической предрасположенности человека к возникновению тех или иных наследственных болезней. Арчибальд Гаррод понимал, что информация, которая формирует нас, должна храниться на клеточном уровне, передаваться наследственно и подчиняться ряду химико-биологических закономерностей.
И хотя Гаррод и был великим новатором, предсказавшим наличие генома за 40 лет до его фактического открытия, он был не первым, кто задумывался о генетической наследственности, свойственной биологическим видам. Работы по теории эволюции Чарльза Дарвина (выдвинувшего определение пангенезиса) и августинского монаха Грегора Менделя, занимавшегося изучением вопроса наследственности у растений («Эксперименты по гибридизации растений«, 1865 год), еще в ХІХ веке заложили надежный фундамент для дальнейшего формирования генетики как полноценной науки. Вопрос был лишь в том, когда наука нового времени сможет доказать истинность выдвинутых ими гипотез.
В 1911 году американский зоолог и генетик Томас Морган, наблюдая за способностью мух дрозофил генетически наследовать цвет глаз, пришел к выводу, что генетическая информация должна содержаться в хромосомах — нуклеопротеиновых структурах, расположенных в ядре эукариотической клетки.
Хромосомы были сконструированы из белков и нитевидных молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты, и вплоть до середины века ученые, занимающиеся генетикой, не могли точно выяснить, где именно должна храниться генетическая информация. Эксперимент трех американских генетиков (Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти) проведенный ими в 1944 году, поставил точку в этом вопросе. Во время исследований на мышах, вводя им мертвые бактерии пневмококка, ученые доказали, что именно молекула ДНК (а не белок) содержит первичную информацию о штаммах этих бактерий. Белки, заключенные в хромосомах, тоже были наделены своей функцией. Именно они отвечали за процесс репликации ДНК молекулы и выраженности того или иного типа наследственности в ней.
Статья от 1944 года, опубликованная ими в Журнале экспериментальной медицины (Journal of Experimental Medicine), перевернула научный мир. Изучением хромосом начали заниматься все больше и больше ученых.
В середине века стало понятно, что количество хромосом в ядре живых организмов отличается в зависимости от конкретного биологического вида. Так, человеческая клетка хранит 23 пары хромосом: 22 аутосомы и одну пару половых хромосом (XX или XY). Каждый потомок наследует равное количество хромосомных пар от своих родителей, именно поэтому мы в равной степени похожи на обоих наших предков.
Благодаря работам Джеймса Д. Уотсона и Фрэнсиса Крика в 1953 году стало известно, что человеческая ДНК представляет собой молекулу с двойной спиралью, между двумя основаниями которой крепились молекулы азотсодержащих оснований. Всего было выделено четыре типа азотсодержащих оснований, которые обозначили четырьмя буквами латинского алфавита:
- А — аденин, азотистое основание, образующее две водородных связи с урацилом и тимином.
- С — цитозин, азотистое основание, образующее три водородных связи с гуанином.
- G — гуанин, азотистое основание, образующее три водородных связи с цитозином, и являющееся составной частью нуклеиновых кислот.
- Т — тимин, азотистое основание, одной из функций которого является рассеивание ультрафиолетового излучения и защита молекулы ДНК от воздействия солнечной радиации.
Упрощая сложную генетическую терминологию, можно заключить, что именно последовательность азотистых оснований представляла собой формулу, по которой формировался тот или иной органический вид. Именно последовательность этих азотистых соединений делала нас — нами. Статья с этим открытием под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты» была опубликована Уотсоном и Криком в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Лестничная структура ДНК идеально объясняла механизм репликации. Сегодня известно, что последовательность цепочки ДНК у человека состоит из более чем 3300 млн пар оснований.
Во второй половине ХХ века научное сообщество взялось за расшифровку структуры ДНК других организмов, пытаясь определить закодированную последовательность внутри цепочки ДНК молекул. Теоретически, расшифровка давала ученым возможность вмешаться в сам процесс создания органической жизни, производя новые виды генетически модифицированной органики.
Раскрытие тайны генома дало старт новой науке — молекулярной биологии, которая позволила вносить корректировки в ДНК-код. Таким образом ученые создавали новые виды генетически модифицированных культур. А к концу века, в 1996 году, даже клонировали первое млекопитающее — овцу по кличке Долли.
