Under The Smoke Shadow

Бирата носи прозрения :)

2012-02-02T18:35:00.018+02:00

...

Както градовете ни не спират да растат на площ и население, така и клетките също искат да увеличат броя си. За да го направят те трябва да преминат през деление. Градът отново е подходяща метафора за делението на клетките.

Един голям град, който расте и образува предградия, защото когато градът се разраства му трябват нови общински центрове, магазини, кметства и т.н. обикновено се строят по периферията на основния град. И могат да се уподобят на делението на клетката.

Когато се основава нов град или предградие, се ползват градоустройствени планове и планеровчици , които се ползват и при изграждането на инфраструктурата и сградите в стария град. Така и клетката ползва генетична информация от ДНК.

Но метафората за града не издържа що се отнася до биологичното възпроизвеждане на клетката. То е много специално.

Гените контролират (управляват, координират, навигират) всяко действие на клетката.

Гените се дуплицират и разпределят в двата края на клетката, после новите клетки се събират около тях с всичко, което е било в първата клетка. После се разделят и си живеят самостоятелно.
Градовете не се държат така.
Клетъчното делене е много специален процес.

При подготовката за деленето, идентични вериги с ДНК с дължина 1м. се събират. Ензими и структурни протеини помагат за опаковането им и плътното им намотаване в малки пакети генетична информация познати като хромозоми.

Започва митозата, основното събитие при деленето на клетката.

Двойни хромозоми и вретено от микротобули заемат центъра на клетката.
По средата на хромозомата е кинетохор-та като диск. Там микротобулите се захващат за хромозомата. Издърпани от микротобулите, КОПИРАНИТЕ хромозоми се разделят и създават два идентични комплекта хромозоми. Свиваем пръстен прищипва клетката по средата, образувайки две идентични дъщерни клетки. Клетъчният цикъл завършва с деленето.

В модела на идеалния град всичко би трябвало да работи правилно. Сградите да се строят красиви, функционални и стабилни, да има красиви паркове, удобна инфраструктура и транспорт, който да осъществява трафика на хора, ресурси и материали до всички кътчета и т.н. и т.н… целият град да работи функционално, а всичките му жители са щастливи. В идеалният град, всичко трябва да работи в БАЛАНС и СЪТРУДНИЧЕСТВО.

Неадекватно към системата (към градските правила) поведение обаче , дори и само от отделни индивиди, може да разстрои ефективния механизъм.

Ако някой шофира твърде бързо или разделението на зони не е добро, сградите изникват на сред пътя или няма магистрали и паркове, няма достатъчно мостове, неправилна програма за застрояване или пренаселване, може да НАРУШИ КОМУНИКАЦИЯТА и да направи града нефункционален.

Подобно нещо става, когато някой се разболее от рак.
И клетките се застъпят и нарушат функциите на други клетки.
Това което убива е повредата на целия организъм, в резултат от неправилното поведение на отделни клетки. Друга важна характеристика на клетката на рака е, че се развива бързо. Мутира и променя гените си. Ако можеше да се избегне това, нямаше да се разболяваме от рак.

Как една клетка запазва точността на своето делене и какво може да се обърка и да го направи неточно?

Тези въпроси за рака карат Лиланд Хартуел да експериментира с мая.

Той изучавал гените при клетъчният цикъл и е успял да открои много специфични гени – НАСЛЕДСТВЕНИ ИНСТРУКЦИИ, КОИТО КОНТРОЛИРАТ ДЕЛЕНЕТО.

Технологията внася напредък във възможностите за микробиологични изследвания, но едно от най-хубавите неща при изследването с мая е, че се прави с много проста технология – чинийки, кадифено парцалче, клечки за зъби.

Едно от предимствата на „пъпкуващата мая” е, че се вижда в кой етап от клетъчния цикъл са клетките й. Процесът на делене отнема около 2 часа.
„Пъпката” расте и минавате през 2, 4, 8, 16, 32, 64 … докато има хранителни вещества. Така се прави много бира. Всички клетки в едно петънце, идват от една единствена клетка, после се превръщат в колонии и стават милиони.

Докато генетиците работели върху гените на маята, биохимиците се чудели също какво контролира клетъчният цикъл.

Те изучавали протеините.

Ако гените са сценарий, то актьорите са протеините. Ако гените са строителни планове, то строителите и структурите, които те изграждат, са протеините.

Тим Хънт експериментирал с един по-различен модел – морски таралежи:

„Аз съм истински пионер. Открих нещо случайно и то на ранен етап. То разкри нещо, което маята никога не би ни показала. Протеин, който внезапно изчезва и се появява. Изчезването на този протеин нарекохме циклин, тъй като нивата му тиктакат като часовник в клетъчния цикъл. Всъщност отмерват деленията, използвайки електофореза.”

Хънт открива протеин, който се появява и изчезва в изключително важни етапи от клетъчното делене:

„Ето това привлече вниманието ми. Стойностите са все по-високи и изведнъж изчезват докато другите продължават да се засилват. Както се очаква това е циклин Б. Самият експеримент си беше момент на еврика. Когато гелът изсъхна резултатът беше това. Хората мислеха, че съм луд. Основата на деленето не може да е толкова проста. Глупаво е само един протеин… Животът е много по-сложен, но така беше и още е така. Хънт разкрива още един основен контролиращ фактор.
Работещите с мая като Лиланд Хартуел се чудели как клетката се поддържа и поправя по време на цикъла.

Хънт въвел концепцията за пунктове за проверка:
http://www.blogger.com/img/blank.gif
„Главният парадокс, който се появи с контролиращите протеини, беше, че контролиращият протеин беше киназа, която се включваше и изключваше по време на цикъла. А картината, която получихме от клетъчният цикъл на маята беше низ от събития. Дори и да напредваше процеса, не се ли случеше определено събитие – той спираше. Обърка ли се нещо при клетъчния цикъл, съществува сигнална система,която преустановява цикъла. Пунктовете за проверка са като катаджии. Те не само контролират трафика, а се грижат ако трафикът се движи в определена посока, нищо да не пресича пътя му, което би довело до катастрофа.

Същото е и при клетъчния цикъл. Първо трябва да се завърши копирането, преди да стане деленето. Ако се случат едновременно, това предизвиква катастрофа и хромозомата се разбива. Това е добра аналогия. Открихме кои са регулаторите на клетъчния цикъл. Едно от откритията обаче доказа, колко е важно основното проучване за разбирането на деленето.

В компютър подредихме гените на маята и на хората. Искахме да проверим дали са подобни. Открихме, че 60% , почти 2/3 от буквите съставящи протеинът 2 са еднакви.
Това означава, че човешкият ген върши същата работа като този на маята. Беше много вълнуващо и много важно откритие. Имаме достатъчно основания да считаме, че всяко живо същество, не само хората и маята, а кучето ви, мухите и розите в градината, са съставени от клетки КОНТРОЛИРАНИ ОТ ЕДНИ И СЪЩИ ГЕНИ. „

Надяваме се, това основно разбиране за контрола на клетъчния цикъл да има огромен ефект върху развитието на медицината и по-конкретно, върху виждането ни за рака. Разработват се нови лекарства и лечения. Но няма да стане само след едно откритие. Градим стената тухла по тухла и се надяваме, че страхът от рака постепенно да отслабва все повече.”

Когато се вглеждаме в множеството форми на живот на Земята, често най-голямо впечатление ни правят разликите. Но, колкото по-дълбоко се вглеждаме, забелязваме, че при развитието на всички организми на земята се използва един и същ ГЕНЕТИЧЕН ИНСТРУМЕНТАРИУМ.

Най-новите методи в молекулярната генетика дават възможност на учените да разберат по-добре възникването на цялата форма, перспективите на отделната част, и да разкрият сходствата между различните форми на живот.

Съществуват различни средства, които са подобрили коренно способността ни да сравняваме механизмите на развитие на различните видове. Едно наскоро оплодено яйце притежава цялата ДНК, всички гени, като с течение на развитието си и при делението си на хиляди и милиони клетки, всяка от които също съдържа всички гени, но използва само определени от тях гени. Използването само на определени гени от своя страна ограничава и направлява способността му за развитие, броят на различните видове клетки, чрез които то се развива, намалява.

Вземането на решение за това кои генетични изследвания са подходящи и допустими за създаването на лекарства, поражда дискусии сред научните и ненаучните общности.

Никой от тези въпроси, обаче, няма лесен отговор, и най-вероятно по тях ще се дискутира, докато са налице желанието и нуждата ни за изследване.

Но, забележителното развитие в изследването на генетиката, дава възможност на учените да направят огромна крачка към разбирането на общите характеристики на видовете. То им позволява да сравняват развитието на организми-образци и да разбират по-добре аналогичните процеси на развитие при хората.

Изглежда очевидно, че целият живот на Земята се намира в по-тясна връзка, отколкото някога сме смятали.

От системна гледна точка маймуната, човекът… птицечовката, палмата… амебата… споделят голям процент общи гени – общи генетични инструкции (програми).
Разглеждането на биологичното единство на земята и неговата еволюция не може да бъде тълкувано опростенчески и единствено линейно-детерминистично.

НАЗДРАВЕ!

...

Откриването на РНК интерференция - RNA i

2012-02-01T15:22:00.003+02:00

...

Филмчето е на английски, но аз направих някакъв задоволителен превод, адаптиран и към самостоятелно четене. Ако не знаете английски и минете само към текста, пак вижте видеото, защото то илюстрира чрез анимациите метафоричното обяснение на процетите в клетката и как работят ДНК, РНК, рибозомите и т.н.

Всеки е с различно ДНК … мишките, китовете, цветята, хората, но от химична формула да направим живо същество, което цвърчи, лети във въздуха или става наситено розово ни е нужна РНК.
Тя превръща химическите формули в живи същества.
РНК вдъхва живот и за учени като Грег Ханън, е по-важна и от ДНК.
ДНК и протеините работят за РНК.

Как от ДНК да направим живо същество? Сега ще ви покажа. Ще намерим ДНК в типична клетка. Влизаме в нея и отиваме при ядрото. Ето я и ДНК. Основният код е вътре в ядрото. ДНК никога не напуска ядрото.
Срещали ли сте зли библиотекари в отдела с редки книги?
Може да копирате от книгата, но не и да я вземете вкъщи.
Щом ДНК е в ядрото, как ще извадим информацията, за да създадем същество? Това е работа на РНК – да копира рецепти от книгата и да ги хвърля през прозореца в морето от цитоплазма, съставляващо по-голямата част от клетката. Всички рецепти, които плуват в цитоплазмата са РНК.
В това море има стотици, хиляди готвачи, така наречените РИБОЗОМИ, които използват рецептите написани от РНК.
Когато рецепта попадне на готвача, каквато и да е тя, той я готви. Всяка рецепта е за протеин. Протеините създават клетки – костни, мозъчни, всякакви… Така, че тези готвачи ни изграждат. Ние сме направени от протеини.

Благодарение на РНК учените копират, разпространяват и създават различни модификации на растения. РНК прави това вече над три милярда години с всички живи същества.

Но има нещо за РНК, което учените разбират едва преди няколко години, при това случайно както се разкриват огромният процент научни находки.
През 1986г. компанията за която работел генетикът Рич Йоргенсен, му дала задача да създаде невероятно красиво цвете, за да привлекат инвеститори и да убедят предприемачи да дадат повече пари за опити за създаване на различни видове цветя. За модифициране напр. на рози.

Йоргенсен започва с по-прости растения. Обикновени градински петунии, защото гените им се модифицират лесно. Решили да създадат много наситено лилава петуния.

Рич знаел точно кой ген създавал лилавия цвят и как да го копира в ДНК на растението.
Той ще бъде копирам както всеки друг ген.

Преписът от ДНК ще бъде изхвърлен през прозореца в цитоплазмата, където готвачът ще изпълни рецептата. Рич помислил, че като добави още от гена, петуниите ще станат по-лилави. Направил го и зачакал. Но какво се случило? Вместо това, което очаквал поникнали чисто бели цветя.
Обратно на очакванията пигментацията се загубила напълно. Първоначално предполагат, че генът е бил грешен. Проверяват и установяват, че няма грешка.
Трябвало да решат с друго предположение загадката – защо петуниите не са станали по-лилави. Никой не знаел защо, като вкараш ген за още лилаво, петунията побелява.
Отнема десет години на учени изучаващи петунии, плодови мушички и червеи да разберат какво става.

Рич случайно бил открил тайна в живите клетки.

От незапомнени времена клетките имат смъртен враг – вирусите.
Те са като пиратски кораби, които нападат клетката, нахлуват в нея и разпращат рецепти на готвачите, но рецептите им са различни, тези рецепти не са хубави за клетката. Вирусът цели да се копира, чрез своите фалшиви рецепти, които разпространява, използвайки клетъчния ресурс, на гърба на клетката. По този начин я превзема отвътре, като тя се препълва с него, пръсва се и така заразява и другите клетки, в които се случва същото.

Много отдавна клетките създали тайна защитна система, която Рич Йоргенсен нарича „ченге”, за да обясни алегорично функцията й. Когато в клетката навлязат вируси и разпространят странни рецепти, ченгето ги чете и ги определя като съмнителни. Ченгето установява разлика в химичния състав. Някои са две страници напр. вместо една. Или пък едната страница е огледален образ на другата. Ченгето установява, че нещо в тях не е наред.

Види ли ченгето такава рецепта, сякаш се провиква „Вирус!!!” и после унищожава рецептата с нещо като „кунг – фу” – с ензими и термодинамика, с ензимно кунг-фу. Ченгето унищожава не само странните рецепти, но и всички техни копия, били и те правилно написани. Целта му е да унищожи вируса.

Интересното е, че до 1998 г. не се е знаело, че клетките имат този механизъм. Никой не е знаел, че клетките могат да разпознават грешките и когато видят огледален образ, унищожават всичко, което прилича на него. Разработили са защитна система срещу РНК на вирусите. А случаят с петунията на Рич случайно се натъква на нея.
Отговорът на въпроса защо петунията е станала бяла, когато Рич е искал да стане по лилава се крие в това, че той случайно открива „ченгето”.

Когато вкарал инструкциите си за по-наситено лилаво, не предполагал, че инструкциите му ще изглеждат подозрително за „ченгето”. Ченгето ги помислило за вируси и унищожило рецептите за лилаво. Така, че вече нямало възможност за произвеждане на лилав пигмент. Щом няма рецепти за лилаво, готвачите не го приготвят. А щом няма лилав пигмент, цветята остават бели. Така Рич и петуниите му помогнали за откриването на РНКи.

РНКи означава РНК интерференция, заради аналогията с ченгето, което се намесва като проверява съобщенията на РНК за рецепти в клетката.

Когато учените разбрали, че всяка клетка на растение или животно има РНКи, за изключване на гени и рецепти си помислили: „Можем ли да накараме тези ченгета да работят за нас?”
Тепърва се появяват много въпроси, които трябва да бъдат отговорени от учените. Можем ли да накараме „ченгето” в клетките да намали производството на генетични рецепти, които предизвикват заболявания? Има проведени експерименти с мишки, при които чрез манипулации на РМКи са излекували болестта на Болестта на Хънтингтън, болестта на Лу Гериг (АЛС), Хепатит, рак… Ако това се постигне при хората, не бихме ли могли да лекуваме рак, ХИВ, артрит и т.н?

Истинската сила на РНКи е по-дълбока и от лекуването на болести, защото РНКи изключва гени,унищожава рецепти. Големият проблем е, че в човешкият геном има 20 000 гена. Може ли да разберем какво прави всеки? Към момента идеята на генетиците е по метода на изключването на гени, според наблюдаваните ефекти да се установи кой за какво отговоря. Напр. ако се изключи определен ген на петунията и тя се получи без цвят, значи този ген отговаря за пигментацията. Изключи ли се друг ген, може да не се появят цветчета. Може по този път да се създадат многолистни петунии т.н. и т.н.

Все повече учени мислят, че откритието на РНКи дава много възможности на генетиката. Преди двайсет години, учените се чудеха какво им трябва, за да дешифрират човешкият геном.
Мислеха, че ще им е нужна магия, за да изключват гени по желание. Откритието на РНКи им даде точно това. Излиза, че природата вече е имала начин да изключва гени.

С помощта на РНКи, учените биха могли да разкодират всяко същество.Да се разпознаят гените, които ни карат да растем, да се движим и ни правят красиви и цветни.

...

...

Приказка за клетката, ДНК, РНК и разни други съмнителни клетъчни агенти

2012-01-31T15:03:00.031+02:00

...

снимка на човешки градове от космоса

От космоса е трудно да се види как е организиран човешкият живот.

Едва когато приближим поглед започваме да различаваме структурата на отделните общности.

Още по-отблизо виждаме, че тези общности градове и села са със строга организация и инфраструктура и притежават общи черти. Както и, че са много динамични. Съществува постоянно движение на хора и на материали. Гледката отгоре обаче, не ни разкрива цялата структура на населените места. Трябва да слезем в самото населено място, сред хората и институциите, за да видим какво се случва. Трупане на богатство, обмяна на информация - политическа, културна и индивидуална, както и дейности задоволяващи човешките потребности.

Макар че скокът от работещ град в живата клетка изглежда голям, дейностите приемани за даденост в града имат свое съответствие в клетката.

И границите на града, и електроцентралите, и фабриките, и заводите за рециклиране и транспортните мрежи.

Дейностите във всяка клетка могат да се онагледят с основните структури и дейности в човешкия град.

Въпреки разнообразието от човешки общности от малки селца до огромни мегаполюсни градове, всички те имат голям брой общи черти.

нервна клетка

Въпреки богатото разнообразие на живата природа, всички живи същества са изградени от едни и същи частици - малки микроскопични единици наречени клетки. Човешкото тяло е саморегулираща се отворена система от клетки и за това болестта често, е явление засягащо цялото тяло. С „микро” поглед причината за болестта се вижда и в нарушената функция на отделните клетки.
(За това за диагностика се взема кръвна проба.)

Ключът за всеки биологичен проблем може да се открие и в клетката и в причиненото на по-високо ниво разстройство на системата, която „разболялите” се клетки съставляват.

Основните функции и организация на животинските клетки са съотносими и към растителните клетки, и към човешките.

Както различните дейности в един град протичат в различни сгради и места, така и клетката има собствени специализирани зони.

Както ние не искаме ресторанта да е в една сграда с помийната яма, така и в клетката различните функции са обособени в различните отделения и всички отделения съжителстват щастливо в рамките на външната мембрана.

Всички градове имат външна граница. През средновековието тя би била здрава крепостна стена, днес, официалните граници на града са видими единствено от „вишките” на контролните органи, табелите или околовръстното шосе.
Границата определя какво има вътре и извън града. Железопътни линии, пътища, проходи, позволяват движение навътре и извън града.

В клетките могат да се открият същите аналози.

клетки

Те имат плазмена мембрана, която определя края на клетката.
Тази мембрана съдържа протеинови канали, които позволяват приемането на важни вещества вътре и извън клетката.

Мембраната е изградена не от тухли и хоросан, а от молекули, които се наричат липиди. Липиди образуват тънка и гъвкава, но здрава обвивка.

Клетъчната мембрана не бива да допуска някои вещества да преминават през нея. Не е нужно вируси, токсини и чужди молекули да попадат в клетката.
Необработени хранителни вещества и сигнални молекули влизат, а отпадни продукти и преработени вещества напускат клетката. Освен това липидните мембрани образуват отделенията в клетката.

Едно от най-важните от тях е ядрото.

Градският еквивалент на ядрото е например сградата на някой важен градски „архив”.

Ядрото съхранява цялата информация, която се съдържа в ДНК. ДНК никога не напуска ядрото. Информацията от ДНК се изнася от ядрото, само чрез копиране.(виж по-долу)

Ядрото е заобиколено от мембрана. Тази мембрана съдържа специални пори (врати), които могат да се оприличат на „летящи врати”, които контролират ДВИЖЕНИЕТО на веществата вътре и извън него по строго специфичен начин и строг режим на охранявана пропускливост.

модел на клетката -
(забележете, видът на модела колко не прилича на сниманите клетки.
ето добър начин да ви илюстрирам разликата между модел и първообраз.)

В ядрото, както и в архива се съхранява огромно количество ИНФОРМАЦИЯ.
Но не е позволено тя да бъде изнасяна навън, освен по строго определен начин. Тук има "засилена охрана", за да пази, един от най-ценните активи – ИНФОРМАЦИЯТА от ДНК.

Могат да се изнасят само копия на ДНК информацията и то под строг контрол. Както от много ценна библиотека не можем да изнасяме оригиналните книги, а само можем да ги копираме. Копията на тази информация се изнасят във външния свят, където биват използвани.

Дешифрирането на тази информация е едно от най-великите научни постижения на XXв.

ДНК често е сравнявана със сценарий на живота.
Аз лично смятам, че аналогията на ДНК със „строителни (градоустройствени) планове”, за много по подходяща. Скоро ще разберете основанията ми.

ДНК предоставя информацията и казва на клетката какво да прави.
И до голяма степен е уникална. В смисъл, че бактериалната клетка не е човешка клетка. Всеки от нас съдържа милиярди клетки. Всяка една от тези клетки съдържа пълно идентично копие на човешкия геном, който се съхранява под формата на ДНК, но и всяка една е специфично различна.

Количество информация в ДНК, се равнява на хиляди томове съхранявани в една градска библиотека. За да се използва информацията от ядрото обаче, тя трябва да се копира.
Вътре в ядрото ДНК молекулата наподобява колие от две преплетени нишки, които съдържат информацията изграждаща генетичният код. ДНК в една единствена човешка клетка е невъобразимо дълга. Ако бъде разплетена и съотнесена към дебелината на въже за простир, би се простряла върху централната част на Африка. Поразително е как ДНК молекулите са събрани в единици наречени хромозоми.

Още по-смайващо е, че успешно се правят ДНК копия.

модел на RNA

Като погледнеш двойната спирала виждаш как се е копирал сценарият - планът.
За това съществуват строги правила. Начинът на копиране наподобява начина на копиране на скулптура. Разполага със шаблон и неговата форма. След като се изработи шаблон може да се правят копия. Наличието на две нишки е много полезно, защото ако едната нишка бъде прекъсната, другата поддържа конструкцията. С две нишки е по-стабилно.
От тези стабилни схеми подобни на шаблони се правят къси копия на една от двете ДНК нишки в ядрото известни като РНК.

Копията представляват ПОДРОБНИ СЪОБЩЕНИЯ, които се транспортират извън ядрото в клетката.
Всяко едно СЪОБЩЕНИЕ съдържа информация за производството на ПРОТЕИН. ПРОТЕИНИТЕ изграждат клетката.

Щом ДНК осигурява „схема” – „строителен план” за образуването на клетки, то ПРОТЕИНИТЕ са средството, с чиято помощ СЕ ИЗПЪЛНЯВА "СТРОИТЕЛСТВОТО".

