Відкриття пеніциліну, про яке ми розповідали у попередній частині, сприяло народженню нової галузі антибактеріальної медицини. Втім, інфекційні захворювання були не єдиним бичем ХХ сторіччя. На початку століття набуло популярності дослідження захворювань, що передаються спадково. Ця тенденція започаткувала вивчення генома, розшифрування якого переважно здійснювалося за допомогою нових електронно-обчислювальних машин — комп’ютерів.
Обчислювальні можливості комп’ютерів та глибоке теоретичне розуміння процесів, що відбуваються на клітинному рівні, вже до середини століття дозволили людям розшифрувати таємницю генома, а до кінця сторіччя — клонувати перших ссавців.
Розгадка таємниці генома
Перші уявлення про спадкові захворювання були сформульовані англійським лікарем Арчибальдом Гарродом на початку ХХ століття. У своїй статті від 1902 року, яка називалася “Захворюваність на алкаптонурію: дослідження хімічної індивідуальності”, він дав визначення поняття “хімічної індивідуальності” як генетичної схильності людини до виникнення тих чи інших спадкових хвороб. Арчибальд Гаррод розумів, що інформація, яка формує нас, має зберігатися на клітинному рівні, передаватися спадково та підпорядковуватися низці хіміко-біологічних закономірностей.
І хоча Гаррод і був великим новатором, який передбачив наявність генома за 40 років до його фактичного відкриття, він був не першим, хто міркував про генетичну спадковість, властиву біологічним видам. Роботи з теорії еволюції Чарльза Дарвіна (висунув визначення пангенезу) і августинського ченця Грегора Менделя, який займався вивченням питання спадковості у рослин (“Експерименти з гібридизації рослин“, 1865 рік), ще у ХІХ столітті заклали надійний фундамент для подальшого формування генетики як повноцінної науки. Питання було лише тому, коли наука нового часу зможе довести істинність висунутих ними гіпотез.
1911 року американський зоолог і генетик Томас Морган, спостерігаючи за здатністю мух дрозофіл генетично успадковувати колір очей, дійшов висновку, що генетична інформація має міститися в хромосомах — структурах нуклеопротеїну, розташованих в ядрі еукаріотичної клітини.
Хромосоми були сконструйовані з білків та ниткоподібних молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти, і аж до середини століття вчені, які займалися генетикою, не могли точно з’ясувати, де саме має зберігатись генетична інформація. Експеримент трьох американських генетиків (Освальда Евері, Коліна Маклауда та Макліна Маккарті), проведений ними у 1944 році, поставив крапку у цьому питанні. Під час досліджень на мишах, вводячи їм мертві бактерії пневмокока, вчені довели, що саме молекула ДНК (а не білок) містить первинну інформацію про штами цих бактерій. Білки, ув’язнені у хромосомах, теж були наділені своєю функцією. Саме вони відповідали за процес реплікації ДНК молекули та виразності того чи іншого типу спадковості в ній.
Стаття від 1944 року, опублікована ними в Журналі експериментальної медицини (Journal of Experimental Medicine), перевернула науковий світ. Вивченням хромосом почали займатися дедалі більше вчених.
У середині століття стало зрозуміло, що кількість хромосом у ядрі живих організмів відрізняється залежно від конкретного біологічного виду. Так, людська клітина зберігає 23 пари хромосом: 22 аутосоми та одну пару статевих хромосом (XX або XY). Кожен нащадок успадковує однакову кількість хромосомних пар від своїх батьків, саме тому ми однаково схожі на обох наших предків.
Завдяки роботам Джеймса Д. Вотсона і Френсіса Кріка 1953 року стало відомо, що людська ДНК є молекулою з подвійною спіраллю, між двома основами якої кріпилися молекули азотовмісних основ. Всього було виділено чотири типи азотовмісних основ, які позначили чотирма літерами латинського алфавіту:
- А — аденін, азотиста основа, що утворює два водневі зв’язки з урацилом і тиміном.
- С — цитозин, азотиста основа, що утворює три водневі зв’язки з гуаніном.
- G — гуанін, азотиста основа, що утворює три водневі зв’язки з цитозином і є складовою нуклеїнових кислот.
- Т — тимін, азотиста основа, однією з функцій якої є розсіювання ультрафіолетового випромінювання та захист молекули ДНК від впливу сонячної радіації.
Спрощуючи складну генетичну термінологію, можна дійти висновку, що саме послідовність азотистих основ і була формулою, за якою формувався той чи інший органічний вигляд. Саме послідовність цих азотистих сполук робила нас — нами. Статтю з цим відкриттям під назвою “Молекулярна структура нуклеїнових кислот: структура дезоксирибонуклеїнової кислоти” Вотсон та Крік опублікували у журналі Nature 25 квітня 1953 року. Сходова структура ДНК ідеально пояснювала механізм реплікації. Сьогодні відомо, що послідовність ланцюжка ДНК у людини складається з більш ніж 3300 млн пар основ.