До эксперимента по клонированию Долли, предпринятого командой шотландского профессора Института Рослина Яна Уилмута, генетики считали, что в различных взрослых клетках молекулы ДНК должны отличаться друг от друга. Так, ошибочно полагалось, что ДНК в клетке почки будет содержать информацию о работе почек и, следовательно, отличаться от ДНК, расположенной в клетке мозга. Ян Уилмут был уверен в обратном. Он клонировал Долли, взяв у оригинальной овцы всего одну клетку молочной железы.
После наблюдений, подтвердивших, что эмбрион клонированной овцы не содержит никаких патологий, его пересадили к другой овце, выступившей в роли суррогатной матери Долли. Родившаяся 5 июля 1996 года овечка генетически была абсолютно идентична своему оригиналу. Несмотря на то, что клонированная Долли родилась в 1996 году, мировая общественность узнала о ее появлении лишь год спустя, после того как профессор Уилмут подготовил и оформил публикацию своей исследовательской работы.
Фото: Институт Рослина Эдинбургского университета, Великобритания
Стоит отметить, что подобные прорывы в генной инженерии были бы невозможны без вычислительных мощностей, которые ученым предоставили компьютеры, активно развивающиеся во второй половине прошлого столетия. Уникальные вычислительные машины были способны не только определять последовательность генома, но и создавать поразительные по сложности компьютерные модели, заметно повышая саму прогнозируемость научного метода.
Рассвет вычислительных машин: компьютеры первого поколения
Механические вычислительные машины были известны еще с XVII века (арифметическая машина конструкции французского математика Блеза Паскаля), однако первые полностью электронные компьютеры стали появляться лишь в 40-х годах прошлого века.
Первая модель электронного компьютера увидела свет в Германии в 1941 году. Ее изобретателем выступил немецкий инженер Конрад Цузе. Модель, которую он нарек Z3, являла собой полностью программируемую электронно-вычислительную машину (ЭВМ), способную работать с двоичным кодом. Компьютер использовался в расчетах по созданию более совершенных крыльев и фюзеляжей самолетов, а позднее и корпусов первых немецких баллистических ракет — V2. Единственный экземпляр Z3 уничтожили во время авианалета союзной авиации на Берлин в 1945 году.
Фото: Konrad Zuse Internet Archive/Deutsches Museum/DFG
Компьютер Конрада Цузе был третьей версией вычислительных машин, разработанных им ранее: Z1 и Z2. Введение входных параметров осуществлялось с помощью перфокарт — табличек из плотного картона, содержащих отверстия. Вычислительные машины Цузе были оснащены инструкциями для чтения информации с перфокарт — именно так они получали необходимую задачу, после чего стартовал процесс вычисления.
Цузе удивительно точно смог обозначить, по каким принципам будет работать компьютерная техника в обозримом будущем:
- Двоичная система счисления.
- Машинная логика — оперирование категориями да/нет.
- Полностью автоматизированная процедура вычислений.
- Программируемость — оператор машины задает входные параметры и задачу, которую должен выполнить компьютер.
- Использование памяти высокой емкости.
- Поддержка арифметики с подвижной запятой.
Конрад Цузе пережил Вторую мировую войну и в 1950-м выпустил следующую модель компьютера, под номером Z4. Помимо того, что это был первый компьютер, созданный для коммерческой продажи, Z4 был еще и первым компьютером, использовавшим высокоуровневый язык программирования, который Цузе называл Plankalkül (в переводе с немецкого — план вычисления).
В 1945 году в стенах Пенсильванского университета усилиями двух конструкторов — физика Джона У. Мокли и инженера Дж. Преспера Эккерта — создан первый американский компьютер, названный ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator).
ENIAC был разработан в период Второй мировой войны и его главной задачей стало вычисление таблиц дальности для корректировки стрельбы артиллерийских орудий. В качестве основных компонентов процессора и памяти компьютер использовал электронные лампы. Самой слабой составляющей ENIAC была механическая система считывания команд со все тех же перфокарт, подготавливаемых обслуживающим персоналом машины. Данная технология никак не могла угнаться за вычислительными работами компьютера — на переподготовку машины для выполнения нового типа команд уходило несколько дней.