модел на DNA

Клетката „взема” протеини с определена проста форма. Способна е да събере тези по-малки частици – протеини, подобно на малки тухлички или кубчета – „Лего”, за да изгради структурите си в цитоскелета.
Тези протеини – „кубчета” притежават полезното свойство ПОЛЯРНОСТ.
Горната и долната им страна са РАЗЛИЧНИ.
Долната част на един се прикрепя към горната част на друг протеин. Така образуват висока купчина като всички сочат в една посока, подобно на блокчетата от ЛЕГО, с помощта на които могат да се строят различни форми и от прости структури да правиш многосъставни сложни „постройки” .
Както всеки протеин има долна и горна част, така и образуваната структура има горна и долна част.

За да образуват по-сложна структура са нужни различни видове елементи, също като частите на ЛЕГО-то, и кръгли, и шпиловидни…
Но красивият и сложен резултат се основава на ПРОСТИ ПРИНЦИПИ.
Тези единици, могат да се съединят и да образуват големи структури простиращи се из цялата клетка.

Удивителното в този вид организация - изграждането на сложни структури от прости елементи, е, че ако сглобим същите прости елементи в различна последователност ще се получи съвсем различен вид структура.
Друго предимство на този вид молекулна организация е, че освен, че могат да създават разнообразни структури, клетките могат много бързо да ПРОМЕНЯТ ФОРМАТА СИ.

клетки - снимка

Протеините не са само МАТЕРИЯТА („ТУХЛИЧКИТЕ” - структурите), която изграждат.
В много отношения те са И нейните ОБИТАТЕЛИ.

Както населението на един град се придвижва по пътища и по релси и т.н. , така и в клетката има сложна система от ДИНАМИЧНИ НАПРАВЛЕНИЯ, която се нарича цитоскелет.
Както в града, така и в клетката се извършват различни движения. Протеините се движат самостоятелно както хора по улиците. Някои са целенасочени, докато други обикалят сякаш безцелно.

За транспортирането на голям брой протеини, както и за транспортирането на голям брой хора, най-е подходящо да бъдат натоварени в едно превозно средство. Така и някои групи протеини се опаковат заедно в „мехур” или в друга голяма структура и се „превозват” като едно цяло, така както хората се предвижват в автобуси, вагони, трамваи, тролеи, самолети и т.н.

Има най-различни средства за предвижване, с които много хора се транспортират заедно. Тролеят се движи, защото по улиците има прекаран кабел. Трамваят, по същият начин – сграбчил кабела, посредством релсите…

Така и в клетката отделни молекули могат да играят ролята на малки двигатели, които изтласкват себе си и други молекули из клетката.

За разлика от градовете, в един организъм, понякога се налага цели клетки да се предвижват, както сперматозоидите напр.

модел на сперматозоид

Клетките не са просто част от многоклетъчно животно, а в определени случаи трябва да могат да се предвижват, за да търсят храна, а живеещите във водата да плуват.

Клетките използват разнообразни стратегии за плуване.

чехълче - снимка

Една от най-ефективните, може да се оприличи на гребането с гребла на лодка. „Чехълчето” напр. движи „греблата” си по асиметричен начин, за да се предвижва напред.
Друга стратегия наподобява витлото на водно колело.
Ако въртим във вода спираловиден предмет, това би било достатъчно, за да се придвижим напред.

Древният град Кицуватна, който е бил център на държава, съществувала паралелно с хетската цивилизация и тясно свързана с хетите

(няма никаква връзка с поста, но ми хареса снимката)

И клетките и градовете си имат история.

Много от нас сме виждали, как при построяването на метрото напр., се разкриват под „съвременна” магистрала разкопки от „римски град”, под който, вероятно, времето е „скрило” затрупана друга история, която не виждаме.

Както археолозите откриват древни „градски” „структури” под повърхността на нашите сложни динамични градове, така, в живите клетки, клетъчните биолозите откриват произхода на някои техни компоненти. В това отношение клетъчните биолози са археолози, които „ровят” вътре в съвременните клетки, за да разкрият произхода на живота.

Така биолозите считат, че митохондрият е древна бактерия произвеждаща енергия, погълната от клетката.

Градът, който никога не спи поглъща… харчи енергия с обезпокоителни темпове.
Методите за доставяне на газ и електричество, безспорно водят до много загуба на енергия.
Опитваме се да подобрим източниците на енергия, но още сме далече от ефективността, с която работят клетките.

Все пак съществува един нов и странен вид електростанция, аналогична на процеса в клетката - „Електроцентрала на биомаса”. Цялата енергия тук идва от слънцето. Тя се събира чрез фотосинтеза в използваема биомаса. Някога са използвали изкопаеми горива, но днес можем да горим сламата, в която са събрани слънчевите лъчи. "Сламената централа" работи като превръща горивото в топлина, тя пък се превръща в електричество, което на свой ред се разпределя.

Митохондриите са ЦЕНТРАЛИТЕ в клетката.

модел на митохондрий

Те създават химична енергия за дейността на клетката. Това става чрез изгаряне най-често на захари. Енергията се прехвърля в молекули на име АТФ, еквивалент на презареждащи се батерии.

Разрезът на митохондрий показва, че той има нагъната мембрана, съдържаща безбройни молекулярни „турбини”.
Докато „машините” се въртят, изразходените органични батерии минават през „турбината” и се презареждат.
След това, презаредените АТФ са отново на разположение на клетката.

Днес напредъка в 3Д технологиите, променя виждането ни за митохондрия.

Оказва се, че митохондрият въобще не е със строежа, който са си представяли учените.

Електронните микроскопи карат учените да променят разбиранията си или представите си за функциите на митохондриите.

Образите от електронните микроскопи са поначало неясни. Компютърните модели обаче разкриват структурата им.

Дизайнът на митохондрият е много важен. Той трябва да позволи поемането на материала за максимално отделяне на енергия в случая АТФ.

Учените също така разкриват тайните на малките „фабрики” в клетките – рибозомите.

модел на рибозома

Синхротронът в в Бъркли, САЩ – Калифорния, е колкото две футболни игрища.
Синхротронът позволява да се изучават малки кристали на структури като рибозомите – фабриките на клетката.

Този модел е използван за реконструкция на рибозома в 3 измерения и резолюция в ядрен мащаб.

Какво е установено към момента.
Ние не знаем какво ЗНАЧАТ ГЕНИТЕ НИ, докато ТЕ НЕ СЕ „ПРЕВЕДАТ” В ПРОТЕИНИ, а тази работа я върши РИБОЗОМАТА.

РИБОЗОМАТА ИЗРАЗЯВА ГЕНЕТИЧНАТА ИНФОРМАЦИЯ В БИОЛОГИЧНА ФОРМА.

модел на рибозоми

В центъра Утсуърд, в Оубъни, един от най-мощните електронни микроскопи на света се използва за изучаване на рибозомите.

РИБОЗОМАТА е нещо като ПРЕВОДАЧНА МАШИНА.
Тя превежда всичко, което й падне, включително и генетична информация за бактерии и вируси.

Рибозомите се състоят от рибозомна РНК и белтъци. В тях се осъществява процесът на транслация – превеждане на генетичната информация от полинуклеотидния код на нуклеиновите киселини в аминокиселинния код на белтъците.

Рибозомата ПРЕХВЪРЛЯ ГЕНЕТИЧНАТА ИНФОРМАЦИЯ В ПРОТЕИНИ.

Самата генетична информация идва от ДНК.
Но после, парче по парче части от ДНК се ТРАНСКРИБИРАТ в „ПОСЛАНИЯ” на РНК или мРНК. Копирането на генетична информация от ДНК (чрез транскрипция и превеждането и в белтъци, чрез транслация) е една от главните функции на РНК.
Тъй като РНК изпълнява много функции в организма тя се дели на няколко вида в зависимост от предназначението си:
- рибозомна (рРНК),
- транспортна (тРНК) и
- информационна или матрична (иРНК или мРНК) РНК.

РНК прави така, че да имаме съвсем същата информация като на ДНК, но разликата е че, тРНК може да се движи свободно. Тя се движи и си намира рибозома, която прочита и превежда ДНК – кода в серия от аминокиселини. След това те се подреждат заедно в дълга верига, която се сплита и извива, образувайки протеин.

Можем да си представим робозомата като производствена лента в завод.
Тя прави модел според инструкциите.
През цялата еволюция рибозомата е останала практически непроменена.
В ранните дни на изучаването й, представата на учените е била повърхностна. За да създаде „нов модел” една компания не разрушава завода, а използва същите машини като им предоставя нови програми за изработване на „новите модели”. Така както в завод се предоставя нова информация на роботите, за да създадат „нов модел”, така и рибозомата предоставя нова информация и ето че се появява нов модел. Така можем да приемем рибозомата.

Когато учените започват изследвания свързани с рибозомата, оприличават себе си на пещерни хора, които сякаш са излезли от пещерата и са открили ферари.
Подкарали са колата и са се отдали на удоволствието от откритието си. После са започнали да развиват теории за строежа и функциите на ферарито. Теории за волана, газта, спирачките, за съединителя и скоростния лост… Станало им обаче любопитно и решават да отворят капака на двигателя. Там обаче виждат нещо много по-сложно отколкото всички са си представяли.

Така са се чувствали учените, когато за пръв път видели как рибозомата функционира. Гледали сърцето на звяра. Повечето неща били нови, вълнуващи и мистериозни.
Пред същите неща се изправят сега гледайки към бъдещето и се опитват да разберат какъв е механизмът на рибозомата.

Гюнтер Блобел установява, че новите протеини се разпределят на различни места в клетката. Но си задава и въпроса, как въобще знаят за къде са предвидени?
Той обяснява наблщдаваните процеси така:

Прилича на пускането на писмо. Коя съобщителна мрежа може да ви свърже с цялата страна, с цял един регион, с отделен град, с жилищен блок, с конкретния адрес и номер на апартамент .
Оказва се, че също като писмата, протеините имат вграден „пощенски код”. Той определя къде ще отидат 10 милярда отделни протеина във всяка клетка – 10 милярда различни вида и всеки стига на точното място в точното време.

Идеята, че всеки протеин има пощенски код, някога била отхвърлена като измислица.

Гюнтер Блобел обаче доказал, че е точно така. Той също открил как и защо се използват пощенските кодове в клетката. 1999 г. получава нобелова награда за физиология или медицина за откритието, че новосинтезираните белтъци притежават СИГНАЛ, определящ мястото им в клетката.

ТОЙ УСТАНОВАВЯ, ЧЕ „ПОЩЕНСКИЯТ КОД” НЕ Е ДОСТАТЪЧЕН. НУЖЕН Е ЦЯЛ МЕХАНИЗЪМ… ЦЯЛА ОРГАНИЗАЦИЯ ЗА ПРОЧИТАНЕ НА КОДА.

Голяма част от клетъчната дейност е предназначена за доставянето на протеина на точният адрес, заради ограниченият му живот. Ако схемата не работи, протеинът също не работи. Това води до много различни болести.

Всяка минута се извършват 1 милион транспортирания на молекули между ядрото и цитоплазмата.

За влизане и излизане са нужни пощенски кодове.
Механизмите разчитат кодовете за влизане в ядрото.

Откриват нещо като метро в ядрото. Сравняват го с метро, защото в ядрото е "пренаселено", самото ядро е голямо, в него се осъществява интензивно движение.
Молекулярният диалог между ядрото и цитоплазнамата е много важен.
НУЖДАТА НА РАЗЛИЧНИТЕ ЧАСТИ НА КЛЕТКАТА ДА ОБЩУВАТ Е ОСНОВНА.

В еукариотните клетки, които са животински, цитоплазмата е запълнена от много динамични структури. Те формират цитоскелета.

цитоскелет

Той се състои от актинови и междинни влакна и микротубули. Те могат да се приемат като пътеки, пътища, релси, магистрали в клетката. Те позволяват движение и стабилност в животинската клетка.
Разпределителният център на микротубулите е центрозомата . Смята се, че ядрото е сърцето на клетката, но истинското й сърце е центрозомата.

Тя е като сърцето на града. Много молекули се срещат в центрозомата, за да „НАУЧАТ НОВИНИТЕ” и отново се пръскат из клетката. Това е нещо като място за срещи. Молекулите се срещат и решават дали да изменят поведението си. После излизат и казват на останалите какво се случва.

Когато видите всички микротобули в центрозомата ги оприличавате на нещо. Потоците микротубули приличат на пътища и магистрали. Това е добра аналогия, защото много молекули се качват на магистралата и се предвижват като чрез транспортна мрежа. Подвеждащото в тази аналогия, е че всъщност тази мрежа от микротобули е много динамична за разлика от тази в човешките градове, защото микротобулите растат и се смаляват… променят формата си В ОТГОВОР НА УСЕЩАНЕТО СИ ЗА СРЕДАТА.

Ако клетката иска да се придвижи, микротубулите усещат и се прегрупират, за да насочат трафика.

Аналогията с града е добра, но трябва да помним, че пътищата в клетката, са много по-гъвкави и удобни, защото могат да се „разглабят” и „построяват” отново много, много бързо. Отделните микротобули съществуват по-малко от 30 сек. Те могат да се изменят много бързо, за коренно различен период от градските магистрали. Това е много важно за клетката.

Всяка дейност в града, както и в клетката води до отпадъци и неща, от които трябва да се отървем. Този отпадъчен материал трябва да отиде на някъде за да бъде обработен.
Да вземем напр. отпадъчните води.
Те се изпращат за преработка и после се връщат обратно в града като чиста и безвредна вода.

Клетката също отпраща отпадъците за обработка в специални участъци наречени лизозоми, които съдържат ензими.

Всичко, чийто срок е минал се раздробява и ползва наново.

Нпр. една голяма лизозома може да съдържа митохондрий и още нещо. Те ще бъдат разглобени. Клетките са сложни и ефективни рециклиращи машини. Когато стара трошка приключи живота си отива в автогробище. Ако един протеин вече не е нужен, той се разпада на аминокиселините, които го изграждат. С тях се изграждат нови рибозоми, а после нови протеини.
Както ние постъпваме с колите си напр. Когато ги разглобят различните им части се сортират и по възможност се използват наново.

Без ефективно рециклиране клетката бързо би се напълнила с боклуци.

За съжаление ние още не можем да организираме човешката си дейност по толкова съвършен начин, както природата го прави.
Човечеството трупа купчини вредни за него и природата боклуци, които не може да рециклира.

...
следва продължение: "Приказка за "РНК - и", "Клетъчно делене, Тим Хънт и откритието му на циклините"

Айде, четете, че да давам нататък :))))))

...

Човешкото тяло - отворена саморегулираща се СИСТЕМА, представляваща най-висшето равнище на биологична ОРГАНИЗАЦИЯ от клетки.

2012-01-30T18:13:00.023+02:00

...

ОСНОВИ В БИОЛОГИЯТА

...

Въпреки, че всички изглеждаме различни, ние сме еднакви по устройството и функционирането на телата си.
Извън аномалиите, външно, единствените постоянни анатомични разлики помежду ни, са между мъжете и жените.

Милиардите клетки в тялото ни са групирани в тъкани.
Всяка тъкан се състои от подобни видове клетки.
Един или повече видове тъкани изграждат и функционират заедно в един орган.
( като белите дробове напр.)

Всички СИСТЕМИ заедно, образуват тялото.

Всяко човешко тяло е изградено от 12 основни СИСТЕМИ от клетки :

- костна;
- мускулна;
- сърдечно-съдова;
- дихателна
- храносмилателна
- отделителна
- полова
- сетивна
- външна покривна,
- лимфна,
- ендокринна;
- нервна

Тези системи си ВЗАИМОДЕЙСТВАТ, за да изграждат отворената саморегулираща се (над)система – ЧОВЕКЪТ,
който е И координиран, активен и интелигентен животински вид.

Всяка (под)система в човешкото тяло спомага за нормалното му функциониране.

Всички системи заедно се КОНТРОЛИРАТ от ендокринната и от нервната системи, като еволюционно по-старата е ендокринната.(ще има специален пост по въпроса)

Посредством взаимодействието между системите, ние се движим, говорим, възприемаме света, докато процесите в тялото ни протичат несъзнателно.

Човешкият организъм е отворена саморегулираща се система – представляваща най-висшето равнище на биологична ОРГАНИЗАЦИЯ от клетки.

Клетката е най-малката структурна единица на организма.

Всеки организъм започва живота си от една клетка, която най-често е оплодена, нарича се зигота. Тя се дели многократно и от нея се развива многоклетъчен организъм.

Всяка клетка се диференцира и специализира и впоследствие възникват различните видове клетки.

Те се групират по устройство и функция образувайки тъкани.
Формата и големината на клетката не са случайни, те се определят от ФУНКЦИИТЕ, които ще изпълняват за системата.

Съществуването на отворената система - жив организъм, е невъзможно, без постоянната обмяна на вещества и енергия с обкръжаващата среда.

Всяка отворена система променя своята маса и енергия.
(Всяка ли и в какви граници? Могат ли именно по този признак да се разграничат видовете отворени системи и кои фактори определят границите? Пак зачеквам старият въпрос, който мира не ми дава - каква е качествената разлика между така наречените отворени и затворени системи, при положение, че "затворена система" е идеално понятие, какво СИСТЕМНО понятие отграничава органичните системи от неорганичните, а и смесените от трета страна, защото изясняването и дефинирането на тези системни разграничения пречат на обединението на микро и макро системите в общата система Вселена, която е единна, независимо, че нашата наука още не може да я обедини в единни понятия и картина/

Живите системи, са характерни със своята изключително сложна и многокомпонентна организация, способността си към самовъзпроизвеждане, растеж, развитие, адаптация, висок коефициент на полезно действие, ефективно използване на веществата и енергията, подържане на постоянството на вътрешната среда и на системната организация, стремеж към изолиране от вредното въздействие на факторите на средата, сложни форми на регулация на физиологичните процеси и други.

Съществуването на живите организми и функцията на клетките, тъканите и системите е невъзможно без непрекъснат обмен на вещества, енергия и информация.

Балансът на веществата и енергията всъщност представлява СЪИЗМЕРНОСТ между ВХОДА и ИЗХОДА, които разкриват същността на метаболитните процеси в организма.

Метаболизмът (обмяна на веществата) е съвкупност от БИОХИМИЧНИ РЕАКЦИИ, които протичат в КЛЕТКИТЕ на организмите, за да ги поддържат живи.

Тези процеси позволяват на организмите да нарастват и да се възпроизвеждат, да обновяват своите структури и да отговарят на промени в заобикалящата ги среда.

Метаболитните процеси се поделят на две категории:

- катаболизъм - разграждане (окисление) на органична материя, с цел добив на енергия чрез процеса клетъчно дишане,

- и анаболизъм - синтез на собствени за организма компоненти като протеини и нуклеинови киселини за сметка на енергията, освободена при катаболизма.

Химичните реакции на метаболизма са организирани в МЕТАБОЛИТНИ ПЪТИЩА, в които определено химично вещество се ТРАНСФОРМИРА, чрез поредица от стъпки, във всяка от които участва ЕНЗИМ, в НОВО ВЕЩЕСТВО.

Ензимите играят ключова роля в метаболизма, тъй като позволяват протичането на желани реакции, изискващи енергия, които не биха протекли самостоятелно. Това става, като паралелно с тях протичат реакции, освобождаващи енергия.
Тъй като ензимите действат като катализатори, те дават възможност реакциите да протичат бързо и ефективно.

Ензимите също така позволяват регулирането на метаболитните пътища в зависимост от промени в клетъчната обръжаваща среда или от сигнали, подадени от други клетки.

Забележителна характеристика на метаболизма е ПОДОБИЕТО на основните метаболитни пътища и компоненти, дори при напълно различаващи се организми.

Например, групата на карбоксилните киселини, добре известни като междинно звено в цикъла на Кребс, ПРИСЪСТВАТ ПРИ ВСИЧКИ ОРГАНИЗМИ —
ОТ едноклетъчните бактерии Escherichia coli
ДО едри животни като слоновете.

Тези сходства в метаболизма вероятно се дължат на високата ефективност на тези пътища и на тяхната ранна поява в хода на еволюцията.

Обмяната на веществата (метаболизмът) е баланс между процесите на разграждане (катаболизъм) и биосинтеза (анаболизъм), БАЛАНС на веществата и енергията .

Единството на катаболните и анаболните процеси се осъществява чрез амфиболните (двусмислени) пътища, които СВЪРЗВАТ тези два процеса в мястото на КРЪСТОВИЩАТА на МЕЖДИННАТА обмяна. Такива кръстовища са цикълът на Кребс, окислителното фосфорилиране и др.

Единството на метаболизма се подчертава от използването на енергията и веществата, образувани в катаболния процес от анаболни процеси.
Така например, нито един анаболен процес не може да протече в отсъствието на катаболната АТФ.

Междинната обмяна е обмяната на веществата в клетката и се нарича клетъчен метаболизъм с усвояване на веществата и енергията и получаване на крайни продукти на обмяната.

Енергийните промени при метаболизма, съпроводени с приемане, отделяне или превръщане на енергията от една форма в друга, се обозначават като обмяна на енергия.

Превръщането на външните вещества, в присъщи за организма, се нарича АСИМИЛАЦИЯ.

Това се осъществява от специфични метаболитни пътища, включващи катаболитни и анаболитни процеси.
Превръщането на свойствените за организма вещества в крайни продукти на обмяната се нарича ДИСИМИЛАЦИЯ.

Асимилацията и дисимилацията са ДВЕТЕ СТРАНИ НА МЕТАБОЛИЗМА, чрез които се осигурява непрекъснатата подмяна на веществата в организма, без да се променя неговия състав и индивидуалност.

Вторичният метаболизъм представлява метаболитни пътища за получаване на крайни продукти на обмяната чрез сложни синтетични процеси. Такива са восъците, етеричните масла, феромоните, пигменти, алкалоиди, отрови и др.

Крайните продукти на обмяната са тези продукти на метаболизма и които повече не се включват в обменните процеси.

Обмяната на веществата се осъществява в 3 последователни и взаимосвързани фази (етапа).

Първият етап включва разграждането на биологичните макромолекули до съставящите ги градивни мономери, като това се реализира при храносмилането.

Във вторият етап нискомулекулните съединения навлизат в цитоплазмата на клетките и се подлагат на по-нататъшни окислителни или синтетични процеси.

Третият етап се осъществява в митохондриите в аеробни условия с отделяне на цялата потенциална енергия, която се трансформира и акумулира в енергия на химичните връзки (и най-вече под формата на АТФ) или се разсейва като топлина.
(този етап включва Цикъла на Кребс, дихателната верига и окислителното фосфорилиране.)

БИОЕНЕРГЕТИКАТА е клон от науката, която изучава енергийната страна на биологичната обмяна – преобразуване и използване на енергията в живите организми.