У другій половині ХХ століття наукова спільнота взялася за розшифрування структури ДНК інших організмів, намагаючись визначити закодовану послідовність усередині ланцюжка ДНК молекул. Теоретично, розшифровка давала вченим можливість втрутитися у процес створення органічного життя, виробляючи нові види генетично модифікованої органіки.
Розкриття таємниці генома дало старт новій науці — молекулярній біології, яка дозволила вносити коригування до ДНК-коду. Таким чином вчені створювали нові види генетично модифікованих культур. А до кінця століття, 1996 року, навіть клонували першого ссавця — вівцю на прізвисько Доллі.
До експерименту з клонування Доллі, проведеного командою шотландського професора з Інституту Росліна Яна Вілмута, генетики вважали, що в різних дорослих клітинах молекули ДНК повинні відрізнятися одна від одної. Так, помилково вважалося, що ДНК у клітині нирки міститиме інформацію про роботу нирок, отже, відрізнятиметься від ДНК, розташованої у клітині мозку. Ян Вілмут був упевнений у протилежному. Він клонував Доллі, взявши в оригінальної вівці лише одну клітину молочної залози.
Після спостережень, що підтвердили, що ембріон клонованої вівці не містить жодних патологій, його пересадили до іншої вівці, яка стала сурогатною мамою Доллі. Овечка, що народилася 5 липня 1996 року, генетично була абсолютно ідентична своєму оригіналу. Попри те, що клонована Доллі народилася 1996 року, світова громадськість дізналася про її появу лише через рік, після того як професор Вілмут підготував та оформив публікацію своєї дослідницької роботи.
Фото: Інститут Росліна Единбурзького університету, Велика Британія
Варто зазначити, що подібні прориви в генній інженерії були б неможливими без обчислювальних потужностей, які вченим надали комп’ютери, що активно розвивалися в другій половині минулого століття. Унікальні обчислювальні машини були здатні не тільки визначати послідовність генома, а й створювати разючі за складністю комп’ютерні моделі, помітно підвищуючи прогнозування наукового методу.
Розквіт обчислювальних машин: комп’ютери першого покоління
Механічні обчислювальні машини були відомі ще з XVII століття (арифметична машина конструкції французького математика Блеза Паскаля), проте перші повністю електронні комп’ютери почали з’являтися лише у 40-х роках минулого століття.
Перша модель електронного комп’ютера побачила світ у Німеччині 1941 року. Її винахідником виступив німецький інженер Конрад Цузе. Модель, яку він назвав Z3, була повністю програмованою електронно-обчислювальною машиною (ЕОМ), здатною працювати з двійковим кодом. Комп’ютер використовувався у розрахунках зі створення досконаліших крил та фюзеляжів літаків, а пізніше і корпусів перших німецьких балістичних ракет — V2. Єдиний екземпляр Z3 знищили під час авіанальоту союзної авіації на Берлін у 1945 році.
Фото: Konrad Zuse Internet Archive/Deutsches Museum/DFG
Комп’ютер Конрада Цузе був третьою версією обчислювальних машин, розроблених раніше: Z1 і Z2. Введення вхідних параметрів здійснювалося за допомогою перфокарт — табличок зі щільного картону, що містять отвори. Обчислювальні машини Цузе були оснащені інструкціями для читання інформації з перфокарт — саме так вони отримували необхідне завдання, після чого стартував процес обчислення.
Цузе напрочуд точно зміг визначити, за якими принципами працюватиме комп’ютерна техніка в найближчому майбутньому:
- Двійкова система числення.
- Машинна логіка — оперування категоріями так/ні.
- Повністю автоматизована процедура обчислень.
- Програмування — оператор машини задає вхідні параметри та завдання, яке має виконати комп’ютер.
- Використання пам’яті високої ємності.
- Підтримка арифметики з рухомою комою.
Конрад Цузе пережив Другу світову війну і 1950-го випустив наступну модель комп’ютера, під номером Z4. Крім того, що це був перший комп’ютер, створений для комерційного продажу, Z4 був ще й першим комп’ютером, який використовував високорівневу мову програмування, яку Цузе називав Plankalkül (у перекладі з німецької — план обчислення).
1945 року у стінах Пенсільванського університету зусиллями двох конструкторів — фізика Джона У. Моклі та інженера Дж. Преспера Еккерта — створено перший американський комп’ютер, названий ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator).