Американские компьютеры во многом работали на вычислительных алгоритмах, созданных английским математиком Аланом Тьюрингом и реализованных им в его идее универсальной машины Тьюринга, которую ученый изобрел в 1936 году. Универсальная машина, которую сам ученый назвал «автомат», или a-Machine, была абстрактной идеей компьютера, способного производить математическую модель вычислений. В этом смысле автомат Тьюринга был аналогом современного ЦП (центрального процессора), отвечающего за выполнение вычислительных операций в компьютере. В качестве памяти машина использовала ленту, сегментированную ячейками, содержащую набор команд (аналог современного программного кода).
Важно понимать, что сама машина не существовала как физический объект. Она была только идеей того, как заставить компьютер совершать нужные действия. Тьюринг был одним из первых, кто описал алгоритмы подобной машинной логики.
Компьютеры по типу американского ENIAC, Z3 и последовавшие за ними UNIVAC-1 и EDVAC принято считать компьютерами первого поколения. Это были медлительные, громоздкие и нуждающиеся в обслуживании большим количеством высококвалифицированных кадров машины. Однако уже виднелась эра первых транзисторных компьютеров.
Последующие поколения ЭВМ
Компьютеры второго поколения (выпускались преимущественно с 1957 по 1963 год) работали на более компактных и дешевых транзисторах. Транзисторы заменили электровакуумные лампы, позволив существенно увеличить вычислительную мощность новых машин и вместе с тем сократить их габариты. Теперь компьютеру уже не требовалась занимать целую комнату, он мог с легкостью выполнять те же задачи, занимая площадь всего в несколько квадратных метров. Компьютеры второго поколения активно поступали на рынок, благодаря чему серьезно облегчили работу конструкторам и инженерам. Автоматизация расчетов и ведение учета перешли в эти годы на качественно новый уровень и дали столь необходимый толчок росту американской промышленности.
Второе поколение компьютеров характеризовалось появлением высокоуровневых языков программирования, самыми популярными из которых стали Fortran и Cobol. Первичная память в транзисторных компьютерах была реализована в виде магнитного сердечника, а записанный результат вычислений сохранялся на первых компьютерных дискетах и магнитных лентах. Помимо этого, появились и первые устройства для ввода данных, выполненные в виде печатной машинки.
Эра компьютеров третьего поколения стартовала с 1964-го и продлилась до 1971 года. Эти машины уже лишены транзисторов, все вычисления происходили в интегральных схемах (ИС) — электронных схемах, выполненных на полупроводниковой подложке, в качестве которой чаще всего использовались кремниевые пластины. Данная технология позволяла уместить десятки тысяч бит данных на микросхеме размером с ладонь, а также обеспечить хорошую скорость передачи данных, поскольку теперь все транзисторы были расположены на одном небольшом чипе и движение электронов занимало гораздо меньше времени. Именно в компьютерах третьего поколения появились первые операционные системы.
Полупроводниковые чипы и сформировали облик компьютера таким, каким мы его знаем сейчас. Компьютеры четвертого (1971-1980 годы) и пятого поколений (с 1980 по сегодняшний день) все так же работают на интегральных схемах, а основное отличие между ними заключается лишь в уменьшении размеров микропроцессоров и, как следствие, увеличении их вычислительной мощности.
Тем не менее, даже самая современная компьютерная техника в данный момент сталкивается с непробиваемым потолком, ведь все известные на сегодняшний день компьютеры оперируют битами (0 и 1). Вследствие этого даже самые мощные из них всегда будут обрабатывать информацию строго линейно — при выполнении 100 различных операций каждая из них будет выполняться последовательно, что существенно увеличивает время, необходимое для выполнения сложных многозадачных программных циклов.
Ситуацию, очевидно, изменят квантовые компьютеры, разработки которых уже ведутся. Квантовые компьютеры будут оперировать с кубитами (в которых значения 1 и 0 будут приниматься одновременно), что позволит подобной машине обрабатывать все возможные состояния одновременно и наделит ее свойством многозадачности в полном понимании этого слова. Но прежде чем это воплотится в жизнь, людям сперва необходимо существенно расширить свое представление о квантовой теории.