Под енергия се разбира способността на СИСТЕМАТА да извършва работа. При всяка РАБОТЕЩА СИСТЕМА се разграничават ДВЕ термодинамични величини:
-свободна енергия
- и ентропия.

Свободната енергия, е тази част от енергията, която се използва за извършване на работа.

Ентропията, е мярка за част от енергията на системата, която не може да извършва работа и се разсейва под формата на топлина.

Живите организми се характеризират с ниска ентропия и висока степен на ПОДРЕДЕНОСТ (организираност) на системата.

Това се постига чрез взаимосвързани ендотермични и екзотермични процеси и сложни биохимични реакции, контролиращи обмяната на веществата и висок коефициент на полезно действие.

Превръщането на една форма на енергията в друга е съпроводено с топлинни загуби.

Живите организми приемат енергия в ДВЕ ОСНОВНИ ФОРМИ.

Независимо от огромните видови различия в структурата и функциите, организмите приемат енергия от околната среда в две основни форми.

Едни - автотрофните (фотосинтезиращите) организми, приемат енергия под формата на светлина.
Други - хетеротрофните организми, използват енергията на химичните връзки на готови органични съединения, които те приемат от околната среда като храна.

Постъпилата в клетката енергия се използва само след преобразуване и натрупване в удобна форма.

Много клетъчни процеси протичат с поглъщане на енергия, т.е. те са енергозависими. Те не могат да използват направо освобождаващата се енергия от разнообразните хранителни вещества, тъй като нейният вид не е подходящ и тя не е количествено дозирана. За да може енергията да бъде използвана, необходимо е тя да бъде предварително преобразувана (трансформирана) и натрупана в една-единствена форма, удобна за всички клетъчни процеси във всички видове клетки (с малки изключения) енергията се преобразува и натрупва в молекулите на специално съединение-енергоносител, чиито молекули я акумулират - аденозинтрифосфат (АТФ).
АТФ е универсалният енергоносител във всички клетки.

Живите организми са в непрекъснато взаимодействие с околната среда.
Една от проявите на това взаимодействие е приемането от средата на вещества и съдържащата се в тях енергия. Клетките използват получените вещества след преработка за изграждане на собствените структури.
Енергията, освобождаваща се при тази преработка, е необходима за осъществяване на клетъчните функции.

Клетката получава от средата вещества(храна) и енергия и отделя в нея крайните продукти на метаболизма си.
Взаимодействието на клетката със средата се означава като външна обмяна на веществата.

Тук завършва общото за всички живи организми и започват разликите между тях.

Особеностите в метаболизма на всеки организъм определят неговия тип обмяна.

Когато един организъм може да изгради органичните си съединения изцяло от неорганични, той се означава като автотрофен. (фотосинтезиращите организми)

За тези организми източникът на енергия е външен - главно слънчевата светлина
( фотоатротофите напр. - зелените растения, някои микроорганизми).

Някои микроорганизми използват енергията, която се отделя при окисляване на неорганични съединения (сероводород, сяра и др.).
Те се наричат хемосинтезиращи автотрофи.

Когато за синтетичните процеси организмът се нуждае освен от известно количество НЕОРГАНИЧНИ съединения още и от ОРГАНИЧНИ, той се нарича хетеротрофен (хищниците напр.)

Хетеротрофните организми (между които е и човекът)
осъществяват синтетичните си процеси за сметка на енергията, отделена при разграждането на собствени органични вещества и на органични вещества, приети с храната (всички животни).

Тези организми НЕ могат да използват ВЪНШНИ източници на енергия.

ЕДИНСТВЕНИТЕ източници на ЕНЕРГИЯ за хетеротрофните организми е енергията на КОВАЛЕНТНИТЕ химични ВРЪЗКИ, като част от тази енергия се преобразува и акумулира в изотермни и изобарни условия в енергия на макроергичните връзки и най-вече под формата на основния енергоприносител – АТФ.

Следователно по отношение на синтетичните (анаболитните) процеси съществуват два основни типа обмяна:
- автотрофен
- и хетеротрофен.

Разликата се определя от източника на енергия, който двата типа организми използват.

За живите организми като цяло първоизточник на енергия е слънцето.

Като използват светлинната енергия АВТОТРОФНИТЕ организми синтезират ОРГАНИЧНИ вещества от НЕОРГАНИЧНИ съединения на биогенните елементи (С, N.О и Н)

По отношение на особеностите в процесите на разграждане (катаболитните) има също два основни типа обмяна: аеробен и анаеробен.

Организмите, които разграждат веществата в присъствие на КИСЛОРОД, се означават като аеробни (такива са повечето организми, населяващи Земята).

Тези, които разграждат веществата в ОТСЪСТВИЕ НА КИСЛОРОД са анаеробни (много бактерии, например причинителя на тетануса).

Метаболитната карта ни помага да разберем РЕГУЛАТОРНИТЕ ПРОЦЕСИ. Така както уличното движение в големия град не може да функционира без местно и централно регулиране, така и метаболизмът е немислим без РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ.

Представете си какво би станало при катастрофа или задръстване на някое централно кръстовище. Бедата би била толкова по-голяма, колкото регулацията на движението е по-несъвършена.

В това отношение клетката е ненадмината.

Нейната системна организация разполага и с йерархично взаимодействащи си информационни системи, които координират и регулират регулационните процеси в подсистемите и между елементите им на всички системни нива.

Тя е модел, от който човек може да копира начини на регулация.
За тези ИС – като ДНК, РНК, системи тепърва ще говоря

Ако клетката не съумее да осигури чрез регулацията на метаболизма своето съществуване, пред нея има три възможности:

- да оцелее, като в нея НАСТЪПЯТ ПРОМЕНИ, които тя ще ПРЕДАВА И ПО НАСЛЕДСТВО (чрез специфичните ИС - като ДНК напр.)

- да продължи да съществува, но с някои нарушения

- или да загине.

Регулаторните механизми на клетката до голяма степен създават възможността тя да се приспособява към изменящата се среда.
Така се осигурява относителното й постоянство и оцеляване.

...

следва продължение: "Приказка за клетката, ДНК и РНК"

...

Как бактериите си общуват

2012-01-29T16:37:00.019+02:00

..

Много мислех как да започна постовете си под шапката на биологията.

Т.е, с какъв първи пост да вкарам и биологията в играта – „Наука на биричка” , която заформих, най-вече за да разбудя мисленето ви в една нова посока.
По посока на това, как съвременната наука става интегративна, т.е детерминистично – системна, преразглеждайки редица явления през призмата на понятия като КОМУНИКАЦИЯ – Информационни Системи.

Преди да публикувам дългата приказка за ДНК и клетката, която написах, ползвайки алегории и факти, с които започна да си служи съвременната биология (генетика и молекулярна биология) , преописвайки процеси в клетката, които години наред бяха известни, но тълкувани фрагментарно и не системно, както и такива, които се разкриха пред очите на съвременните учени благодарение на новият им системен поглед, анализиращ обмена на информация и процесите на комуникация на клетъчно ниво, ще ви запозная с откритието на Бони Баслър.

Проф. Бони Баслър
Медицински институт „Хауърд Хюз“ и Катедра по молекулярна биология към Университет „Принстън”, САЩ; „Проучване/Изследване на химическата комуникация между бактериите и отваряне на нови врати за лечение на инфекции“

Нейните идеи, че бактериите комуникират помежду си на два езика – единият вътревидов, а другият междувидов, години наред се считат за фантастични, несериозни, лаически, глупави… и са обект на подигравки в научните среди.

Но тази жена успява да докаже това, което интуицията й е подсказвала и разкритията й, вероятно ще отворят нов път към справянето ни с редица заболявания.

В последните десетина години, биологията започна да преразглежда основните си дялове и понятия от гледна точка на „КОМУНИКАЦИЯТА” (в най-общият смисъл на понятието, също толкова общ колкото понятието „енергия”) – информационните системи, т.е от гледна точка на системната теория, изграждайки нови интегративни (обединяващи детерминистичните със системните) теории, които все повече се доказват експериментално.

Човекът е този, който тълкува, обяснява и преписва значение на фактите.
За това, често фактите си остават същите, но се променя начинът по който ги интерпретираме.

...
тъй като съм малоумна и не можах да вградя видеото със субтитрите на български, ви давам линк към него - http://www.ted.com/talks/lang/bg/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate.html
чекнете:Subtitles Available in : Bulgarian

Bonnie Bassler on Why American Kids Are Behind in Science - Awesome video clips here

http://bigthink.com/drbonniebassler#!video_idea_id=307

който се интересува по-задълбочено, може да потърси още информация по въпроса в нета.

...

Сурогат

2012-01-23T21:13:00.018+02:00

...

РАЗКАЗ

Едно от нещата, които трябва да научиш, за да станеш добър журналист е, че всеки и всичко може да те изненада, във всеки един момент, особено в неподходящият. И че с това не се свиква, поради което е добре да прикриваш почудата си.
Край нямат нещата дето изненадват и учудват.

Ето защо, когато две чаткащи токчета внесоха запотена като току що извадена от морето топка водорасли коса, на име Мери Иванова, в редакцията, трябваше да се доверя на настръхващите тръпки мръснишки обладаващи тялото ми.

Шумно пъхтящото женско създание нахлу без да чука и стовари „Верту-то” си на бюрото ми поглеждайки ме така, както се поглежда капитан на потъващ кораб:
- Ненова? - попита тя. - Светла?
- Може и така се да каже, но има вероятност информацията ти вече да е стара — признах си аз. – Забелязала ли си, че каквато и информация да получим днес, утре… все се появява някой с чисто нова, отричаща старата. Някои наричат този феномен еволюция. Заповядай, седни! – казах учтиво, но продължих да мрънкам. - Каквото и да помисли човек… каквото и да понечи да твърди в днешно време… само да се огледа… и веднага намира контра аргумент. И тук възниква въпросът, който най-ме измъчва – остарява ли информацията или еволюира? Ето, като погледнеш съучениците си на двадесетгодишнината от завършването на гимназията, остарели ли ти изглеждат или еволюирали ?
- Бо-о-о-же, как имах нужда да си поговорим… същите въпроси и мен ме глождят отвътре.
Аз обаче, не и давах думата:
- Какво да ти кажа, Мери… лягам си Светла, а на сутринта, ако се огледам… установявам, че вече не съм вчерашна. До обяд се появяват неоспорими факти даващи ми пълни снования да се усъмня в себе си и за други неща... Ако питаш мен, всички начетени и много информирани като нас хора, постоянно се чувстваме ту тъпаци – ту… как да го кажа… космически малки, щото не спираме да се съмняваме в това или онова. И не е само защото работим в медийния бизнес. Болестта, на нас – интелигентните е, че осъзнаваме колко важно нещо е информацията. Ще ни удави този информационен потоп, бе Мери, ще ни затрие, ей! - размачках ходилата си под бюрото, че от дългото седене ми бяха изтръпнали - мисля … да си ковна едно архаично Ноево кофчеже - от вяра, надежда и любов. Това ме зарежда, прави ме щастлива , ако не намериш нещо да те вдъхновява, нищо не ти работи както трябва, нито тялото, нито мисълта, нито душичката... що да не се слея с всемира успокоена и блажено усмихната, а… що трябва да съм гневна и надменна към различността на хората? Този гняв и агресия ме тровят, скъпа... ей на, ходих на лекар, скъсаха ме от изследвания и к'во... ненормално чувствителна съм била и това щяло да ме погуби... Че ще мрем, е ясно, не е ли по-важно как живеем? Ами ако случайно сме тук временно, не само за малко и тъкмо за това е важно как играем тази абсурдна игра - живот. Ти си интелигентна и начетена жена... знаеш, че няма да се намери някой, който да може да докаже или със сигурност да опровергае тази възможност. Няма смисъл, извън този, който ние създаваме, извън този, който ние избираме ... поне докато сме тук - на земята...

Повдигна ми се от буцата в гърлото - мразя, когато редя пъзел, някой да нахлува в кабинета ми.
Поддържаното и скъпо опакованото в стегнати вурстчета женско тяло насреща ми, се задруса като кючеклийка:
- Само ти можеш да ми помогнеш. Изнудват ме. Моля те!

Бутнах към нея чаша и бутилка ракия - от първака на мама, която държах в чекмеджето си за медицински цели.
- Успокой се… разкажи ми …
- Ти ... нали няма да кажеш на шефа ?
- Мери, сподели какво те води насам... без да разбера, не мога да ти обещая нищо .

Тя опита да си налее от ракията, при което звънът от удара на бутилката в чашата, се чу дори на улицата, а по-голямата част от спиртната течност обля обувките й. Носовете им грейнаха - лачено.
- Знаеш Ненова, счетоводителка съм. Тая година ще чукна 40 - така. Няма отчет, който да ми се опъне! И съм известна в бранша като „Факира на ДДС –то”. В Лондон съм завършила …
- Е, и?
С уплашен поглед, Мери се изпъна назад в стола си, който изскърца: - Този лаптоп твой ли е? Или е служебен?
- Да се върнем на въпроса – контрирах и кимнах към поглъщаща на екс ракията ми събеседничка. – Наздраве!
- Мъжът ми много пътува, знаеш. Знаеш какво е да си сама… О, не е това, което си мислиш... Виж, аз в същността си съм много крехка и чувствителна, нищо че изглеждам кисела и надута. Уверявам те, една уважавана, богата жена, с доходна професия, като мен, може да има всеки мъж, който пожелае. Но действително интелигентен, чувствителен, с чувство за хумор… творчески разгърнат мъж — не е толкова лесно да откриеш веднага.
- Продължавай...
- Е, добре, аз бързо си върша работата и качествено… за това ми остава много време… и много самота… разсейвам се с тоя феисбук. Гледам, ти не си активна във фейса, ама аз… разбираш ме, нали?
- Не знам… какво имаш предвид?
- Как какво… там има толкова много мъже и все интересни… какви закачливи статуси пишат само… Да ти прочета ли? – протегна треперещата си ръка към лаптопа ми, като към доза дрога.
Сръчно щракнах капака:
- Е, и?
- Така срещнах Скротума. Писател, студент, толкова ерудиран, толкова надарен, нежен чувствителен мъж… Може да разговаря и дискутира върху всякакви теми - Докинс, Каку, Грийн, Майн Ранд, антропологията…
- Айн Рад, - поправих я аз, оня се казва Майн Рид…
- Да бе, нали това ти разправям, то няма тема, на която да го бутнеш Скротума неподготвен… еволюцията, динозаврите, извънземните, 2012 – края на света… Ей тия…
Защо ли хората чакат да дойдат извънземните да ни оправят … никой ли не вижда, че не човеците трябва, най-накрая да си тръгнат и да не се връщат... То въздух не ни остана все да ни оправят, дет’ се вика, щото… всеки се държи така, сякаш е тук за кратко и за последно... сере, пикае... оправя… и бега. Ами боклуците ви? Кой ще почиства след вас? Стига сте тровили, ве ей! Щом отговорност немате, щом не ви е срам... и щом и страх немате, бегайте си на ваш'те планети, тях си осирайте и унищожавяйте, що чините тука?А? - Мери въздъхна облекчено, сякаш трябваше да си го каже, за да й олекне. После излезе от транса си, погледна ме пак разтревожено и продължи:
- Ето по такива високо интелектуални въпроси говорим със Скротума, разбираш ме, нали?
- Опитвам, Мери, опитвам… продължавай!
- Искам да ти кажа, че мъжът ми е чудесен, нищо лошо не съм видяла. Но с него не мога да говоря за Буковски и за поезия. Че той освен „Винету”, нищо друго не е чел! А Скротума… диша като поет… Еххх… Вече не помня кога се омъжих… отдавна беше… синът ми вече изхвръкна от гнездото, нали отиде в Благоевградския… Знаеш Светле, всяка жена се нуждае от мъж, който да я кара да се чувства жена, да се чувства жива… помниш ли онази песен… „Гив ми а ризън ту би а уоман”… - фалшиво изцвили Мери и продължи да мяука като коте. – Имам нужда от мъж, който да ме стимулира умствено... и бях готова да си плащам за това. Не исках проблеми - от самото начало му казах… Искам всичко да е ясно, да е чисто, ще си плащам – честна сделка. Желаех силно интелектуално преживяване, без да си лягаме. Ама, ей на… подхлъзнах се…За бога, Ненова, аз имам щастлив брак.
- Колко дълго продължава това?
- Шест месеца. Закопнея ли за обмяна на мисли, на идеи… закопнея ли да подишам култура и влизам във фейса. Пиша нещо на стената на Скротума и се чувствам вече различна. Той е природно интелигентен, с магистърска степен по философско литературознание. Кара ме да се чувствам интелектуална и важна… А като се видим на литературните четения, които той организира два пъти в седмицата, направо пламтя…като космическа ракета преди старт се паля, охххх.

Мери беше една от ония жени, които бяха подредили живота си перфектно, но чиято слабост бяха така наречените интелектуалци - онези артистични волни птици, с които никога не би сключила брак.
Онези, които изчезват за 60 секунди, ако някоя им предложи, по какъвто и да е начин, подредена форма на обвързване. Почувствах се слаба, заради човешките слабости. Очевидно Мери, която бе с двадесетина килограма над моите, също имаше слаби ангели както всяка жена. На всеки му отслабват ангелите или му се подкосяват краката от нещо. Почувствах я близка и ми стана симпатична.

Аз да не би да нямах проблеми с ангелите?

Моите ангели се превръщаха в дракони, когато се появеше неочакваното. Мислиш си, че си яхнала дракона на щастието и си литкаш ли не залиткаш - щастливо усмихната... и тъкмо, когато си на най-високото и не ти се гледа надолу, че ще ти се догади от шубето да не паднеш… твоят Ангел вземе, че се превърне изненадващо в грозен осквернител на блянове – спец в курвенските извозвания и поиска да ти види сметката, която, както и да си я плащаш, върви с бонус – изхвърлянето ти по задник на земята.

Представих си, че има много жени по света като Мери, които умират от глад за интелектуална … силно духовна връзка и биха платили, за да ги водят за носа от начало до край.
- Сега той ме заплашва, че ще ме издаде — прекъсна мислите ми Мери.
- Кой ?
- Скротума. Има телефонни-видео записи на нашите дискусии:
„Самотата на простите числа” ; „Рискове на радикалната воля”; „Даоистки сексуални тайни и практики” … - тихичко и смутено произнесе Mери докато се озърташе, - както и на някои нежни, поетични джем-сешън плеяди.
Сега, представяш ли си… ме изнудва да забравя за интелектуалните ни и емоционални беседи, като иска „пълна програма” от моя страна, поне два пъти в седмицата, инак ме заплашва, че ще разтреби сесиите ни на обществеността... в и-нет селото, ей така, ще ми вади интимните ризи на показ! Бях готова да си плащам за интелектуалните ни срещи, но да си плащам, за да ме чука... да си плащам, за да му въртя свирки... колкото и да съм оглупяла и да съм се подхлъзнала... не мога да допусна. Може малко достойнство да ми е останало, но все още държа на него... на достойнството си, не на Скротума. Ти остави това, ама разбрах, че не само мене врътка. Кой знае колко женици издъхват оплетени в мрежите на Скротума, горкичките... А може и да не е сам… да е в конспирация. Що мислиш всички викат на феисбука - социалната мрежа, щото е създаден, за да те оплита.
- Има някаква логика – съгласих се искрено аз.
- Остарях, Светле, а все не поумнявам… Ненова, Ненова, трябва да ми помогнеш! Мъжът ми не само ще пукне, ако разбере, но и ще ме убие преди това - собственоръчно. А за шефа… не ми се мисли… Не искам и да помислям…

Знаех, че светът не е същият, нищо че винаги е бил сбъркан.
Надушвах… тоя матриархат съвсем ще ни довърши, не че патриархата предлагаше нещо по-добро.
Че курвите не бяха това което бяха, това за всички вече е ясно, но старият рекет… старите курвенски номера си бяха същите - изпитани и работеха… нищо, че вече не подбираха пола, в чиито ръце се превръщаха в опустошаващо човечността оръжие.
Знаех, че нета е станал средище на много образовани и артистични интелектуалци, които могат да са коварни, да се пъчат и вихрят безплатно на воля, под театралните си анонимни маски, но да са стигнали чак дотам, да изнудват горките самотници, страдащи единствено от глупота и доброта…

- Искам да се срещна със Скротума! – заповядах. – Трябва да измислим как да стане!
- Какво?
- Ще поема случая ти, Мери. Но ще ми даваш петдесетачка на ден, плюс разходите. Ще трябва много ДДС да покриеш.
- Да, но няма да ми струва колкото унищожението на малкото ми останало достойнство и сигурност… мъничкото нещица, в които вярвам и за които мечтая безнаказано. Знаех, че мога да разчитам на теб! Преди разследващата журналистка, работеше в института по психология към МВР, нали?- Ухили се тя насреща ми. - Ще те оставя да обмислиш по-задълбочено проблема ми и ще се чуем. До тогава ще те логна във фейса със Скротума, за да опипаш почвата му.

Вече Мери престана да се тресе като танцьорка на меренге и прошепна, макар още нервна: – Бях влюбена, представяш ли си? Истински влюбена… Бях готова на какво ли не за това момче… Как е възможно да съм такава непоправима глупачка! - след което се изпари като дим през вратата, оставяйки ме насаме с парфюма й, сладникаво удрящ слепоочията ми.

Още след два часа, бях помолена от фейсбук да позволя „приятелство” на Скротума.

После, той ме посрещна като специален гост в скротумната си мрежа от 2 999- приятели със закачливото:
„От кога чакам този миг, в който вече няма да виждам пронизващият ти ме поглед толкова нежелано далече… там в безформената купчина общи приятели, където никога не ти е било мястото.”

Че то нямаше ли ограничителна забрана до 3000 души? Коя ли е гризнала дръвцето, за да ме приеме на нейното място?
Биваше си го това, момче! Мери имаше право да се тревожи. И аз почувствах, че световният ми мир е застрашен.
Някой беше ли застрахован въобще?

Ето, два дни преди Мери да нахълта в кабинета ми, срещнах Анет – щастлива и пърхаща както винаги. Нали е дизайнерка - те артистите никога не допират земята. Та… Анет, ми разправи, че заминавала за Аржентина на шест-месечен семинар – срещу 13 000 Е, за да я обучат да не яде.
„Хранене на бъдещето” се казвал семинара, по време на който, жертвите му минават само на коренчета, чиста планинска вода и слънчева светлина. Нещо като на фотосинтеза – икономично, екологично и практично… признавам… ама как по дяволите става номера?