ENIAC був розроблений у період Другої світової війни і його головним завданням стало обчислення таблиць дальності для коригування стрільби артилерійських знарядь. Як основні компоненти процесора та пам’яті комп’ютер використовував електронні лампи. Найслабшою складовою ENIAC була механічна система зчитування команд з тих же перфокарт, які готує обслуговчий персонал машини. Ця технологія ніяк не могла наздогнати обчислювальні роботи комп’ютера — на перепідготовку машини для виконання нового типу команд витрачалося кілька днів.
Американські комп’ютери переважно працювали на обчислювальних алгоритмах, створених англійським математиком Аланом Тюрінгом і реалізованих ним у його ідеї універсальної машини Тюрінга, яку вчений винайшов 1936 року. Універсальна машина, яку вчений назвав “автомат”, або a-Machine, була абстрактною ідеєю комп’ютера, здатного виробляти математичну модель обчислень. У цьому сенсі автомат Тюрінга був аналогом сучасного ЦП (центрального процесора), що відповідає за виконання обчислювальних операцій у комп’ютері. Як пам’ять машина використовувала стрічку, сегментовану комірками, що містила набір команд (аналог сучасного програмного коду).
Важливо розуміти, що машина не існувала як фізичний об’єкт. Вона була лише ідеєю того, як змусити комп’ютер виконувати потрібні дії. Тюрінг був одним із перших, хто описав алгоритми подібної машинної логіки.
Комп’ютери на кшталт американського ENIAC, Z3 і наступні UNIVAC-1 і EDVAC заведено вважати комп’ютерами першого покоління. Це були повільні, громіздкі машини, які потребували обслуговування великою кількістю висококваліфікованих кадрів. Проте вже виднілася епоха перших транзисторних комп’ютерів.
Наступні покоління ЕОМ
Комп’ютери другого покоління (випускалися з 1957 до 1963 року) працювали на більш компактних і дешевих транзисторах. Транзистори замінили електровакуумні лампи, дозволивши суттєво збільшити обчислювальну потужність нових машин та водночас скоротити їхні габарити. Тепер комп’ютеру вже не потрібно було займати цілу кімнату, він міг легко виконувати ті ж завдання всього на кількох квадратних метрах. Комп’ютери другого покоління активно надходили на ринок, завдяки чому серйозно полегшили роботу конструкторам і інженерам. Автоматизація розрахунків та ведення обліку перейшли у ці роки на якісно новий рівень і дали такий необхідний поштовх до зростання американської промисловості.
Друге покоління комп’ютерів характеризувалося появою високорівневих мов програмування — найпопулярнішими, зокрема, стали Fortran і Cobol. Первинна пам’ять у транзисторних комп’ютерах була реалізована як магнітний сердечник, а записаний результат обчислень зберігався на перших комп’ютерних дискетах і магнітних стрічках. Крім цього, з’явилися перші пристрої для введення даних у вигляді друкарської машинки.
Епоха комп’ютерів третього покоління стартувала 1964 і тривала до 1971 року. Ці машини вже позбавлені транзисторів, всі обчислення відбувалися в інтегральних схемах (ІС) — електронних схемах, виконаних на напівпровідниковій підкладці, якою найчастіше слугували кремнієві пластини. Дана технологія дозволяла вмістити десятки тисяч біт даних на мікросхемі розміром як долоня, а також забезпечити задовільну швидкість передачі даних, оскільки тепер усі транзистори були розташовані на одному невеликому чипі, тож рух електронів займав набагато менше часу. Саме у комп’ютерах третього покоління з’явилися перші операційні системи.
Напівпровідникові чипи і сформували вигляд комп’ютера таким, яким ми його знаємо зараз. Комп’ютери четвертого (1971-1980 роки) і п’ятого поколінь (з 1980-го до сьогодні) так само працюють на інтегральних схемах, а основна відмінність між ними полягає лише у зменшенні розмірів мікропроцесорів і, як наслідок, збільшенні їхньої обчислювальної потужності.
Утім, навіть найсучасніша комп’ютерна техніка зараз стикається з непробивною стелею, адже всі відомі на сьогодні комп’ютери оперують бітами (0 і 1). Внаслідок цього навіть найпотужніші з них завжди оброблятимуть інформацію строго лінійно — при виконанні 100 різних операцій кожна з них виконуватиметься послідовно, що суттєво збільшує час, необхідний для виконання складних багатозадачних програмних циклів.
Ситуацію, очевидно, змінять квантові комп’ютери, розробки яких уже тривають. Квантові комп’ютери будуть оперувати з кубітами (у яких значення 1 і 0 прийматимуться одночасно), що дозволить подібній машині обробляти всі можливі стани одночасно і наділить її властивістю багатозадачності у повному розумінні цього слова. Але перш ніж це втілиться в життя, людям спочатку необхідно суттєво розширити своє уявлення про квантову теорію.