Верно е, че фотосинтезата е много хитър механизъм измислен от еволюцията, за да може природата да използва най-изобилните химични елементи като ги превръща в енергия, ама вкуса на свински джолан да го получаваш на прахче, разтворено във слънчева вода, си е чужда за мен перверзия. Не че съм стока! Под юргана, кой знае и аз какви ги върша, дето и Фройд няма да ги разбере, ама… Там щели да медитират по цял ден. Залата била срещу някакво езеро - чудна красота! Трябвало да я видя и аз тази неземна картина в подножието на планината. На семинара щели да бъдат и тримата мъже, по които Анет много си паднала - гурото й, диетологът и спонсорът й…

За това, била решила да си мълчи - да мине мълчанката към мълчаливите обети.
Много са модерни в днешно време мълчаливите обети.
В ерата на интернет… хем си мълчиш- хем си чатиш…

Една друга моя приятелка, три месеца мълча и после ми вика: „ Едвам намерих сили да проговоря, причините още ги търся”.

Ако се замисли човек, причини да мълчиш винаги има, но тези, които осмислят говоренето са в червената книга.
Добре, че хората почти спряха да мислят.
Така и Анет… решила била да мълчи поне месец… защото, както тя се изрази: „По-добре е да мълча… че иначе ще оплета конците… в Аржентина, там… пред невероятното езеро, ще бъда с тримата си любими мъже… и по тримата си падам и с тримата сексът е невероятен. Как да избера? Ами не мога. Значи не ми се налага.”

Като разбрах цената на семинара - 13 000 Е, ей такива очи опулих! И да намери кой да й ги плати?! ‘бах ти кризата – ‘бах ти немотията… Ква криза, бе?! 13 000 евра… и то за няколко торби коренчета… Сигурно, ако Анет се научи да не яде и успее да не умре, бая пари ще спести за бъдещето си.
Инвестиционният й риск, може и да си струва, ама не мога да й отрека, че авантюризмът й , не е просто гол и безразсъден, а и придружен с невиждан късмет.

- Как така стана, че заминаваш? Ами децата? До кога ще са в Индия при баща си, нали мрънкаха, че искат да се връщат? – питам я аз с тон, все едно обсъждаме цената на картофите и реколтата им тази година. Да не съм луда да се издам, че се пуля и се чудя, чуват ли ушите ми всичко това правилно.
- Стела е на 14 вече, а в Индия няма молове, в които да си уплътнява времето, щото са на океана, трябва да се бачка в заведението на татко й. А малкият вече му писна да се учи на сърф и да готви. – ми отговаря Анет. - Тук майка ми ще ги гледа… толкова приятели имам, две деца ако не могат да отгледат, как да разчитам на тях, тогава ?

Винаги съм харесвала логиката на Анет - чиста и красива математика.
Анет беше измислила как да работи най-оптимистично нелогичната логична система за решаване на проблеми, произтичащи от нестихващите й желания да задоволи наред с първичните си и възвишените си - всемирни нужди.

Колко хора познавате, които ще ви убедят, че бъдещето е в скъсването на зависимостта на тялото им с храната?

- В Аржентина ще се върна в себе си, не просто ще се срещам и разминавам с тялото си, както тук ми се налага. - напевно извибрира Анет, с леко дрезгавия си, но мелодичен глас. - Най накрая ще заживея в мир със себе си... Постепенно ще разкопчая старото си тяло и ще оставя новото да се скрои по мярка на душата ми… - нали е дизайнерка, знае как да крои опаковки. - На 37 г. съм и вече осъзнавам целта на енергийното хранене, осъзнавам пълноценно смисъла му... защото вече съм готова, вече съм способна да преживея широкия спектър от човешки качества, да се потапя в собствената си природа... Прогледнах... и сега вече знам, че храната, която консумираме, прикрива чувственото ни преживяване и ни лишава от дълбините на познанието.

Такава е Анет – вегетарианка от 20 години, храни се с чувства и със вселенска поезия.

- Няма ли да ти липсват децата? А ти на тях?
- Когато се върнеш в себе си - се помиряваш с тялото си... тогава се сливаш със същността си и с вселената... преставаш да пречиш на другите. Не мисля, че това ще им се отрази зле. Всеки има да учи своите си уроци.
- А от къде намери парите, кой ти ги даде? – хич не ми идва да прекъсна поемата й, но втрещението ми от резултата на нейното уравнение, мира не ми дава.
- Дълга история… ще ти разкажа накратко.
На спонсора ми жена му, е много богата и от сой. Цяло лято бях покрай тях двамата, в къщата им в Бояна… дизайнвах градината… каква аранжировка направих на прасковените дръвчета и езерото с лотусите… бедна ти е фантазията. Ще ти покажа снимки… Един ден, идва мацката, голям пич е тя - страхо-о-отна жена, може десет години да е по-голяма от него, но си личи, че й е синя кръвта. Викна ни двамата и се обръща към него, ама пред мен… и му казва: „Виждам аз, че ти изтичат очите и сърцето по Агнес… ”. Вземете тия двайсет хиляди евро и идете да се поразходите, ама надалеч, че да си почина малко… то не се трае вече, бе… всеки ден да ви гледам как се дебнете като разгонени котки и как ми се умилквате в краката жално. Така че, следващата седмица заминаваме за Аржентина.

Не я питах, откъде е измислила баш този семинар. Откакто я познавам, е все на йога или в Непал, на Гоа … на някоя високо и силно енергийно заредено, чудно хубаво мнестенце сред природата…, така че… беше съвсем естествено и очаквано да чуя, че заминава за Барилоче.

Завидях на Анет, че може да се храни с аромати и с кристали. Завидях й, че ще слага храна в устата си, само за да се наслади на вкуса й, а не за да не умре от глад. Завидях й, че ще спре да се трови поне с храната. Възхитих й се, че е влюбена в трима мъже и не желае да разкъса любовта си между тях, нито да я разпилее или да се откаже от нея… че ще ги обича и тримата. Възхитих се на обединяващата сила на Анет, на неклишираните й житейски уравнения, които успяваха да дадат резултат - безконфликтна единност.
В нейната математика, на вид противоречащи си и недостижими стойности, се подреждаха хармонично в обществено неочаквана и шокираща със съществуването си симетрия.
Възхитих й се, че иска да мълчи.
Че може да обича мълчаливо.
Завидях й, че си вярва.

Тялото ми се беше прибрало в панелния ми апартамент вече от няколко часа, а аз още не… продължавах да се скитам на други, невиждани места.
Рядко се прибирах в тялото си, а Анет прекрояваше своето по мярка - за душата си.
Изпитах дълбоко уважение към съзидателната женска природа на Анет.
Сетих се за Мери. Мери Иванова, която имаше сериозни проблеми с очарователен мъж, само с един, един – единствен мъж. Мъж, който владееше виртуозно изкуството да съблазнява, но мъж, който не умееше да обича.

Отворих лаптопа си, написах паролата за фейса и се отзовах в мрежата.

...

следва продължение

...

Наука на биричка

2012-01-12T14:29:00.032+02:00

...

Преди да прибавя към основната плетка от системология и математика, която съм занизала, необходимата серия постове за клетката, човешкото тяло, нервната система и мозъка, за целите на подробното представяне и разгръщане на моята ВСИЧКООБЕДИНЯВАЩА СИСТЕМНА теория „ПАКОСТ” ,
съм длъжна да направя,
макар и общ преглед на концепцията за молекулата и атома, както и на Квантовите теории изучаващи „податомния свят”, които заченах от тук: „ Природа на светлината”., но които прекъснах с МАТЕМАТИКА - I и II чсти, за да поставя основи на изложението си.

В постовете ми ще има предимно дълбоко известни факти.

Новото, което ще се опитам да предложа, е специфичната им подредба, чиято цел е да онагледи иначе оставащи незабелязани въпроси.

Освен че, ще се позовавам на банално известни научни факти, когато мога ще препращам с линкове и към подробни и добре разработени статии по темите, които излагам, за да не трупам и преповтарям излишно съдържание, което отдавна някой друг прилежно е систематизирал.

От какво е направена вселената?
От какво е изградено всичко около нас?
От какво сме направени ние?

От какво е изграден… от какво продължава да се изгражда света (ни) и кои… какви закони (го) управляват ?

Това са въпроси, които хората са си задавали от древността, но теорията за състава на материята, според която тя е изградена от отделни единици, се оформя постепенно от химията, физиката, математиката и биологията.

Материята,
най-общо казано е всичко, което има маса и обем.
Материята може да се определи и като субстанцията, от която са съставени атомите и молекулите. Тя може да съществува в пет агрегатни състояния: твърдо, течно, газообразно, плазма и Бозе-Айнщайнова кондензация.
Материята е само 4% от познатата вселена, останалото е 23% тъмна материя и 73% тъмна енергия.

Първоначалното знание за материята е свързано с понятието – ВЕЩЕСТВО.

Веществото
е една от формите на съществуване на материята, която за разлика от полето се характеризира с маса в покой.
/ на фона на тази информация сега разгледайте формулата на Айнщайн/

Веществото се състои от елементарни частици — фермиони, сред които най-често срещаните са: електрони, протони и неутрони.
Последните две образуват атомното ядро, а всичките три — атомите, молекулите, кристалите и т.н.
/ще има специален пост посветен на качествата, видовете и класификацията на елементарните частици, за това тук само маркирам/

Свойства на веществото

Веществото се характеризира с маса.

Телата се привличат едно друго със сила, пропорционална на техните маси – така наречените гравитационни сили. В ежедневния живот приравняваме масата с тегло, което е всъщност мярка за гравитационната сила между него и Земята. Светлината не е вещество, макар че може да променя пътя си в гравитационно поле.
През двадесети век хората откриват, че веществото може да се превръща в енергия и обратно.

Форми на съществуване на веществото

Веществото съществува в различни форми, наричани също агрегатни състояния:

ТВЪРДО ТЯЛО
Твърдите тела имат постоянна форма.
Повърхността на твърдото тяло не се променя значително при въздействие.
Скалите, дърветата и ледът са примери за твърди тела.

ТЕЧНОСТ
Течностите заемат формата на съда, в който са поставени.
Повърхността на течността се променя значително при въздействие.
Водата, лавата са течности.

ГАЗ
Газовете също заемат формата на съда, в който се намират.
Газовете лесно се преместват при въздействие.
Въздухът, който дишаме, е съставен от газове.
Водната пара е газ.
Течностите и газовете се наричат още флуиди.

ПЛАЗМА
Плазмата е газ в състояние на висока йонизация
Йоносферата и слънчевата корона са примери за плазма.
В нормални условия на Земята повечето вещества съществуват в едно или две агрегатни състояния.
Под влияние на външни фактори като например температура и налягане те могат да преминават от едно агрегатно състояние в друго.
Водата е единственото вещество, което се среща в природата в трите агрегатни състояния.

ПОЛЕТО
във физиката,

е „разширена” ФОРМА НА СЪЩЕСТВУВАНЕ НА МАТЕРИЯТА,
характеризираща всички точки на пространство-времето и притежаваща БЕЗКРАЕН брой степени на свобода.

Във всяка точка от пространството полето се характеризира с определена физична величина, която като правило се променя при прехода от една точка към друга.
В зависимост от математическия вид на тази величина има скаларни, векторни, тензорни и спинорни полета.

В зависимост от своята природа полетата се делят на електромагнитни, гравитационни, вълнови (квантувани) и полета на ядрени сили.

Полето се проявява като взаимодействие между телата, което е преносимо и се осъществява с крайна скорост
(при това силата на взаимодействие се определя от различни характеристики на телата: масата в случай на гравитационно поле, електрическия заряд в случай на електромагнитно поле и т. н.).

ВИДОВЕ ПОЛЕТА

- Електрическо поле
- Магнитно поле
- "Гравитационно поле" , Гравитация ;
понеже точно в тази точка стават най-големите мистерии във физиката в момента, ще ви насоча и към друга статия - "Гравитомагнетизъм"; "Гравитация" ;

Дълго време се е считало, че полето е само едно нагледно теоретично обяснение на такива явления като светлинните вълни, докато през 1887 г Хайнрих Херц не доказал съществуването на електромагнитното поле експериментално.

Квантова теория на полето

е раздел на физиката, изучаващ поведението на квантовите СИСТЕМИ с безброй много степени на свобода.

Тя се явява теоретична основа за описание на микрочастиците, техните взаимодействия и преобразувания.

На квантовата теория на полето се основават физиката на елементарните частици и физиката на КОНДЕНЗИРАНАТА МАТЕРИЯ.

За момента квантовата теория на полето може да се приеме за ефективна полева теория, което означава, че съществува максимална енергия за която тя е приложима.

Математическият апарат на квантовата теория на полето е Хилбертовото пространство на състоянията и действащите в него оператори. Обектите в него са пространствени вектори, описващи възможните състояния на квантовото поле.

Основите на теорията се полагат през 1920-те, когато възниква необходимостта от създаване на квантова теория на електромагнитното поле.

През 1926 година Макс Планк, Паскуал Йордан и Вернер Хайзенберг създават такава теория, като изразяват вътрешните степени на свобода на полето като безкраен набор хармонични трептения, използвайки процедурата за квантуване на тези трептения.
/подробно ще разкажа за това в поста за елементарните частици/

В квантовата физика механизмът на взаимодействие се обяснява с обмена на частици, специфични за всяко поле
(фотони за електромагнитното поле, хипотетични гравитони за гравитационното и т. н.).

Фундаментални взаимодействия във физиката са

четири напълно различни в същността си взаимодействия между елементарните частици и телата, които изграждат. Много от усилията в съвременната физика са насочени към намиране на една обща единна теория, която да обедини всички взаимодействия. Днес се счита, че всички елементарни частици се подчиняват на тези четири основни класа взаимодействия:
силните, електромагнитните, слабите и гравитационните.

Нека разгледаме по-подробно тяхното предназначение - ролята, която природата им е определила.

Силните взаимодействия
заемат първо място в йерархията на природните сили.
Най-ярката проява на тези взаимодействия са ядрените сили, които осигуряват стабилността на ядрата, а от там и на целия съществуващ свят.

Електромагнитните взаимодействия
осигуряват стабилността на атомите и молекулите.
На тях се дължат всички явления във видимия свят: електромагнитни и оптични явления; химически превръщания; агрегатно състояние; сили на триене, на деформация, на повърхностно напрежение и т.н.

Слабите взаимодействия отговарят за разпадането на елементарните частици и за бета-превръщанията на атомните ядра.
Всички процеси, които протичат с участието на неутрино, се обуславят от тези взаимодействия. Това засяга и термоядрените процеси на Слънцето и в звездите. Следователно слабите взаимодействия „управляват" еволюцията на звездите.

Гравитационните взаимодействия
са универсални, но към момента преобладаващо се счита, че се проявяват най-вече в макроскопични мащаби.

В съвременната физика е прието, че всички взаимодействия се осъществяват чрез „посредници" - кванти, преносители на взаимодействията.

/подробно ще разискам това в пост, специално послветен на квантовата физика за елементарните частици и техните взаимодействи/

В днешно време елементарните частици се класифицират въз основа на
СТАНДАРТНИЯ МОДЕЛ —
теория, която систематизира и обяснява всички експериментални наблюдения във физиката на високите енергии и ядрената физика до този момент.

Стандартният модел обединява електромагнитното и слабото взаимодействие в единно електрослабо взаимодействие.

Съществуват теории, които разширяват стандартния модел и обединяват и другите взаимодействия, но те все още не са потвърдени експериментално.

Теориите на Великото обединение (началото на 80-те години) обединяват силното и електрослабото взаимодействие.
Под велико обединение (Теория на великото обединение, англ. Grand Unified Theory - GUT) се има предвид, която и да е от няколко сходни теории на обединеното поле, които предсказват, че при много високи енергии (над 1014 GeV), електромагнитното, слабото ядрено и силното ядрено взаимодействия се сливат в единно обединено поле.

Суперструнната теория (края на 80-те години) обединява всичките четири взаимодействия. Същото се стреми да направи нейната конкурентна Примкова квантова гравитация (от края на 90-те години).

Първото обединение обаче е това на електричеството и магнетизма за създаване на единна електромагнитна теория, заслугата за което е на Джеймс Максуел.

Стандартният модел е подкрепен с огромен експериментален материал. Някои негови предсказания, като например аномалният магнитен момент на електрона, са едни от най-точните в човешкото познание. Съвпадението между теория и експеримент в този случай е 10 части на трилион (10 на -11)

Като всяка добра физическа теория, стандартният модел има граници на валидност. Експериментално той е изучен до енергии от около 150 GeV, които съответствуват на разстояния не по-малки от около 10 на-20 m.

Теоретично, той би могъл да бъде валиден до много по-високи енергии (тъй като всички негови взаимодействия са пренормируеми и константите на взаимодействие се изменят само логаритмично с енергията).

В крайна сметка, съществува енергетичен мащаб, при който дори теоретично стандартният модел престава да бъде валиден и трябва да бъде заместен от друга теория, на която той е ниско-енергетична граница.

Стандартният модел, както и всяка друга квантова теория на полето е фундаментално несъвместим с Общата теория на относителността (ОТО).
Последната обаче, може да бъде линеаризирана и в този орязан вариант да бъде квантувана.
Частицата, която пренася гравитационното взаимодействие в тази квантова теория се нарича гравитон. Той, както и всички останали ефекти на квантовата гравитация не са наблюдавани експериментално.

Опити да се създаде високо-енергетична теория, която включва стандарния модел и пълната "квантова версия" на ОТО са Суперструнната теория и Примковата квантова гравитация.
Тези теории страдат най-вече от това, че нямат експериментално потвърждение.

Много от физиците очакват, че скоро (например в експериментите с Големия адронен колайдер в ЦЕРН), ще бъде открита физика отвъд стандартният модел.

Една от възможностите е за проявяване на суперсиметрия при мащаба на слабите взаимодействия (който е и енергетичният мащаб на експериментите).

Точният вид на теорията, която включва тази суперсиметрия е неизвестен, но е възможно да се формулира най-малкото възможно суперсиметрично разширение на стандартния модел.

В настояще време отсъства пълноценна теория на квантовата гравитация, но се счита за възможно квантуването на слаби възбуждания на гравитационното поле.

В рамките на такава ЛИНЕЙНА теория, гравитонът е именно това възбуждане.
Поради факта, че гравитационното взаимодействие е изключително слабо, експерименталното наблюдаване на отделни гравитони е все още невъзможно.

Хипотезата за съществуването на гравитони се появява благодарение на успеха на квантовата теория на полето (и особено на Стандартния модел) при моделирането на останалите фундаментални взаимодействия с помощта на подобни частици:

фотоните в електромагнитното взаимодействие, глуоните в силното взаимодействие, W и Z бозоните в слабото взаимодействие. По аналогия, за гравитационното взаимодействие също трябва да има частица.

Обаче опитите да бъде разширен Стандартния модел с гравитоните се натъква на сериозни теоретически сложности в областта на високите енергии (равни или надвишаващи енергията на Планк).

На решаването на този въпрос са посветени няколко теории на квантовата гравитация и в частност теорията на струните. /подробно ще я представя в отделен пост/
Според нея гравитоните (също както и другите частици) представляват не точкови частици, а състояния на струни, при това не се появят горните проблеми при високите енергии, а в същото време при ниски енергии гравитоните могат да се разглеждат като точкови частици.
Тоест, гравитонът е вид приближение към реалността, което може да се използва в областта на ниските енергии.

Най-важната ми цел в „излагането на „ПАКОСТ”,
е да покажа как МАТЕМАТИКАТА, ХИМИЯТА, ФИЗИКАТА, БИОЛОГИЯТА и ПСИХОЛОГИЯТА
се допълват и преплитат в търсенето на отговорите на тези въпросите от какво сме направени, от какво е направена вселената, какви закони я управляват и как си взаимодействат градивните елементи, независимо, че често „различните” на пръв поглед науки, правят това, като се фокусират в различни научните изследвания.

ХИМИЯТА търси и определя законите за взаимодействие между веществата, съставени от атомите и молекулите, в резултат на които се ОБРАЗУВАТ и РАЗРЕШАВАТ ХИМИЧЕСКИТЕ ВРЪЗКИ,

докато ФИЗИКАТА разглежда физическите закони, определящи СТРУКТУРА и СВОЙСТВА на формите на материята въобще, не само на веществото, но и на полето.

Биологията се фокусира върху изучаването на атомната и молекулна систематика в клетки и изградените от тях органични системи. Нейният предмет е изучаването и систематизирането на явленията.

Биологията често събира химията и физиката, чрез биохимията, биофизиката, неврофизиологията, генетиката, микробиологията и т.н. и т.н.

На практика обаче, преобладаващата част от проявленията на материята във видимия и осезаем от нас свят, не могат да бъдат разединени и ясно раздробени, така че да бъдат описани единствено от гледната точка на само един дял от науката.

Математиката

представлява съвкупността от знания, изучаващи понятия като количество, структура, пространство и промяна. Тя също би могла да се дефинира като наука, която се занимава с горепосочените понятия, с пространствените форми и количествените отношения. Бенджамин Пърс я определя като „науката, която съставя необходими заключения“. Други специалисти по математика твърдят, че математиката е наука за моделите и че математиците търсят модели (закономерности) в областта на числата, пространството, науката, компютрите и т.н. Математиците често изследват подобни понятия с цел да формулират нови хипотези и да установят тяхната достоверност, служейки си с първични понятия, аксиоми, теореми, доказателства, спазвайки правилата на логиката. Има някои вътрешни за математиката дисциплини, които служат за обосноваване на получените от нея резултати, за намиране и изучаване на общи за различните математически дисциплини закономерности и за подпомагането им.
Такива са, например теорията на множествата, математическата логика, алгебрата, топологията и функционалният анализ.
/подробно ще разкажа за всички тези дялове в математиката като междувременно продължа с поредицата математични постове/

Физиката

е естествена наука, изучаваща общите и фундаментали закономерности, определящи структурата и еволюцията на материалния свят.

Физиката е точна наука, което означава, че се занимава с намирането на количествено описание на природните явления.

Физиката се основава на теории, които дават ясни, измерими предвиждания. За физични се приемат само експериментални резултати, които могат да бъдат независимо възпроизведени. Такива резултати могат да потвърдят или отхвърлят дадена физична теория. Теоретичната и експерименталната физика са тясно свързани − понякога развитието на физичните теории мотивира провеждането на нови експерименти, а понякога нови експериментални данни провокират създаването на нова теория. За изучаването на природните явления тези два подхода са еднакво важни.

Физиката е една от най-старите области на познанието, макар в древността да не е оформена като отделна наука. Дълго време физиката и философията се ползват като синоними и едва в резултат на Научната революция от XVI-XVII век физиката се обособява като отделна наука.

Значението на физиката в съвременния свят е огромно. Новите ѝ идеи и достижения водят до развитието на другите науки и до нови научни открития, които от своя страна намират приложение в техниката и промишлеността.

Така например, изследванията в областта на електромагнетизма водят до появата на телефона, електромотора, влаковете на магнитна възглавница; откритията в областта на термодинамиката правят възможно построяването на автомобила, а развитието на радиоелектрониката води до появата на компютрите.

Въпреки невероятното количество натрупани познания за света, човешкото разбиране за процесите и явленията непрекъснато се мени и развива, новите изследвания повдигат нови и нерешени въпроси, за които трябват нови обяснения и теории. В този смисъл физиката е в непрекъснат процес на развитие и все още далече от възможността да обясни всички природни явления и процеси.

Физиката има за цел изучаването на широк спектър от предмети и явления от всички възможни мащаби: от елементарните частици до най-големите звездни купове от галактики. В това число се включват и градивните елементи, изграждащи всички тела в природата, поради което физиката се нарича „фундаментална наука” .

Физиката има за цел да опише различните сложни явления, наблюдавани в природата, като ги свежда до по-прости явления. Така физиката цели да обясни нещата, които ни заобикалят, като установи техните причини и след това се опитва да свърже тези причини помежду им в желанието да се намери окончателно обяснение на вечния човешки въпрос — защо природата е такава, каквато е.

Например в Древен Китай било наблюдавано, че определени скали (магнетит) се привличат една друга чрез невидими сили. Този ефект по-късно е наречен магнетизъм и бива сериозно изучен за първи път през 17 век. Малко по-рано, преди китайците, древните гърци са познавали свойствата на кехлибара, който при триене в кожа също предизвиква ефект на привличане. Това явление също е изучено подробно през 17 век и бива наречено електричество. В този смисъл физиката си поставя за цел да обясни нещо, наблюдавано в природата, според неговите причини.
Чак през 19 век с по-нататъшния напредък на науката се разбира, че споменатите две явления — електричество и магнетизъм — са само два различни аспекта на едно и също взаимодействие — електромагнитното.
Този процес на задълбочаване на знанията продължава и днес.

Физиката използва като научен метод емпиричната проверка: валидността на всяка физична теория се тества, като направените според нея хипотези и заключения се сравняват с резултати, извлечени от проведени експерименти и наблюдения.
Теории, които са добре подкрепени с експериментални данни и никога не са били опровергани с емпиричен опит (т.е. издържат емпиричната проверка), често се превръщат в научни закони или природни закони.
Разбира се, всички теории, включително научните закони, могат винаги да бъдат заместени от нови, по-точни твърдения, които се търсят, когато има някакво несъгласие на дадена теория с наблюдаваните експериментални данни.

При физиката има доста по-голяма степен на разделение между теория и експеримент, отколкото при други науки. Още от 12 век повечето физици се специализират или в теоретичната, или в експерименталната физика и съответно се наричат теоретици и експериментатори.
(В противовес на това, почти всички успешни теоретици в биологията или химията /например американският квантов химик и биолог Лайнъс Полинг/ са били също и експерименталисти, макар това да се променя в последно време.)

Теоретиците се стремят да развият математически модели, които едновременно да описват съществуващите експерименти и успешно да предвиждат бъдещи резултати, докато експериментаторите предлагат и извършват експерименти, за да проверят теоретичните предвиждания и да изследват нови явления. Макар че теория и експеримент се развиват от различни учени, те са силно свързани помежду си.

Прогресът във физиката често се осъществява, когато учените направят експериментално откритие, което съществуващите теории не могат да обяснят или, от друга страна, когато нови теории генерират предположения, подлежащи на проверка, вдъхновявайки поставянето на нови експерименти.

Също така има физици, които работят едновременно върху теория и експеримент и които се наричат феноменологисти.
Феноменологистите свързват емпирични наблюдения над определени феномени помежду им по начин, който е в съгласие с фундаменталната теория, но не произтича директно от нея.

Теоретичната физика е исторически вдъхновена от философията и метафизиката, например обединението на електричеството и магнетизма в единна теория — електромагнетизъм е станало по този начин.

Извън познатата ни Вселена, в полето на теоретичната физика се включва и боравенето с хипотетични въпроси, като паралелни вселени, мултивселена и по-високи измерения.
Експерименталната физика е в основата на техниката и технологиите.
Експериментаторите в областта на фундаменталните изследвания работят например с ускорители на частици и лазери, докато тези в областта на приложните изследвания често работят за индустрията, например създавайки транзистори или метода на ядрен магнитен резонанс.

В голяма степен физиката произлиза от древногръцката философия - от първия опит на Талес да характеризира материята, през заключението на Демокрит, че материята трябва да се редуцира до инвариантно състояние и астрономията на кристалния небосвод на Птолемей до книгата на Аристотел Физика гръцките философи развивали различни възгледи и теории за природата. Чак до средата на 18 век физиката се нарича естествена философия (натур-философия).

Към 19 век физиката вече се възприема като позитивна и отделна наука, различна от философията и другите науки. От друга страна, физиката заедно с другите науки разчитат на философията на науката да даде адекватно описание на научния метод. Научният метод включва априорно и апостериорно мислене, както и вероятностни оценки, за да се прецени валидността на дадена теория.

Развитието на физиката дава отговори на много от питанията на ранните философи, но в същото време поставя и нови въпроси.

Изследването на философските въпроси, отнасящи се до физиката, включва по-конкретно теми като: същност на пространство-времето, детерминизъм, както и метафизически перспективи като емпиризъм, натурализъм и научен реализъм.

Много физици са писали върху философските аспекти на тяхната работа, например Лаплас, който първи засяга темата за каузалния детерминизъм и Ервин Шрьодингер, който пише върху квантовата механика.

Математическият физик Роджър Пенроуз e наречен платоник от Стивън Хокинг, което пък е коментирано от Пенроуз в неговата книга Пътят към реалността Хокинг, от своя страна, нарича себе си "безсрамен редукционист" и спори с възгледите на Пенроуз.

Основните теории във физиката са

Класическа Механика;
Електромагнетизъм;
Термодинамика и статическа физика;
Квантова механика;
Теория на относителността

Астрофизиката

е клон на астрономията, който изучава преди всичко свойствата на астрономическите обекти във Вселената (плътност, температура, химичен състав и други). Такива обекти могат да бъдат звезди, комети, планети, галактики, междузвездната среда.
Астрофизиката е раздел от Астрономията, която е една от най-древните науки. За разлика от нея, е сравнително нова наука.

Теоретичната астрофизика се занимава с изучаване на състава и еволюцията на Вселената като СИСТЕМА, като създава аналитични модели и теории и ги съпоставя основно с наблюдения тъй като експериментите са значително затруднени поради големината и отдалечеността на обектите.
Постиженията на науката и техниката спомагат за усъвършенстването на тези модели и по-добри статистически предвиждания. Едни от тези теории са тази за тъмната материя, Големият взрив, ΛCDM (ламбда-CDM).

Ядрената астрофизика е раздел на физиката, получен при припокриване на области като астрономия, ядрена физика и физика на елементарните частици. Тя изучава и обяснява формирането (посредсвом ядрени реакции) на химичните елементи.
Нейни обекти са ранната Вселена, междузвездната среда, червените гиганти и супернова, които биват изследвани с помощта на комплексни компютърни модели.

Химията

е наука, която изучава състава, структурата, свойствата и поведението на веществата (химичните елементи и техните съединения), както и преобразуванията им вследствие на различни химични реакции.
Химията е природна наука, свързана с изследванията на атоми, молекули, йони и други форми на веществата, както и на идеите за енергия и ентропия във връзка със спонтанността на химичните процеси.

Поддисциплините на химията се групират според вида на веществата, които се изучават, или според начинът на тяхното изследване. Така неорганичната химия изучава неорганичните вещества, органичната химия - органичните съединения, биохимията — веществата и химичните процеси в живите организми, физикохимията — трансформациите на енергията при химичните процеси, аналитичната химия - състава и структурата на веществата. През последните години се обособяват множество специализирани и интердисциплинарни области, като например неврохимията, химичното изучаване на нервната система.

В химията е прието всички изучавани обекти да се разглеждат като индивидуални вещества (или химични елементи), смеси от тези вещества и техни съединения.
Под индивидуално вещество се разбира абстрактно понятие, обозначаващо набор от атоми, СВЪРЗАНИ един с друг по определен закон по строго специфичен начин.

Границата между индивидуалното вещество и сместа от вещества е доста размита, защото съществуват вещества с непостоянен химически състав, за които не може да се напише точна химическа формула. Освен това индивидуалното вещество си остава абстракция, тъй като абсолютната чистота на дадено вещество практически е недостижима. Това означава, че всеки конкретен, реално съществуващ образец представлява някаква смес от вещества дори и когато едното от тях силно преобладава. Независимо от привидната изкуственост на това ограничение, много често чистотата на веществото играе ключова роля за неговите свойства. Така например, знаменитата якост на титана се проявява едва след като от него е отделен кислородът — неговото съдържание не бива да надминава определени граници (по-малко от стотни от процента).

Два големи раздела в химията разглеждат органичните и неорганичните вещества, като разделението се прави според наличието (в органичната химия) или отсъствието (в неорганичната химия) на ВЪГЛЕРОДНИ ВЕРИГИ ( ПРАВИ и ЗАТВОРЕНИ).
Все пак разделението е условно и не е пълно, защото има много припокриване, например разделът металоорганична химия.

Биологията

е природна наука, изучаваща живота и живите организми, включително тяхното устройство, начин на функциониране, растеж, разпространение, произход и развитие, таксономия, връзките между тях и неживата природа.
Биологията е обширна област на познанието, включваща множество подразделения, теми и дисциплини.

Сред най-важните теми са петте обединяващи принципа, които могат да бъдат наречени основополагащи аксиоми на съвременната биология:
клетъчната теория и теориите за еволюцията, гените, енергията и хомеостазата.

Подразделенията на биологията се разграничават едно от друго според мащаба, в който се изследват организмите, и според методите за тяхното изследване. Така биохимията изучава елементарната химия на живота, молекулярната биология - сложните взаимодействия на системи биологични молекули, клетъчната биология - клетките, физиологията — химическите и физични функции на тъканите, органите и системите, а екологията — взаимодействието на различните организми с окръжаващата среда.

Тук погледнете класификацията на биологичните науки, която умишлено изнесох в отделен пост.

Научното знание съществува откакто съществува човечеството, хората са се опитвали да си обяснят естествения свят още от древността. Цивилизации се раждат и умират, а знанието се пренася от едно място на друго, допълва и разширява, а понякога се губи и преоткрива отново.

Преди да започна да разказвам приказки за системата - КЛЕТКА и надсистемите, които тя изгражда, преди да „увелича мащаба”, В НЯКОЛКО ПОСТА, ще се фокусирам над системата - АТОМ -
Т.е ще се опитам да илюстрирам подробно ПРЕПЛИТАНЕТО на МАТЕМАТИКАТА, ХИМИЯТА и ФИЗИКАТА в усилията им да представят картина на градивните частици на материята.

...
Който се интересува по-дълбоко от физиката може да погледне този списък от книги на Ностро .

продължавам със "Светът на и вътре в атома".

...

Струнен свят

2012-01-10T14:58:00.000+02:00

...

СТРУНЕН СВЯТ

Ханс Кристиан фон Байер,

професор по физика в У-та на гр. Уилямсбърг, щат Вирджиния

Заменяйки точковите частици с невъобразимо малки нишки, физиците може би ще успеят да включат гравитацията в единната картина на света.

Струнната теория беше извадена на бял свят, след като блестящият Едуард Уитън от Института за перспективни изследвания в Принстън, Ню Джързи, в продължение на две десетилетия води героична борба с недоволното ръмжене на редица авторитетни физици, склонни да принизят тази теория до равнището на занимателната математика. Необикновено надареният със способността аргументирано да убеждава защитник на тази теория Брайън Грийн, професор едновременно по физика и математика в Колумбийския университет, публикува манифест под формата на великолепна популяризация, озаглавена: Изящната Вселена - свръхструни, скрити измерения и търсенето на окончателна теория. Многобройните му материали в различни списания и даже участието му в телевизионни предавания бележат раждането на нова звезда в научната популяризация от мащабите на Карл Сейгън и Стивън Хокинг. Казано накратко, струните излязоха на сцената.

Струнната теория е основана върху все още непотвърдената хипотеза, че елементарните съставни части на материята не са точкови, както вярваха до неотдавна почти всички учени, а извънредно малки и усукани едномерни образувания - "струни". Струните могат да бъдат затворени примки, подобни на еластични пръстенчета, или отворени сегменти, подобни на влакънца. Но и в двата случая става дума за невъобразимо малки размери: струните, ако те изобщо съществуват, трябва да са трилион трилиона (1024) пъти по-малки от атома и са безнадеждно отвъд възможностите както на кой да е микроскоп, така и на сондиращите снопове на кой да е ускорител.

Нещо повече, струните трептят - точно както ако някой с неизмеримо малки пръсти ги подръпва, а ако са прикрепени към цигулката, виолата, виолончелото и контрабаса на някакъв субатомен оркестър, те ще излъчват "звуците" на техните основни честоти и обертонове. Основните честоти и обертоновете съответстват на различните видове фундаментални частици. Предполага се, че комбинирането на струните би могли да възпроизведе многообразието на наблюдаваните частици и техните взаимодействия.

Най-привлекателната черта на струнната теория, благодарение на която тя издържа през десетилетията на съмнения и даже на отричане, е нейната уникална способност да включи гравитацията в описанието на фундаменталните природни сили. Свидетелство за трудностите, свързани с гравитацията, са останалите безплодни усилия на Айнщайн, който през целия си живот търси наричаната от него "обединена теория на полето" -теория, която би обхващала по единен начин гравитацията и останалите природни сили,
каквато например е електромагнитната сила. Много други теоретици също са се опитвали да включат гравитацията в единна теория и неуспехът ги е карал в крайна сметка да се откажат от самата идея за обединението.

От друга страна възможностите на струнната теория за постигане на обединена картина, включваща гравитацията, се заплащат с неимоверно висока цена на теоретични трудности. Измежду странните особености в привидно бездънната сложност на тази теория са настойчивото твърдение, че светът има най-малко десет измерения (вместо познатите четири измерения на пространство-времето) и че взаимодействията на самите струни се описват от красивата, но концептуално трудна математика на поничките и усуканите повърхнини. Многобройните особености на тези страховити идеи са изящно и прозрачно изложени в книгата на Грийн. И при все че струнната теория загръща внушителната си обяснителна мощ в почти непробиваема за неспециалистите опаковка от математическа сложност, тя от друга страна повдига наново някои прости и заедно с това дълбоки въпроси, които са вълнували теорията на веществото от времето на гръцката древност. Казано накратко, непрекъсната или дискретна е Вселената, а заедно с нея веществото, силата, пространството и времето?

Общоприетата теория, описваща елементарните съставни части на материята и фундаменталните природни сили - с изключение на гравитацията, - доби особено развитие през последните няколко десетилетия. Физиците до такава степен са убедени в нейната вярност по същество, че я наричат "стандартен модел". Нейни фундаментални същности са от една страна частиците на веществото - кварките или лептоните, а от друга - преносителите на сили, каквито например са фотоните или частиците на светлината, които служат като посредници за взаимодействията между частиците на веществото. (Напр. фотоните са посредниците за електромагнитните взаимодействия.)

Макар че всяка частица е обвита в пашкул от преносители на силите, поради което в редица случаи истинската природа на частиците остава скрита, в стандартния модел всяка фундаментална частица се разглежда в крайна сметка като точкова. Да вземем за пример електрона - познатия носител на електричеството. Нито един експеримент досега не е показал, че тази частица има протяжност, т. е. краен радиус. Заедно с това не е успявал нито един опит в стандартния модел да се припише на електрона ненулев радиус. С други думи, макар че електронът притежава внимателно измерена и възприета от всички маса, точно определен електричен заряд и даже своеобразен магнетизъм (свързан със спина му), той все пак няма никакъв размер. Това просто твърдение, освен че изисква твърде много от въображението, лежи в основата на един от най-заплетените проблеми в теоретичната физика.

За математиците точката е възможно най-простото мислимо понятие. По-малка от острието и на най-острия молив, тя е така примитивна, че в съвременните формулировки на Евклидовата геометрия се разглежда като основен геометричен обект, който изобщо не се нуждае от словесна дефиниция. Но за физиците, които имат работа с реалния свят, а не само с неговото абстрактно математическо описание, идеята за точка, която в буквалния смисъл на думата няма никакъв размер, е истинска загадка.

Да си представим например твърд конус, подобен на шапката на клоун, и мислено да го разрежем с хоризонтален удар на много остър нож. В мястото на среза долният ръб на горната половина и горният ръб на долната половина очевидно са окръжности, но дали размерите им са еднакви? Моите студенти от началните курсове неизменно твърдят, че
долната окръжност трябва да е съвсем малко по-голяма от горната - иначе конусът не би могъл да се стеснява до точка при върха си. Когато ги накарам да пояснят колко е това "съвсем малко", те се объркват, но въпреки това държат на първоначалния си отговор.

Ако въпросът се прехвърли от областта на математиката към реалния свят, интуитивният отговор на студентите е по същество правилен. Реалният конус е изграден от атоми и от долу до горе всеки слой атоми е по-малък от лежащия под него. Срезът разделя конуса в два атомни слоя и долният е съвсем малко по-голям от горния слой. Физиците избягват абстрактните логически гатанки с математическите точки, като вместо тях си представят малки обекти с краен размер, подобни на песъчинки.

За беда природата не е така сговорчива. Макар че атомът наистина притежава измерима големина - той е около 100 000 пъти по-малък от този на най-дребната песъчинка, - електронът като че ли няма никакъв размер. А това води до твърде неприятни последствия за теорията на веществото.

Електрическото притегляне между частица с положителен и частица с отрицателен заряд се мени обратнопропорционално на квадрата от разстоянието между тях. Например, ако преместим двете частици така, че разстоянието между тях да стане наполовина от първоначалното, тяхното взаимно притегляне ще се увеличи четири пъти. Точно същата връзка е в сила и за гравитационното притегляне между две частици на веществото, макар че електромагнитното притегляне между две субатомни частици е близо 1040 пъти по-силно от тяхното гравитационно привличане.

Колкото повече разстоянието между двете частици клони към нула, толкова повече силата между частиците - електромагнитна или гравитационна - се приближава към безкрайност. Това е откровено абсурдно предсказание и сигурен признак, че нещо не е в ред с теорията, въплътена във формулата. Подобен абсурд не би възникнал при твърди тела, защото диаметрите им са по-големи от нула. Така например гравитационната сила между две твърди топки - да речем, ябълка и Земята - се определя от разстоянието между техните центрове на масите. И тъй като двете тела се допират, преди центровете им да съвпаднат, всичко е нормално. Ако обаче двете тела са точкови, каквито вероятно са електроните, разстоянието между тях може да се свие до нула и така теорията да се опорочи с фалшиви и неуправляеми безкрайности.

Прост мислен експеримент показва защо законите за обратно квадратичните зависимости на електромагнитните и гравитационните сили са приложими за точки, но не непременно за обекти с крайни размери. Да разгледаме гравитационната сила между топка за бейзбол и обръч за хулахуп. Когато топката се постави точно в средата на обръча, разстоянието между двата центъра на масите става равно на нула. Ако формулата за силата е валидна винаги за центровете на масите на протяжни обекти, гравитационното привличане между топката и обръча би станало безкрайно. Но действителната сила на притегляне между двете тела всъщност изобщо не расте.

Проблемът с това пресмятане е, че силовият закон е валиден за точки, а не за обръчи. В действителност отделните части на обръча притеглят топката по еднакъв начин навън, така че действията им взаимно се компенсират и силата върху топката е точно нула, а не безкрайност. Масата на обръча е разпределена по сравнително голямо разстояние и затова нейният ефект се размива. По подобен начин всички тела с ненулеви размери,
включително ябълките и планетите, разпределят ефектите на гравитацията до такава степен, че силите между тях остават крайни.

Близо две десетилетия, от 1930-те до 1950-те години, мъчителните проблеми с безкрайностите в квантовата теория на светлината и атомите, породени главно от необходимостта да разглеждаме електроните като точкови, бяха причина за неимоверни математически усилия. За да се отърват от безкрайностите - или поне за да ги скрият, - физиците измислиха сложна схема, наречена пренормировка (ренормализация). Първоначално уравненията се преработват така, че нежеланите безкрайности да се групират заедно с членовете за масата и заряда на електрона. След това на мястото на тези теоретически безкрайни величини весело и безгрижно се поставят измерените крайни стойности за електрона.

Схемата проработи великолепно: пренормировката предсказва експериментални измервания с десетзначна точност. Но въпреки забележителните успехи Ричард Файнман, един от архитектите на пренормировките, нарече тази процедура "шантав процес", "игра на тука има, тука няма" и "фокус-мокус".

Но фокусите не свършваха с електроните. Когато през 1960-те години бяха открити кварките, те също се описваха като точкови и пренормировката отново спаси нещата. Фактически тя вече се превърна в дотолкова необходим технически елемент на стандартния модел, че физиците-теоретици забравиха за опасенията на Файнман и вече са склонни да наричат процедурата на пренормировките по-скоро остроумна отколкото шантава.

Разходимостите, надничащи изпод повърхността, избухнаха с удвоена ярост в много от теориите, в които се прави опит да се присъедини гравитацията към стандартния модел. Пренормировките се оказаха безполезни за теориите, в които като носители на гравитационното взаимодействие се въвеждат гравитоните, подобни на фотоните, които пренасят електромагнетизма. Причината за неуспеха на пренормировките се дължи на съществената разлика между гравитацията и другите фундаментални взаимодействия - електромагнитното, силното и слабото.

Гравитацията, за разлика от останалите три сили, е пропорционална по големина на масата на тялото - тежките тела упражняват по-голяма сила от леките. Но масата, в съответствие с прочутата Айнщайнова формула Е = mc2, е просто друга форма на енергията. Именно тук обратноквадратичният закон на гравитацията нахлува с пълна сила в един от основните квантово-механични принципи, управляващи субатомния свят. Принципът на неопределеността гласи, че колкото по-точно е определено положението на едно тяло, толкова по-неопределена е неговата скорост или, което по същество е едно и също нещо, толкова по-неопределена е неговата енергия на движението. Когато обаче два обекта се сближават до разстояние, да речем, равно на диаметъра на протона, техните положения стават определени с много голяма точност. Обратната страна на тази точност, в съответствие с принципа на неопределеността, е, че енергиите на двата обекта стават все по-неопределени и изпитват все по-силни флуктуации. По формулата на Айнщайн това означава, че масите на обектите стават все по-неопределени и в частност от време на време могат да стават огромни.

Така възниква порочен кръг. Колкото по-близки един до друг са два обекта, толкова по-голяма е силата, действаща между тях. Но колкото по-близки са те, толкова по-големи са флуктуациите на техните маси, а това на свой ред води до нарастване на средната сила. Този любопитен цикъл на обратната връзка обезсилва процеса на пренормирането. Както обяснява Грийн, единственият изход е всяка точкова маса да бъде превърната в протяжен обект. Тогава гравитационният удар, нанесен от точката, ще се размаже в пространството. Точно това правят обръчите за хулахуп и струните.

Преминаването от точки към струни разкрива с необикновена яснота конфликта между математиката и физиката. Откакто Галилей преди четири столетия нарече математиката "език на физиката", традицията е да се прославя хармонията между тях и заедно с това да се умаляват техните различия. Преди четиридесет години роденият в Унгария американски физик Юджийн Уигнър, един от пионерите на квантовата теория, произнесе в Университета на Ню Йорк прочутата си лекция "Необяснимата ефективност на математиката в природните науки". Той изтъкна, че няма никаква априорна гаранция, че математиката трябва да е подходящото средство за описание на света. Наричайки "чудо" факта, че тя работи така добре, Уигнър произнесе възхвала за математиката като "удивителен дар, който ние нито разбираме, нито заслужаваме". Спорът на тема "точки или струни" създава отрезвяващ контрапункт на тази емоционална оценка.

Докато от една страна точките са прости, ясни и еднозначно определени за математиците, те от друга страна вещаят бедствия за физиците. Със струните нещата са точно обратните: подобно на всички протяжни обекти те не поставят никакви загадки пред обичайната физическа интуиция, а заедно с това ни отървават от проклятието на безкрайностите. В математиката обаче струните се оказват същинско змийско гнездо на разходимости. Уигнъровият хвалебствен химн за щастливия брак на физиката и математиката не може да скрие факта, че подобно на всички бракове и този трябва да се справя с някои дълбоко вкоренени напрежения.

От математическа гледна точка струната, представена например от права отсечка с единична дължина, е същинско чудо на сложността. Ако всяка точка на тази отсечка се означава с число, то самата отсечка е континуум от числа и в това е заложена нейната мистерия. За да идентифицират точките в интервала от 0 до 1, математиците започват с отношения на цели числа, каквито са например 1/2, 7/9 и 97/100. Всички такива числа се наричат рационални и очевидно няма граница за числата от този вид, лежащи някъде в единичния интервал.

Рационалните числа вършат много голяма работа за описанието на единичния интервал. Ако ни е зададена някаква точка от този интервал, винаги ще можем да намерим рационално число, което е толкова близко до зададената точка, колкото пожелаем. (Мислете си за това по следния начин: всяка крайна десетична дроб е рационално число; например 0,347 е 347/1000. Така че ако искаме да се окажем на разстояние от зададената точка например една милиардна част от дължината на отсечката, трябва просто да вземем най-близката крайна десетична дроб с девет знака зад десетичната точка и това ще бъде рационалното число с търсеното свойство.)

За съжаление ясната логическа подредба на рационалните числа гъмжи от други числа, много уместно наречени ирационални, които надникват от всяка цепнатина - подобно на отровни змии. Те са открити преди повече от 2000 години, когато незнаен гръцки математик доказва, че квадратният корен от 2 (дължината на диагонала на квадрат със
страна единица) не може да се представи като отношение на две цели числа. Не след дълго към този първи поразителен пример се прибавят безкрайно много други.

Математиците приемат ирационалните числа като неочаквани, но неизбежни факти на живота, докато през 19 в. започват едно след друго да се проявяват техните вцепеняващи ума свойства. Дефинирани най-просто като неповтарящи се цифри в безкрайни десетични дроби (например квадратният корен от 2 е равен на 1,41421356 ... , т. е. безкрайна десетична дроб без никаква забележима закономерност), ирационалните числа са продукт на човешкия ум. Те служат да изпълнят числовата редица, вече гъсто напълнена с рационални числа, до континуума на така наречените реални числа, в който всяка точка представя някакво рационално или ирационално число.1

На свой ред континуумът се оказва неподатлив и заедно с това чаровен обект, както това беше демонстрирано по драматичен начин през 19 в. от немския математик Георг Кантор. Той показва, че континуумът е значително по-голям по размери от множеството на всички рационални числа - до такава степен, че даже ако безкрайното множество на всички рационални числа между 0 и 1 се наредят едно след друго, дължината на тази редица от точки ще бъде точно нула. Следователно всички рационални числа лесно ще се поберат в кой да е подинтервал на отсечката, колкото и малък да е той, и ще остане още много незапълнено пространство. В същия дух Кантор доказва, че всяка отсечка, даже да е една милиардна от дължината на единичната, съдържа толкова точки, колкото и цялата изходна отсечка. Ако млякото беше континуум, а не маса от дискретни атоми, ние бихме могли да вземем чаша от течността и, следвайки една от рецептите на Кантор, с лъжичка да прелеем във втора чаша до напълването й, без изобщо млякото в първата чаша да намалее.

Изводите на Кантор разтърсват математическия свят. Континуумът, на пръв поглед толкова прост и непосредствен, се оказва в плен на видимо парадоксални закони, противоречащи както на здравия разум, така и на интуицията. Вината, разбира се, е в ирационалните числа, изглеждащи така невинни, когато за пръв път са въведени. Сега те са осъзнати като изкуствени постройки, които са твърде многобройни, за да бъдат наименувани, а повечето от тях са дотолкова чудати, че не могат да се запишат в крайна тетрадка и дори не могат да се програмират като изчислителна процедура в краен компютър. По думите на немския математик от 19 в. Леополд Кронекер: "Господ е създал целите числа - останалото е човешко изобретение".

Опитвайки се да спаси математиката от прекалено навлизане в един измислен свят, откъснат от здравия смисъл, уважаваната школа по философия на математиката, наречена интуиционизъм, която процъфтява в началото на века ни, изхвърли от употреба всички числа, чиято стойност не може да се построи в явен вид с краен брой стъпки. В частност интуиционистите обявиха континуума извън закона. Те и техните наследници, така наречените конструктивисти, все още не са надделели: повечето математици смятат, че налаганите от тях прекалени ограничения биха унищожили твърде много от нещата, които вече са възприети като валидна математика. Все пак тяхното безпокойство относно законността на континуума трябва да накара физиците да се замислят, когато се опитват да моделират природата с помощта на една толкова особена постройка.

Точки или континуум? Цели числа или реални числа? Прекъснатост или свързаност? Как е устроен светът? Как би трябвало да се описва? Борбата между тези
противоположни възгледи е почти толкова стара, колкото е физиката, и не дава никакви признаци за затихване. В действителност много от основните жалони в историята на физиката - и особено в историята на схващанията за материята - са съпроводени от наклоняване на везните ту към едната, ту към другата страна в този спор.

Древногръцките философи учат, че цялата материя е изградена от една или повече непрекъснати субстанции: земя, вода, въздух и огън. Атомната хипотеза, която заменя непрекъснатите субстанции с дискретни точкови частици, отчасти е мотивирана от неудовлетворението, което носят непрекъснатостите.

Прескачаме бързо напред до 1926 г. Електроните се разглеждат като точкови частици, кръжащи около ядро. От време на време те внезапно сменят орбитата си и излъчват или поглъщат фотон с дискретна честота. Австрийският физик Ервин Шрьодингер решава да опише този процес по начина, който той познава от класическата физика, в която се описват непрекъснати движения в пространствено-времевия континуум. Но електроните очевидно се движат прекъснато. За да излезе от тази дилема, той изобретява нещо, което нарича "авариен изход" - вълновата механика. Основен помощен елемент на теорията е непрекъсната вълнова функция, която изобщо не е реален обект, а само кодира информация относно възможните резултати от експеримента. Шрьодингер намеква, че онова, което го кара да се чувства недоволен от собствената си теория, би могло да е свързано с несъответствието между реалността и изкуствения числов континуум.

С течение на времето вълновата механика довежда до квантова теория на полето, която запълва света със завихрени и препокриващи се континууми - по един континуум за всяка елементарна частица. Когато завършвах следването си преди около 40 години, теоретиците се мъчеха да формализират тази картина в една обща схема, наречена аксиоматична теория на полето. След това бяха открити кварките и образът на света беше отново прерисуван в поантилистски маниер. А сега точките се заменят с непрекъснати струни.

Последната дума обаче още не е изречена. От една страна предпазливите физици продължават да хранят недоверие към континуума. Така например Джон Арчибалд Уилър, един от достолепните старейшини на американската теоретична физика, смята, че най-важната задача на физиката е да разбере кванта. Макар да не знае как ще стане това, той предлага списък на четири елемента, които по негово мнение няма да влизат в бъдещата теория. Третият елемент в списъка на Уилър е континуумът, като неговото изключване той подкрепя с цитат от покойния математик и физик Херман Вайл: "Доверието в трансцеденталния свят подлага на изпитание силата на нашата вяра не по-малко от ученията на първите църковни отци или на философите-схоласти от Средновековието ".

Даже вярата на Брайън Грийн е подложена на изпитание. Идеята за струните поражда въпроса: от какво се състоят те? Грийн отговаря загадъчно: "В днешно време има интригуващи намеци ... за някакъв вид субструктура на струните, но все още липсват преки доказателства за това". Дали това не означава, че един ден точковите частици ще се върнат като съставни части на струните - по същия начин, както математическите точки изграждат реалната числова линия?
Ако историята може да ни служи като пътеводител, схващанията на физиците за материята ще продължат да се колебаят между точки и континуум и по такъв начин ще отразяват неотменимата истина, че в подобни неща математическата и физическата интуиция са, уви!, твърде различни.

(Hans Christian von Baeyer, World on a String, The Sciences, Sept./Oct. 1999)

В този пасаж авторът прави някои тънки каламбури: number - число и to numb -вцепенявам; ratio - отношение (иразум на латински) и (ir)rational - (и)рационално число (и [не]разумен). По повод ирационалните числа виж също статията "Квазикристали", СФ 3/99. - Бел. прев.

Превод: М. Бушев

...

Релаксионни процеси в молекулите

2012-01-10T13:57:00.003+02:00

...

РЕЛАКСАЦИОННИ ПРОЦЕСИ В МОЛЕКУЛИТЕ

Светослав Рашев, Ст. н. с. в ИФТТ - БАН

1. С какво са интересни релаксационните явления в молекулите.

След възбуждане със светлинен квант атомът обикновено много бързо се освобождава от погълнатата енергия, като излъчва спонтанно светлина със същата честота. За разлика от атома, оптично възбудената молекула демонстрира много по-сложно поведение и рядко излъчва резонансно.
Например молекулите почти никога не излъчват светлина от по-високо възбудените си електронни състояния, а само от първо възбудено синглетно или триплетно състояние; молекулите обикновено не излъчват тази дължина на вълната, с която са възбудени, а цяла широка ивица от по-дълги вълни; не всички оптично възбудени молекули въобще излъчват квант.

Непосредствено след възбуждането в молекулата започва самопроизволна еволюция на вътрешното й състояние. Тази еволюция се заключава в преразпределение на енергията между нейните степени на свобода - изменение на формите на движение и преминаването им от един вид в друг.

Това са, най-общо казано, вътрешномолекулните релаксационни (или безизлъчвателни) процеси, които ще бъдат обект на разглеждане в настоящия обзор.

Релаксационните процеси водят до това, че молекулата излъчва светлина от друго състояние, а не от първоначално възбуденото или пък въобще не излъчва, а се освобождава от погълнатата енергия по други, безизлъчвателни канали. Много често тези фотофизични процеси, каквито са релаксационните, се придружават и преплитат със химични или структурни превръщания (фотохимични реакции) - напр. прегрупиране на атомите в молекулата (изомеризация) или откъсване на части от нея (дисоциация).

Изясняването на механизмите и пътищата на миграция на енергията във възбудената молекула, освен от голям чисто научен интерес, е много важно от приложна гледна точка - във връзка с широкото използване на многоатомните молекули като активни среди за пренастройваеми лазери (на пари или разтвори), за целите на различни химични технологии и др.

Релаксационните явления играят изключителна роля в молекулите с биологично значение и тяхното изясняване се очаква да даде ключ към разбирането на някои жизненоважни биологични процеси в живия организъм.

Изследването на вътрешномолекулните релаксационни процеси е изключително сложен проблем - поради голямата сложност и многообразие на процесите и взаимното им преплитане, проблемът е различен при всяка отделна молекула и толкова по-сложен, колкото по-голяма и сложна е молекулата. Въпреки това, обаче, съществуват определени общи закономерности, на които се подчиняват всички вътрешномолекулни релаксационни процеси в многоатомните молекули и които са главният предмет на настоящото изложение. Преди да пристъпим към тяхното разглеждане, за да може да бъде правилно формулирана основната задача и нейното решение, а и за въвеждане на необходимата терминология, ще дадем някои основни сведения от молекулната теория.

2. Видове движения и състояния в молекулите.

При молекулите освен електронна структура и електронни състояния, както при атомите, възникват два нови вида движение, каквито атомите не притежават -вибрационно и ротационно. Мнозинството молекули имат определена структура ¬скелет, оформен от взаимното разположение на ядрата на атомите, образуващи молекулата. Тази структура е характерна за дадената молекула, но тъй като се определя от електронния облак, тя се изменя в малка степен от едно електронно състояние в друго. Разглеждана като твърда конструкция (скелет), молекулата може свободно да се върти в пространството, като всяко твърдо тяло, притежаващо три ротационни степени на свобода. Но в действителност конструкцията на молекулата не е твърда - това е просто една равновесна конфигурация, съответстваща на минимума на потенциалната енергия; и ядрата могат да трептят (по определени траектории и с малки амплитуди) около равновесните си положения, което определя вибрационните степени на свобода на молекулата.

2А. Взаимодействия между отделните движения в молекулата.

Тези три вида движение на молекулата - електронно, вибрационно и ротационно, не са независими, а са свързани помежду си.

С най-голямо значение е взаимодействието между електронното и вибрационното движение. Например в различните електронни състояния (основно и възбудени) на една молекула потенциалното поле, в което се движат ядрата, е различно и поради това както равновесните конфигурации на ядрата (междуядрените разстояния), така и силовите константи и вибрационните честоти се променят в известна степен; обратно, характеристиките на самото електронно състояние (електронните вълнови функции) са функции на вибрационното движение, особено при по-големи вибрационни амплитуди.

Не по-малко интересно е взаимодействието между вибрационното и ротационното движение в молекулата.

То се проявява в две различни форми:
Кориолисово (всяко ядро, движещо се със скорост v във въртящата се молекула, се подлага на действието на някаква сила, която променя траекторията на неговото движение) и центробежно [относителните (вибрационни) движения на ядрата водят до изменения на инерчните моменти на молекулата, което пък се отразява на скоростта на въртенето].

2В. Адиабатно приближение.

Във всяка молекула ядрата се движат много по-бавно и с много по-малки амплитуди от електроните, поради много по-голямата си маса.

На тази разлика в скоростите и амплитудите се основава т. нар. адиабатно приближение, което е важен инструмент при теоретичното разглеждане на молекулите.
Основна роля в квантовата теория на молекулите играе параметърът на Борн-Опънхаймър

Важна роля в квантовата теория и спектроскопията на молекулите играе симетрията.
Всяка химически стабилна молекула може да бъде отнесена към някаква точкова група на симетрия.
Електронно-вибрационният Хамилтониан Н е пълно-симетрична функция на ядрените и електронните координати, а всички електронни и вибрационни вълнови функции принадлежат на определени типове симетрия, характерни за съответната точкова група.

2С. Нормални трептения.

Когато молекулата се намира в определено електронно състояние, нейните ядра могат да трептят по различни начини (по различни траектории и с различни честоти), съответстващи на така наречените нормални трептения.

Това са колективни движения на ядрата, повече или по-малко локализирани върху определени (групи от) атоми в молекулата.

Най-простият вид вибрационни състояния, съответстващи на трептения по една от нормалните координати се наричат фундаментални.
Възможни са също трептения по друга координата и с други честоти, които се наричат обертонове.
Накрая, възможни са трептения по координата, която е суперпозиция на няколко
нормални координати и определена честота на трептения, които се наричат съставни трептения.

Гореизброените хармонични вибрационни състояния представляват най-често използвания базис от вълнови функции при конкретните пресмятания.

2D. Плътност на вибрационните състояния.

Много важна характеристика на вибрационните базисни функции е плътността на техните състояния с енергии Ev (т.е. брой състояния на единица енергетичен интервал

Плътността на вибрационните състояния много бързо нараства с увеличаване на
вибрационната енергия EV.
Колкото по-голяма е молекулата, толкова по-бързо нараства плътността р (EV) с увеличаване на EV.
Именно тази област с висока плътност на базисните вибрационни състояния е от особено значение за протичането на повечето вътрешномолекулни релаксационни процеси. Състоянията във квазиконтинуума се характеризират с големи амплитуди на трептене на ядрата. Когато тези амплитуди нараснат твърде много, е възможно да настъпи откъсване на атом (или група атоми) от молекулата - дисоциация или преодоляване на някаква потенциална бариера и прескачане на молекулата в друга равновесна конфигурация - изомеризация.

3. Електронни безизлъчвателни преходи

За избягване на някои възможни недоразумения е необходимо ясно да подчертаем, че по време на безизлъчвателния процес изолираната молекула не извършва преход от свое възбудено състояние към основното.

Това е невъзможно, понеже за времето на релаксацията молекулата не отделя енергия - тя запазва първоначално погълнатата енергия.

Релаксационният процес представлява прехвърляне на заселеността от едни възбудени състояния към други, също възбудени, при същата енергия.

Може също така да се каже, че релаксационният процес се заключава в прехвърляне на енергията от едни (вътрешномолекулни) степени на свобода към други в стремеж да се достигне до равномерно (статистическо) разпределение на енергията по всички степени на свобода в молекулата (електронни и вибрационни).

Тези съображения се отнасят както до електронните безизлъчвателни преходи, така и до вибрационната релаксация, с една единствена разлика, че при нея енергията се разпределя само между вибрационните степени на свобода на молекулата (без изменение на електронното състояние).

3. Вътрешна и интеркомбинационна конверсия.

Доколкото в молекулите съществуват два вида електронни състояния (в зависимост от спина на електроните) - синглетни (S) и триплетни (T), то възможни са два типа електронни безизлъчвателни преходи:

а) Вътрешна конверсия (ВК) - когато двете комбиниращи електронни състояния (S0 и Si) са с еднаква мултиплетност и преходът се дължи на неадиабатни взаимодействия, и

б) Интеркомбинационна конверсия (ИКК) -когато двете електронни състояния са с различна мултиплетност (S и T) и преходът се дължи на спин-орбиталното взаимодействие.

4. Вътрешно-молекулна вибрационна релаксация.

Втори фундаментален тип релаксационни процеси в изолирани многоатомни молекули са процесите на преразпределение на енергията между вибрационните степени на свобода на молекулата.

Най-общо казано явлението се състои в следното. Нека в началния момент молекулата се намира в някакво (неравновесно) вибрационно състояние, при което цялата вибрационна енергия е концентрирана в една обособена група атоми на молекулата.

В следващите моменти започва самопроизволно предаване (преразпределение) на енергията към други групи атоми, които ще затрептят, макар първоначално да не са били възбудени.

Възможността за такова прехвърляне на вибрационната енергия от едни към други части на молекулата (което се стреми да установи равномерно, статистическо разпределение на вибрационната енергия), се дължи на нелинейните (анхармоничните) взаимодействия, които свързват различните трептения в една молекула.

За разлика от електронния безизлъчвателен преход, тук процесът протича в границите на потенциалната повърхност на едно определено електронно състояние.

4A. Парадокс на Ферми-Паста-Улам (ФПУ).

Математичното разглеждане на основните принципи на вътрешномолекулната вибрационна релаксация се съдържа в теорията на хаоса, която получи съществено развитие през втората половина на този век.

Един от централните въпроси в теорията на хаоса може да се представи по следния начин.

Имаме една интегрируема система от N линейни осцилатори, описвана с Хамилтониан . Известно е, че нейната динамика е (квази) периодична и се определя от честотите на нормалните моди на системата.
Нека добавим към системата един неинтегрируем член V, съдържащ слаби нелинейни връзки между осцилаторите. В
въпросът се състои в това дали новата система, описвана с Хамилтониан Н = H o + V, ще продължи да еволюира квазипериодично или пък ще придобие съвсем нови свойства - ергодичност и ще се развива по статистическите закони.

До към средата на века, в съответствие с по-ранните работи на Поанкаре и теоремата на Ферми, беше разпространено общото убеждение, че при наличието на достатъчно голям брой осцилатори N, след включването на макар и много малка пертурбация V, системата ще прекрати своята периодична динамика и ще започне да се развива по статистическите закони, стремейки се към своето равновесно състояние.
С други думи смяташе се, че въвеждането на произволно слаби нелинейни връзки между осцилаторите на системата я довежда до ергодично поведение - т. е. състоянието на системата ще обхожда последователно всички точки от нейното фазово пространство без рекурентности (т.е. връщане към началното състояние).

През 1955 г. Ферми, Паста и Улам (ФПУ) се опитаха да проверят това твърдение на примера на една моделна верига едномерни осцилатори със слаби нелинейни връзки помежду си.
Техните числени изследвания
(извършени на съвсем новия за онова време компютър MANIAC-I в Лос Аламос) обаче, дават отрицателен резултат - енергията на възбуждане не показва тенденция към равновесно (статистическо) разпределение по нормалните моди на системата.

Причината за тази обезпокоителна липса на ергодичност на системата нелинейно свързани осцилатори е обяснена от Форд през 1961 г. въз основа на формулираната от Колмогоров и доказана от Арнолд и Мозер теорема (КАМ).
Форд показа, че на системата ФПУ й липсва едно основно свойство, необходимо за поделяне (преразпределяне) на енергията между нормалните моди, а именно активни нелинеини резонанси на нормалните честоти, наричани "вътрешни" или "Ферми" резонанси (цели съотношения между честотите на системата).

Според теоремата на Колмогоров-Арнолд-Мозер условието за ергодичност на интегрируема система осцилатори под действието на малка нелинейна пертурбация V е наличието на "припокриващи се резонанси", т.е. приблизителна линейна зависимост на нормалните честоти на осцилаторите.
Ако това условие не е в сила за системата Ho, то въвеждането на добавката V несъществено пертурбира честотите на системата и предизвиква
възникването на слаби хармоники на основните честоти.
Когато обаче условието е спазено достатъчно точно, малката нелинейна пертурбация V предизвиква патологични изменения в еволюцията на интегрируемата система Нo, водещи я до ергодичност и статистическо поведение.

4В. От какво зависят скоростите на вибрационна релаксация.

Изходен пункт за теоретичното разглеждане на вибрационната релаксация (което концептуално е подобно на теорията на електронните безизлъчвателни преходи) е общият вид на вибрационно-ротационния Хамилтониан на молекулата Н, представен във вида: Н = Ho + V.

Построява се базис от вибрационни вълнови функции (обикновено хармонични), които са собствени функции на Но.
Между базисните състояния съществуват матрични елементи на взаимодействие, което се съдържа във V.
Основният тип взаимодействия, предизвикващи вибрационната релаксация, са анхармоничните - поради анхармоничността на електронната потенциална повърхност. Другият тип взаимодействия, съдържащи се във V и предизвикващи релаксация, са вибрационно-ротационните - Кориолисови и центробежни.

Процесите на вибрационна релаксация обикновено са много бързи (суб-пикосекундни).

Техните скоростни константи и други характеристики много силно зависят от големината на молекулата (броя вибрационни степени на свобода 3N- 6), а също и от вибрационната енергия на възбуждане Ev.

Релаксационните скоростни константи силно нарастват с увеличаване големината на молекулата и особено с нарастване на вибрационната енергия Ev.

Поради голямата сложност на проблема засега всички експериментални и теоретични изследвания на вибрационната релаксация се правят върху сравнително малки молекули и при неголеми вибрационни енергии Ev.

Най-голям интерес обаче представлява поведението на силно вибрационно възбудените молекули - при големи Ev.

Интересът към такива обекти идва от една страна от общата теория на нелинейните системи с много степени на свобода и изучаването на свързаните с тях явления като ергодичност, хаос и др.

От друга страна областта на големи Ev е най-интересната за химията - за теорията на мономолекулните реакции (дисоциация и изомеризация).

Действително, с увеличаване вибрационното възбуждане Ev на една молекула се достига до границата на дисоциация D на някоя от връзките в молекулата [или се надвишава потенциалния бариер за прегрупиране на атомите (изомеризация)] и тогава протича мономолекулна реакция.

5C. Лазерно управляеми химични реакции.

Съвременната теория на мономолекулните реакции се основава на предположението, че при високи стойности на вибрационната енергия Ev, независимо от начина на възбуждане, вътрешномолекулната вибрационна релаксация е изключително бърза и вибрационната енергия практически мигновено се разпределя равномерно по всички вибрационни степени на свобода. От това следва, че независимо от вида на възбуждането (лазерно, топлинно и др.), винаги първа ще дисоциира най-слабата връзка в молекулата, т.е. тази с най-малка енергия на дисоциация.

През последните две десетилетия обаче се появиха някои както експериментални, така и теоретични резултати, които дават надежда, че при определени условия е възможно да се осъществи селективно възбуждане на молекули.

Ако действително се окаже възможно да бъде възбудена определена група от атоми в молекулата до високи вибрационни енергии, т. е. енергията да се концентрира в определена сравнително изолирана част на молекулата, то би могло да се очаква, че дисоциацията ще настъпи между атомите на тази група, преди енергията на възбуждане да се е разпространила статистически по цялата молекула.

Търсенето на възможности за осъществяване на такива управляеми (модово селективни) химични реакции е най-важният стимул за продължаване на изследванията върху вибрационна релаксация във високовъзбудени молекули, каквито понастоящем се провеждат интензивно в значителен брой лаборатории по света.

Съвременните лазери са в състояние да осигурят много големи мощности, много кратки импулси, в много тесен спектрален интервал. Поради това те биха могли по принцип да осъществят възбуждане само на определени части (връзки) в молекулата, като останалите части останат невъзбудени. Надеждата е, че с помощта на достатъчно къси и мощни лазерни импулси (или комбинации от импулси), настроени на специфични за молекулата резонансни честоти, ще бъде възможно да се заобиколят статистическите закони и да се разкъса молекулата на точно определено, предварително избрано място.

...

Признателност: Авторът е дълбоко благодарен на Михаил Бушев и на Людмила Кънчева, които неколкократно прочетоха ръкописа и дадоха много полезни препоръки и предложения. Благодарение на тяхната помощ статията се промени и подобри твърде силно.

Литература
1. E. Wilson, J. Decius, P. Cross, "Molecular Vibrations" (Mc Graw-Hill, New York, 1955).
2. P. Avouris, W. Gelbart and M. El-Sayed, Chem. Revs., vol.77, p.793 (1977).
3. M. Bixon and J. Jortner. J. Chem. Phys., vol. 48, p. 715 (1968).
4. C. Parmenter, Advan. Chem. Phys., vol. 22, p. 365 (1972).
5. T. Uzer, Phys. Repts., vol. 199, p. 73 (1991).

...

Класификация на биологичните науки

2012-01-10T13:55:00.000+02:00

...

ОБЩИ БИОЛОГИЧНИ НАУКИ

Изучават от определена гледна точка структури и свойства, които са характерни за голям брой разнообразни организми.

Биофизика - изучава физическите закономерности в живите организми, на ниво атом, молекула и клетка.

Биохимия - изучава химичните закономерности в живите организми на молекулно ниво — структурата и функцията на белтъците, въглехидратите, липидите, нуклеиновите киселини и редица други биомолекули, както и принципите на които се гради клетъчния метаболизъм и регулация. Обектите са предмет на изучаване и от други биологични дисциплини, като например генетика и молекулярна биология, но подходите се различават фундаментално.

Молекулярна биология - изучава на молекулно ниво структурните и функционалните закономерности в живите организми, на които се подчинява реализирането на генетичната информация - репликацията и поправката на генетичния материал, неговата транскрипция и експресия. Част от обекта на науката се покрива с този на биохимията, биофизиката и генетиката, но се различава фундаментално в подхода.

Морфология - изучава строежа на биологичните системи, на ниво клетка (цитоморфология), тъкан (хистоморфология) и организъм (ембриоморфология и анатомия). Част от предмета на морфологията се покрива с този на цитологията, хистологията и ембриологията. Разликата е в обхвата. Изброените три науки, освен структурата, изучават още функцията, произхода, развитието, интегрирането и други. Морфологията се концентрира само върху строежа. Единственото пълно съвпадение е на ниво организъм - с анатомията.

Цитология - изучава състава, строежа и функциите на клетките; нарича се още "клетъчна биология".

Хистология - изучава състава, строежа и функциите на тъканите.

Ембриология - изучава строежа, функциите и развитието на организмите, до достигането на стадий на самостоятелен живот; нарушенията в нормалното ембрионално развитие се изучават от науката за уродствата - тератологията.

Анатомия - изучава строежа на телата на организмите.

Физиология - изучава функциите на живите организми.

Генетика - изучава наследствеността и изменчивостта на организмите.

Онтология - изучава индивидуалното развитие на организмите, от оплождането до смъртта; нарича се още "онтогения".

Геронтология - изучава строежа, функциите и стареенето на организмите, от затихването на половите функции до смъртта.

Филогения - изучава еволюционното развитие на организмите.

Таксономия - изучава класификацията на организмите; нарича се още "систематика".

Палеонтология - изучава организмите, които са живели и изчезнали в отминалите епохи.

Екология - изучава взаимоотношенията на организмите със заобикалящата ги среда и с другите организми.

Биогеография - изучава разпространението на организмите по планетата.

Астробиология - изучава възможностите за възникване и развитие на живот извън планетата Земя. Нарича се още "екзобиология".

Патология - изучава нарушенията в строежа, функцията, развитието и адаптирането на организмите. Повечето подобни нарушения се считат за болести.

Танатология - изучава причините и механизмите за затихване на живота и за настъпване на смъртта.

Частни (специални) биологични науки:

Изучават състава, строежа, функциите, развитието и особеностите на конкретна, обособена група от организми.

Микробиология - изучава микроорганизмите.

Протозоология - изучава първаците.

Микология - изучава гъбите.

Ботаника - изучава растенията.

Малакология - изучава мекотелите.

Ихтиология - изучава рибите.

Амфибиология - изучава земноводните.

Херпетология - изучава влечугите.

Ентомология - изучава насекомите.

Орнитология - изучава птиците.

Териология - изучава бозайниците.

Зоология - изучава животните.

Етология - изучава поведението на животните.

Антропология - изучава човека.

Психология - изучава поведението на човека.

Приложни биологични науки:

Изучават структурата и функциите на различните организми, във връзка с тяхното значение за живота на човека.

Агрономия - изучава отглеждането на растения в полза на човека.

Фитопатология - изучава болестите по полезните за човека растения.

Животновъдство - изучава отглеждането на животни в полза на човека.

Ветеринарна медицина - изучава болестите по полезните за човека животни.

Медицина - изучава причините, възникването, развитието, лечението и предотвратяването на болестите при хората.

Бионика - изучава приложението на биологичните принципи на структурна и функционална организация, в техническите системи, създадени от човека.

Биотехнология - изучава използването на живи организми за осъществяване на технологични процеси, като: обеззаразяване на отпадни води, производство на лекарства, пречистване на руда и много други.

Генно инженерство - разработва методи за прехвърляне на наследствена информация (гени) от едни организми в други, с цел приемниците да получат нови, полезни свойства.

...

Ново състояние на материята

2012-01-10T13:42:00.002+02:00

...

...

В ЦЕРН* Е СЪЗДАДЕНО НОВО СЪСТОЯНИЕ НА
МАТЕРИЯТА

На специален семинар на 10.02.2000 г. ръководителите на експерименти от Програмата на ЦЕРН за тежки йони представиха убедително доказателство за съществуването на ново състояние на материята, в което кварките вместо да са свързани в по-сложни частици като протони и неутрони са освободени да блуждаят безпрепятствено.

Теорията предвижда, че такова състояние би трябвало да е съществувало около 10 милисекунди след Големия Взрив, преди формирането на материята така както я познаваме, но досега тази хипотеза не е била потвърдена експериментално. С тези резултати нашето разбиране за това как е създадена Вселената, което досега беше непроверена теория за всички точки във времето преди образуването на обикновените атомни ядра (около 3 минути след Големия Взрив) е експериментално доказано до точка, която е само на няколко милисекунди от Големия Взрив.

Професор Лучано Майани, генерален директор на ЦЕРН каза: "Комбинираните данни от седемте експеримента на Програмата на ЦЕРН за тежки йони дават ясна картина за ново състояние на материята. Този резултат доказва важно предсказание на съвременната теория за фундаменталните сили между кварките. Той е и важна стъпка напред в разбирането на ранната еволюция на Вселената. Сега имаме доказателство за ново състояние на материята, в което кварките и глюоните са свободни. Открива се цяла съвършено нова теория за изследване физичните свойства на кварк-глюонната материя. Сега предизвикателството се премества към Колайдера на релативистки тежки йони (RHIC) в Брукхейвънската Национална Лаборатория и по-късно на Големия адронен колайдер в ЦЕРН".

Задачата пред Програмата на ЦЕРН за тежки йони беше да сблъсква оловни йони така, че да създава изключително високи плътности на енергията, които да преодолеят силите, задържащи кварките в по-сложните частици. Сноп от оловни йони с много висока енергия (33 ТеУ) беше ускорен в Супер Протонния Синхротрон на ЦЕРН (SPS) и насочен върху мишени в седем различни експериментални детектори. Сблъскванията създадоха температури около 100 000 пъти по-високи отколкото в центъра на Слънцето и плътности на енергията двадесет пъти по-големи от плътността на ядрената материя, плътности, които никога дотогава не бяха достигани в лабораторен експеримент. Събраните данни от експериментите дават убедително доказателство, че е създадено ново състояние на материята. Намереното при сблъскванията на тежки йони в SPS състояние на материята има много от характеристиките на теоретично предсказаната кварк-глюонна плазма, първичната "супа" в която са съществували кварките и глюоните преди да се групират заедно при охлаждането на Вселената.

Програмата с оловните снопове започна пред 1994 г., след като ускорителите в ЦЕРН бяха осъвременени благодарение на сътрудничеството между ЦЕРН и институти от Германия, Индия, Италия, Франция, Чехия, Швейцария и Швеция.

Към съществуващите свързани ускорители в ЦЕРН - протонния синхротрон (PS) и SPS беше добавен нов източник на оловни йони. Седемте големи експеримента включваха измервания на различни характеристики на сблъскванията - олово с олово и на оловосъс злато. Те бяха наречени NA 44, NA 45, NA 49, NA 50, NA 52, WA 97/NA 57 и WA 98. Някои от тези експерименти използват многоцелеви детектори за измерване и съпоставяне на няколко от най-често наблюдаваните явления. Това координирано усилие, използващо няколко допълващи се експеримента, се оказа много успешно.

Проектът е отличен пример за сътрудничество във физическите изследвания. В експериментите участваха учени от институти в повече от двадесет страни . Програмата позволи да се развие и изключително продуктивно сътрудничество между физиците, занимаващи се с физика на високите енергии и ядрените физици.

Още по-важно - тази стъпка напред стана възможна благодарение на сътрудничеството между различните експерименти. Данните от нито един отделен експеримент не бяха достатъчни, за да очертаят пълната картина, но комбинираните резултати от всички експерименти се съгласуваха напълно с нея.

Всички опити резултатите да се обяснят с установените взаимодействия на частиците бяха неуспешни, докато много от наблюденията са в съгласие с предсказаните сигнали за появата на кварк-глюонна плазма.

Резултатите от ЦЕРН са нов и силен мотив за планираните бъдещи експерименти. След като всички парченца на главоблъсканицата изглежда да се сглобяват в обяснението, че е получена кварк-глюонната плазма, сега е съществено да се изучи тази новосъздадена материя при по-ниски и при по-високи температури, за да се характеризират напълно нейните свойства и по този начин напълно да се потвърди интерпретацията й като кварк-глюонна плазма. Фокусът на изследванията с тежки йони се премества сега към Колайдера на релативистични тежки йони (RHIC) в Брукхейвънската национална лаборатория в Съединените щати, където експериментите ще започнат през тази година. През 2005 г. експерименталната програма на Големия адронен колайдер ще включи експеримента ALICE , специално посветен на сблъскванията между тежки йони.

Пълна информация може да получите тук:
http://newstate-matter.web.cern.ch/newstate-matter/Science.html

* ЦЕРН е Европейска организация за ядрени изследвания в Женева.
Членове на ЦЕРН са: Австрия, Белгия, България, Великобритания, Германия, Гърция, Дания, Испания, Италия, Норвегия, Полша, Португалия, Словакия, Унгария, Финландия, Франция, Холандия, Чехия, Швейцария и Швеция. Наблюдатели са: Европейската комисия, ЮНЕСКО, САЩ, Япония, Русия, Турция и Израел.

...

1. Сред тях има и български учен - д-р Лъчезар Бетев от екипа на Калифорнийския университет в Лос Анджелес.
2. На постоянна работа в експеримента ALICE след конкурс е назначен младият български физик д-р Петър Христов. Петър Христов е първият българин, назначен в ЦЕРН след приемането на България в организацията през 1999 г.

...

БОЗЕ-АЙНЩАЙНОВАТА КОНДЕНЗАЦИЯ

2012-01-10T09:36:00.002+02:00

...

ПАРАДИГМА И РЕАЛНОСТ

Димо Узунов

Настоящият текст е популярно изложение на доклад, представен на 28.11.2001 г. на семинара на Института по физика на твърдото тяло при БАН по повод Нобеловата награда по физика за
2001 г.

Сатиендра Нат Бозе

1. НАЧАЛОТО

През 1924 г. индийският физик С. Н. Бозе (Satyendra Nath Bose) пратил една своя работа на Алберт Айнщайн, която се оказва знаменателна за развитието на квантовата физика. В този ръкопис Бозе извежда закона на Планк за радиацията на черното тяло, разглеждайки фотоните като газ от частици и удачно прилагайки към тази система условието за термодинамично равновесие; вж. Приложението (Пр),

т. 1. Схващайки общността и полезността на новия подход, А. Айнщайн веднага урежда превода на статията на немски и публикуването й в Германия, а скоро след това, прилага подхода на Бозе към макроскопски брой невзаимодействащи (свободни) частици с маса и показва, че при достатъчно ниски температури би следвало да се появява един непознат дотогава вид кондензация - кондензация в основното квантово състояние, съответстващо на нулев импулс на частиците (вж. [2,3]).

Кондензираната фаза се характеризира с макроскопски брой (N0) на частиците с нулев импулс, което означава съизмеримост на числото N0 с общия брой N на частиците: N0 ~ N.
Физическата причина за тази доста необичайна кондензация, а именно, кондензация по Бозе и Айнщайн или Бозе- Айнщайнова кондензация (БАК) в импулсното пространство на идеални макроскопски (термодинамични) системи без обичайните междучастичкови взаимодействия, са квантовите корелации между частиците, понякога наричани "квантови псевдовзаимодействия."

Тези квантови корелации са от така наречения Бозе тип и съответстват на Бозе частици или, накратко, "бозони", притежаващи спин (собствен момент на количество на движение или, с други думи, собствен ъглов момент) s = lh, където l e цяло неотрицателно число (/ = 0, 1, ...). В този случай квантовите (Бозе-) корелации, явяващи се в статистическото описание на бозонния газ, играят роля на ефективно привличане между бозоните и това позволява появата на БАК.

Другите частици в природата - Ферми частиците или "фермионите", имащи полуцял приведен ("безразмерен") спин, S = (s/ h ) = (l + У£), формират идеален газ с квантови корелации от Ферми тип, които имат ефект на псевдовзаимодействия с отблъскване и водят до квантово израждане без кондензация в някое от разрешените квантови състояния (вж. [4,5]).

Следователно БАК е характерна за идеални газове от бозони.

С понижаване на температурата на идеалния Бозе газ (ИБГ), при запазване на плътността му постоянна, се стига до критичната температура на БАК, Tc, при която БАК всъщност започва чрез "кондензацията" на макроскопски брой частици N0 ~ N.

Докато при температура T под критичната Tc, T < Tc, кондензираната фракция N0 е малка част от целия газ [1 << N0 << N и дори N0 < (10-2 - 10-3).N ], то при T 0, N0 N ,което показва, че при температура равна на нула, целият газ попада в кондензираното състояние.

Критичната температура Tc е начало и на квантовото израждане на газа, при което той значително се отличава по свойствата си от класическия (Болцманов) идеален газ.

Следователно БАК настъпва веднага щом класическата (Болцманова) статистика стане невалидна и системата се превърне в квантова, т. е. поддаваща се на описание от Бозе статистиката. Така появилото се теоретично предсказание за БАК и заложеният в нея квантов корелационен механизъм, се оказват в основата на обяснението на някои от най-забележителните явления, открити впоследствие в квантовата физика на реални многочастичкови системи със силни междучастичкови взаимодействия, например свръхфлуидността в хелия и свръхпроводимостта в метали и сплави.

Това са родствени на БАК явления, сходни по някои общи черти на симетрия на съответните физически състояния, но по същество са с други физични свойства и определено не съответстват на термодинамичното състояние, получаващо се вследствие на БАК в ИБГ, т. е. на явлението, предсказано от Бозе и Айнщайн.

Отбелязаните приноси [1, 2] на Бозе и Айнщайн са в основата на квантовата статистическа физика, описваща едни от най-забележителните физически явления.

В оригинален, "чист" вид, БАК, като явление на преход от една обичайна термодинамична газова фаза в Бозе- Айнщайнов кондензат (за който термин ще ползваме отново съкращението БАК), се описва теоретически чрез точно решаемия модел на ИБГ.

Свойствата на тази най-проста многочастичкова система са напълно известни.
В хода на годините до сега БАК се оказа най-ярък и подробно изучен пример на спонтанно нарушение на симетрията и поява на квантови фази, имащ неоценимо евристично приложение в най-важни области на теоретичната физика, започвайки от физиката на елементарните частици, минавайки през обилно наситената с примери на фази на спонтанно нарушена симетрия физика на кондензираното състояние и стигайки до някои аналогични явления в гигантските обекти на астрофизиката и космологията.

2. НОБЕЛОВАТА НАГРАДА ПО ФИЗИКА ЗА 2001 г. Самият Бозе-Айнщайнов кондензат (БАК) в оригинално предсказания му вид, наричан напоследък пето състояние на материята, цели 70 години остана експериментално неоткрит, защото в природата не са установени идеални квантово-изродени газове, а изкуственото им формиране в лаборатория доскоро беше непосилно за физическия експеримент.

Температурите на втечняване и дори на кристализация на всички познати газове са по-високи от тези на квантово израждане и следователно при понижаване на температурата, при обичайни плътности и налягания, газовете се втечняват далеч преди да са достигнали квантовото си израждане.

Методични знания и умения за реализация на макроскопски идеален квантов газ от реални бозони и охлаждането му до температури, необходими за възникване на БАК, бяха създадени едва през последното десетилетие на отминалия наскоро 20- ти век.

През 1990 г. Карл Уийман (Carl Wieman) от Университета на Колорадо привлича Ерик Корнел (Eric Cornell) за изследвания по получаване на БАК в Обединения институт по лабораторна астрофизика (Joint Institute for Laboratory Astrophysics, JILA) в Боулдър, Колорадо (Boulder, Colorado), който работи в тясна връзка със споменатия университет и с Националния институт по стандарти и технология на САЩ (NIST). На 05 юни 1995 г. Корнел, Уийман и сътрудници успяват да постигнат БАК в свръхохладен газ от рубидиеви атоми (87Rb) [6a]. Техният първи кондензат съдържа N0 = 2000 атома, охладени до 20 nK ("нано-Келвин", т. е. 10-9 К) при параметри: критична температура Tc = 100 nK, критичен брой на атомите Nc = 2.104, критична плътност nc = 22.1012 cm-3, време на охлаждане 6 min, а броят на кондензираните атоми за една секунда е равен на 6.

Това са параметрите на първия успешен експеримент по БАК. Да отбележим, че Nc се "отличава" от пълния брой N на атоми в газа само по индекса "c".

Както ще видим при описанието на експеримента, с понижаване на температурата общият брой N на атомите в газа се изменя, но е фиксиран при всяка зададена в експеримента равновесна температура. Следователно ние трябва да предполагаме, че общият брой частици N не е постоянен в хода на експеримента, така че стойността Nc съответства на температура Tc.

Да напомним още, че n = (N/V), където V е обемът на газа, а в режима на кондензация под Tc обемът на газа при тези експерименти е бил V ~ 5-10 mm .

Експериментаторите успяват да задържат кондензата за време от 15 s, което " време на живот" на кондензата се оказва достатъчно за убедителна диагностика (експеримент, доказващ, че в системата има макроскопско количество БАК), както и за получаване на други, най-основни резултати. Това постижение веднага стана тема на водещите новини по света и навлезе в период на по-нататъшни интензивни изследвания.

През август 1995 г. друга изследователска група от САЩ (Randall Hulet's group, Rice University, Texas) докладва [7] недостатъчно убедително резултати за БАК на литиеви атоми (7Li), като същата група успява година по-късно да представи достатъчни доказателства за " литиевата БАК" (вж. [7]).

През септември 1995 г. Волфганг Кетерле (Wolfgang Ketterle) и сътрудници от Масачузетския Технологичен Институт (MIT, Boston, Massachusetts) постигат убедително БАК от натриеви атоми [6Ь]. Групата, водена от В. Кетерле, достига кондензат от 500 000 натриеви атома. Други параметри на експеримента при тях са, както следва: Tc = 2000 nK, Nc = 2.106, плътност на облака nc = 1,5.1014, време на охлаждане 9 s, кондензирани атоми за една секунда - 60 000, сравнително малко време на живот на кондензата - 1 s (вероятно поради по-доброто постижение за Tc и Nc).

През 1996 г. тази група значително подобрява резултатите си по стабилизацията, времето на живот (20 s) и броя на кондензираните атоми (No = 5.106) в натриевия кондензат. През октомври 2001 г.

Шведската академия на науките обяви, а на 10 декември 2001 г. присъди Нобеловата награда по физика на Ерик Корнел, Карл Уийман и Волфганг Кетерле: "... за осъществяване на БАК в разредени газове от алкални атоми и за начални фундаментални изследвания на свойствата на кондензатите." Тази награда се равнява на 10 милиона шведски крони (около GBP 730 000). Да отбележим някои важни обстоятелства, показващи значението на това постижение и справедливостта в присъждането на Нобеловата награда за 2001 г.

Седемдесет години след теоретичното предсказание на Бозе и Айнщайн, Нобеловите лауреати по физика за 2001 г. успяха да надхитрят трудно разгадаемата природа и да постигнат това необичайно пето състояние на материята. Корнел и Уийман създадоха чист кондензат от около 2000 рубидиеви атома при температура 20 nK, което означава 0,000 000 02 градуса над абсолютната нула.

Независимо от тях Кетерле извърши сходни експерименти с натриев газ. Произведеният от него кондензат съдържа повече атоми при по-голяма плътност и може по-успешно да се използва при изследване на свойствата на явлението БАК. Използвайки два различни кондензата, получени едновременно в един експеримент, той успява да получи за пръв път (и то ярка и убедителна) интерференционна картина на квантови материални вълни -квантовите вълнови функции на получените от него кондензати.

По този начин той представя допълнително убедително доказателство за кохерентностните свойства на БАК в съответствие с теоретичните предсказания. Освен всичко това В. Кетерле създаде и поток на малки по размер (< 1 mm) кондензатни капки, "капки от БАК", падащи под действието на земното привличане.

Това беше възприето като примитивен "лазерен лъч," състоящ се от кохерентен материален поток, вместо познатото кохерентно светлинно лъчение.

С други думи, обсъждаме устройството "атомен лазер,'" който би трябвало да създава и насочва в определена посока лъч, "подобен на лазерния," в който лъч обаче фотоните са "заместени" от атоми.

С помощта на такъв апарат може да се изучават важни фундаментални явления от квантовата физика. Както казва В. Кетерле: "БАК сега се разклонява в две различни направления, включващи "атомна оптика" и многочастичкова физика, като тази на свръхфлуидността."

От 1995 г. до сега над 30 изследователски групи по света също успяха да постигнат БАК, както и нови резултати по свойствата на кондензатите.

Освен това беше установено и изследвано явлението в 85 4 7 41 свръхохладени газове от други атоми (H, Rb, He, Li, K), като резултатите са много и твърде впечатляващи. През 1999 г. друга група от Боулдър, водена от Дебора Джин (Deborah Jin), успява да наблюдава "квантово израждане" на Ферми газ от атоми на калий (40K). По мнението на много експерти този път наградата е присъдена доста скоро след постижението. Едва ли човек може да се съмнява в така бързо постигнатата увереност, че полученото от авторите термодинамично състояние е именно оригинално предсказаният от Бозе и Айнщайн кондензат на идеалния Бозе газ.

3. МАЛКО ПОВЕЧЕ БАК

Твърде интересна физика се появява дори в идеални газове, когато температурата е достатъчно ниска и термалната дължина на вълната на частиците нaрaстне и стане съизмерима със средното муждучастичково разстояние.

D >_ 0, е размерността на пространството, а ợ > 0 е параметър, описващ енергетичния спектър на бозоните.

По-долу, освен ако не е специално споменато, ще разглеждаме най-обичайния случай на тримерна система (D = 3) и параметър о = 2, който съответства на енергетичен спектър на реални, невзаимодействащи Бозе частици (атоми);

Преходът към континуално описание.

Нека отбележим, че термодинамичнатa граница е прийом за провеждане на термодинамичното изследване на една макроскопска система с голям, но не непременно безкраен брой частици.

Извършването на континуален преход, а именно, преходът от дискретно към континуално описание е възможен при достатъчно голям брой частици (степени на свобода), така че грешката, въвеждана вследствие на този прийом, да е пренебрежимо малка.

В теорията на обичайните в природата многочастичкови системи не големи размери на системата, а такива, надвишаващи само хиляди или дори стотици пъти средното междучастичково разстояние, са достатъчни, за да се използва континуалната граница като приемливо приближение.

Когато системата стане още по-малка, така че континуалната граница се окаже причина за непренебрежими грешки от определена важност за експеримента, тогава казваме, че работим с малки системи.
[Някои говорят за междинни или мезоскопски (mesoscopic) системи, без това понятие да се покрива с по-горе дефинираните "малки системи" или пък с модните напоследък нано-системи].

Както се вижда БАК е макроскопско явление и в това е неговата забележителност и огромно значение.

Да посочим някои характерни свойства на БАК.
На интуитивно ниво това явление можем да си представяме, както вече споменахме, като дължащо се на припокриване на вълни на материята, а именно припокриване на вълновите функции на атомите, чиято протяжност се дава с термалната дължина.

Тъй като има повече от един атом в обем AD и атомите се "припокриват" частично или почти напълно, вълните на атомната материя започват да "вибрират" кохерентно - "да пеят в хор на един глас."

Точният параметър на подреждане, описващ стационарна БАК, е вълновата функция на макроскопския кондензат (т. е пространствен вектор), често наричана "кондензатна вълнова функция."

Два кондензата с различни фази може да бъдат отличени един от друг при определени експерименти и това ги прави две различни термодинамични състояния с еднаква енергия. В такъв случай казваме, че БАК е явление, свързано с нарушение на симетрията на системата, като последната е преминала в състояние с по-ниска симетрия от тази на Хамилтониана.
Наистина, докато Хамилтонианът и нормалната фаза са инвариантни спрямо описаните глобални калибровъчни преобразувания, то кондензатът променя фазата си.

Това понижава симетрията на системата като цяло.
Тази симетрийна промяна, от по-висока към по-ниска симетрия, чрез изключване на едно свойство на инвариантност става спонтанно с появата на кондензата, което означава, че новото симетрийно свойство се явява с помощта на изменението на термодинамични параметри, които по никакъв начин не са свързани със симетрийни промени в системата.

Именно поради това такава симетрийна промяна се нарича спонтанна и това обстоятелство е причината за честото използване на термина спонтанно нарушена симетрия.

БАК е едно ярко явление на спонтанно нарушение на симетрията (spontaneous symmetry breaking) - термин, въведен за първи път от Голдстоун [11].

Да напомним, че описваната симетрийна промяна става в пространството на параметъра на подреждане -статистически усреднената вълнова функция ф на кондензата, която, в хомогенен газ, следва да е пространствено независима.

Друго често срещащо се понятие е фазова кохерентност, въведено от Ф. В. Андерсън [12].

То е предназначено да отбележи факта, че за да има ненулева, единна за целия кондензат (макроскопска) вълнова функция - (термодинамически равновесния) параметър на подреждане, фазата следва да не зависи от пространствената координата , т. е. да е една и съща за всички кондензатни атоми.

Това вече беше отбелязано в предходния параграф, но нека си представим значението на постоянството на фазата.

Ако имаме два кондензата, то всеки от тях ще се описва от своя, обща за кондензата вълнова функция с определен модул и фаза, независещи от r.

Тези две макроскопски вълни може да интерферират подобно на електроните от известния експеримент на Дейвисън и Джърмър.
Тук обаче става въпрос за два огромни (макроскопски) квантови обекта ("частици").

4. ПРЕДИЗВИКАТЕЛСТВАТА НА ПРИРОДАТА И НОБЕЛОВИЯТ ЕКСПЕРИМЕНТ

От годините, от които се помнят ред поколения физици, включително тези, които сега са в най-активна възраст, БАК, без да е експериментално открита, се приемаше като нещо установено и съществуващо. Нещо повече, БАК се оказа парадигма с огромен евристичен принос в изучаването на крупни физически проблеми.

За да си обясним това, важно е да се отбележи, че още от предсказанието му през 1924-25 гг., това явление влезе в идеални и непротиворечиви логически връзки с останалите физически знания.

Освен това съществуваха някои сходни, родствени черти в механизма и описанието на БАК от една страна и откритата през 1937 г.

Свръхфлуидност на 4He от друга, което лесно водеше до неточното внушение за еквивалентност на свръхфлуидност и БАК (поне в кратки и неточни учебни източници).

Да, но експертите добре знаеха, че идеалният Бозе газ не може да стане свръхфлуиден, както и че присъщата му БАК, в оригиналния вид, предсказан от Бозе и Айнщайн, е състояние доста различно по физични свойства от един свръхфлуид.

Дълги години на значителни успехи на нискотемпературната експериментална физика, за която са характерни тежкото апаратурно въоръжение, сложни методи и изискването за особено тънки експериментални умения, бяха открити невероятни тайни на природата като екзотичните свръхфлуидни и магнитни фази на 3He при ултраниски температури, квантовият ефект по Хол (всички тези също Нобелово премирани своевременно), но едно доста по-елементарно явление като БАК, остана неоткрито чак до 1995 г., въпреки теоретичното му предсказание от велики учени 70 години преди това.

Проблемът. Вече беше споменато, че трудността за постигане на БАК е в липсата на идеален газ от реални бозони в естествено състояние. Всички природни газове, които са ни известни на Земята, включват доста силно междучастичково взаимодействие и при обичайни плътности се втечняват и дори кристализират далеч преди температурата да се е понижила дотолкова, че те да удовлетворят изискването за квантово израждане или, с други думи, температурата им на втечняване надвишава значително Td и близката до нея Tc.

Голямото предизвикателство при получаването на БАК е в охлаждането на газ от бозони, така че средното разстояние между атомите да стане достатъчно малко, за да се осигури достатъчна за БАК плътност на газа, но в същото време, плътността не трябва да е толкова висока, че атомите да могат да рекомбинират (вж. Пр. т. 6) в молекули или даже да взаимодействат помежду си; последното би довело до нежелателната в случая, обичайна (Ван дер Ваалсова) кондензация в течност или пък дори до преход в кристал, както става в природата с всички познати вещества при атмосферно или по-високо налягане при интересуващите ни микро-Келвинови температури.

Следователно следва да се реши в лабораторни условия сложната задача за получаване на оптимално разреден газ, който да може да бъде смятан за идеален, при това плътността му да е достатъчно голяма, че при ултраниски, но достижими за експеримента температури, да може да се достигне под критичната температура на БАК:

Експериментални методи. Групата от Боулдър (вж. гл. 2) постигна първоначалното охлаждане на газ от рубидиеви атоми (87Rb) чрез лазерно охлаждане - ефект, премиран с Нобелова награда през 1997 г. Насочена срещу движещия се атом, дифузионната компонента на светлинното лъчение оказва "спирачен ефект." С този нов метод успяват да охладят газа от 600 К (температура, отговаряща на средна скорост на атомите, приблизително равна на 800 mls) до малко под 1 К (средна скорост 30 mls). Тъй като методът е ефективен при много разреден газ, а при спиране на атомите от дифузионната компонента на лазерното лъчение, те се локализират в определен обем с по-висока от началната плътност, то следва лазерното охлаждане да се замени при достигане на температура под 1 К с други охлаждащи методи, чрез които да се постигне заветната свръхниска температура.

След лазерното охлаждане Нобелово премираните групи от Боулдър и Масачузетс включват т.нар. охлаждане чрез изпаряване (evaporative cooling) на най-високоенергетичните атоми, за да се понижи средната скорост на атомите в газа, а оттам и температурата.

Терминът "охлаждане чрез изпаряване", взет направо от литературата на английски, в случая е малко неудачен, защото системата като цяло е некондензирана, така че най-високо енергетичните атоми, които при процес на изпаряване се наричат "пари" са в същото агрегатно газово състояние, както по-ниско енергетичните атоми. Така, в нашия случай става въпрос за понижение на температурата чрез отстраняване на най-енергетичните атоми.

При това, ако не методът на постигането, то поне физическият механизъм на това охлаждане е същият, по който се охлажда отворен термос с чай. Последното става най-вече чрез естественото изпарение на парите на чая. Да напомним също, че в криогенната физика е известен методът на охлаждане с изпомпване на парите на хелия, т. е. охлаждане чрез стимулиране на изпарението. Докато за лазерното охлаждане е необходимо газът да е доста разреден, то при охлаждането чрез изпарение е нужна достатъчна плътност, за да може след всеки отделен акт на отстраняване на високоскоростните атоми чрез естествено осъществяващите се удари между останалите атоми да се постигне бързо термодинамично равновесие в остатъчния облак.

Температурата постигната при първоначално лазерно охлаждане и достигнатото при това свиване на газа, се оказват добра стартова "точка" за включване на други експериментални методи, включително механизма на "охлаждане чрез изпарение."

Едновременно с процеса на охлаждане атомите попадат в магнитна потенциална яма с подходяща форма (magnetic trap), където и става кондензацията на малка част от тях. Това се постига с подходящо нехомогенно магнитно поле на свръхпроводящи магнити, като се използва въздействието на магнитното поле върху атомния спин.

Тъй като лазерните лъчи също са предназначени да локализират газовия облак в пространството, в определена "яма", говори се за оптично-магнитни ями (magneto-optical traps, "MOT").

Сега да очертаем в общи линии как са проведени тези експерименти. Естествено, първостепенна задача е облакът от алкални атоми, който ще се подлага на кондензация, да се пази далеч от стените на съда, за да се избегне всякакъв топлообмен и абсорбция. Освен това, поради малките плътности на работното вещество (газа), както в началото, така и в края на експеримента, работното вещество следва да се намира в камера с ултрависок вакуум, който да осигурява незначителни примеси от други атоми.

В противен случай остатъчни въздушни молекули биха играли ролята на "истински случайно разпределени примеси" (вж. например [10]), които имат деструктивен ефект върху почти всяка фаза със спонтанно нарушена симетрия, каквато е и БАК.

Последното означава или недостижимост на БАК въобще в система със случайни примеси или постигането й при значително по-ниска температура и модифицирани от примесите свойства, което е нежелателно, а и засега недостижимо при тези експерименти.

След първоначалното лазерно охлаждане до 30 mls в ултра-вакуумната камера, атомите се залавят във вече споменатата магнито-оптична яма, осъществена от нехомогенното магнитно поле и от шест лазерни лъча, пресичащи се в центъра на "ямата." Лазерните лъчи свиват облака от атоми до размери от порядъка на 1 - 3 mm. Светлинното налягане върху атомите и междуатомните удари, осигуряват охлаждане и релаксация до термодинамично равновесие при около 1 mK.

Обичайното лазерно охлаждане обаче има ограничения по температурата и плътността на охлаждания газ поради известни ефекти, като ефективно нагряване, дължащо се на спонтанната фотонна емисия и абсорбция на разсеяни фотони. За преодоляване на подобни трудности и достигане на желаните температури и плътност, в обсъжданите експерименти е използван т.н. "dark SPOT" (Dark Spontaneous-Force Optical Trap).

Тук ограниченията на стандартното лазерно охлаждане са преодолени чрез лазерно напомпване на захванатите атоми до хиперфино състояние, което не взаимодейства със залавящите лазерни лъчи, т. е. явява се "тъмно" състояние (dark state).

Необходимото залавяне и охлаждане се осигуряват чрез периодично осигуряван преход на атомите от "тъмно" в "светло" ("bright") състояние, като в последното те остават сравнително малко време. Оптимизирайки популацията на всяко от тези две състояния ("тъмно" и "светло"), се стига до повишаване на плътността с два порядъка. "Dark SPOT" методиката е била решаваща в експериментите, проведени в JILA и MIT.

По-нататък се прилага охлаждането чрез "изпаряване".

Практически това се осъществява чрез включване на подходящо радиочестотно (RF) поле.

Това поле обръща спина на атомите.
В резултат потенциалът на залавящата яма от привличащ се превръща в отблъскващ и изхвърля атома от ямата. Важното е, че тази схема е енергетически селективна, защото резонансната честота е пропорционална на магнитното поле и следователно на потенциалната енергия на атомите. Процесът може да се нагласи така, че от ямата да се изхвърлят само най-високо енергийните атоми.

Така описаните до сега магнито-оптични ями имат "отвор" в центъра, т. е. конфигурацията на магнитното поле е такава, че в центъра то е почти нула и оттам се губят част от атомите (в теорията това е известно като "пропадане по Майорана", Majorana flop)

Когато облакът от атоми вече се е охладил много и се е свил до милиметрови размери, загубите на работно вещество през тази "магнитна дупка" стават съществени. За отстраняване на този недостатък, групата от JILA използвала въртящо се магнитно поле, докато групата от MIT - допълнителен лазерен лъч (аргонов лазер) за "запушване" на магнитния отвор.

От 1996 г. до сега експерименталните установки за БАК са подобрени чрез използване на по-подходящи конфигурации на магнитното поле (т. нар. Ioffe- Pritchard magnetic traps [16], по имената на двама от авторите).

Освен постигане на БАК, последната следва и да се регистрира, наблюдава, изследва. За наблюдаване поведението на газа е използван методът на "абсорбционния образ" (absorption imaging).

Този метод отчита ("картографира") пространственото разпределение на фотоните, абсорбирани от атомите на газа. От 1996 г. се използва също и методът на наблюдение на БАК чрез дисперсионно светлинно разсейване, който отчита еластично разсеяните фотони, като се екранира директно преминаващата (без разсейване) светлина.

5. ЗНАЧЕНИЕ НА ОТКРИТИЕТО И ВЪЗМОЖНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Както се вижда от изложението не ни остава друго, освен да се убедим, че БАК по оригиналното предсказание на А. Айнщайн е наистина постигната в експериментални условия чрез един забележителен експеримент.

БАК открива пътя към лабораторното изследване на макроскопски квантови обекти (с размери засега от порядъка на 1 mm), което може да доведе до изясняване на основни въпроси на квантовата физика. Това постижение постави още през 1995 г. началото на нови и особено важни изследвания в атомната физика и във физиката на кондензираната материя.

По-нататъшните изследвания на БАК може да се окажат важни за проверка на валидността на фундаментални идеи и представи във физиката на многочастичковите системи, включително в термодинамиката на системите с ограничени размери ("малки" системи), за изясняване на микроскопичния произход на свръхфлуидността в многочастичкови бозонни системи с междучастичково взаимодействие, за тласък в изучаването на макроскопски квантови интерференционни явления, за повишаване на точността на експериментите по измерване на някои фундаментални константи, а също за евентуален успех по пътя на създаване на "атомен лазер" (за по-подробно обсъждане на последния.

В теоретичен аспект особено перспективни са изследванията на влиянието на слабо междучастичково взаимодействие в свръхохладени разредени квантови газове в условия близки до експерименталните.

В частност такива изследвания, съчетани с експериментални, биха могли да доведат до обяснение на прехода от БАК в състояние на свръхфлуидност.

Друг важен проблем е връзката между БАК и свръхпроводимостта, като за решаването му са необходими още изследвания, осветляващи БАК на бозони с електричен заряд, отново при отчитане на подходящи междучастичкови взаимодействия.

Вероятно ще се наложи теоретичните описания на експериментите, които засега се ограничават в рамките на подхода, основан на уравнението на Грос-Питаевски-Гинзбург, да се разширят чрез включване на флуктуационни ефекти, други варианти на описание на ефекта на магнитната яма, както и на задълбочена преценка на ефекта на реалните ограничителни условия (постоянни: плътност и/или налягане).

Да отбележим накратко някои възможни приложения на БАК, по които интензивно се правят изследвания:

- екситонната и биекситонната кондензация,
- биполяронната кондензация с оглед евентуални приложения в определени класове (базирани на екситонен, а не на фононен механизъм) високотемпературни свръхпроводници,
- БАК на позитроний и свръхфлуидност в ядрената материя.

Накрая да посочим някои литературни източници, където проблеми на БАК се обсъждат по начин, който е достъпен за неспециалисти. Да споменем и сборника от статии, съдържащ ценна експертна информация за теоретичните и експериментални аспекти на изследванията по БАК до 1995 г.

Приложение: Пояснения и допълнения към основния текст

1. Термодинамично равновесие възниква в макроскопски системи, състоящи се от голям брой частици (N ~ NA ~ 1023). Броят частици N може и да е с порядъци по-малък от числото на Авогадро NA, но във всички случаи той следва да е достатъчно голям, за да се използва термодинамичната граница (вж. също гл. 3, § "Преходът към континуално описание").

2. Ле величина, аналогична на дължината на вълната, въведена от Дьо Бройл (de Broglie) и понякога я наричат "термална дължината на вълната по Дьо Бройл" или накратко "Дьо Бройлева термална дължина." Следва да се има предвид, че Л е статистически средна величина, характеризираща квантовите корелации и различаваща се от оригинално въведената от Дьо Бройл дължина на вълната за една частица. Тя може да се използва за оценка на пространствения размер на вълновата функция на атомите в газа в
зависимост от температурата. Да напомним също, че: h = 2яЛ e константата на Планк, p = Mt е импулсът на атомите, а с m означаваме масата на атомите,
която влиза в израза за Л. С kB е означена константата на Болцман.

3. Някои ефективни (полеви) модели на многочастичковите системи с далекодействащ потенциал на междучастичковите взаимодействия, описват т.нар. композитни бозони (composite bosons) или квазичастици, които може да имат енергетичен спектър, описван с 0 < ợ < 2 4. Величините плътност n = (N/V) и разпределението по енергии n(s) са различни, като връзката помежду им се дава, като се разделят двете страни на равенството (2) с V. 5. При наличие на магнитно поле Хамилтонианът на свръхпроводника по Гинзбург и Ландау е инвариантен по отношение на определени локални калибровъчни трансформации, но не и спрямо глобални трансформации от обсъждания тук вид. 6. Известно е, че отпреди 1980 г. чак до провеждането на описваните експерименти от 1995 г. водеща по осъществяване на БАК беше групата на Исак Силвера (Isaak F. Silvera) от Харвардския университет, която работеше с атомарен водород (H). Техните експерименти от посочения период имаха съществени трудности, една от които е високата степен на рекомбинация на атомите в молекули. При тези експерименти първоначално е използвано охлаждане с помощта на "охладител чрез разтваряне на 3Не в 4Не", след това залавяне в магнитно поле и по-нататък охлаждане чрез "изпаряване." По общи оценки тази група беше твърде близо до осъществяване на БАК.

...

Литература 1. S. N. Bose, Z. Phys. 26 (1924) 178. (Тази статия на Бозе е препечатана в сб. трудове на А. Айнщайн, споменат в [3]). 2. A. Einstein, Sitzber. Kgl. Preuss. Acad. Wiss,, Phys.-math. (1924), p. 261; ibid, (1925) p. 3. Историята на Бозе-Айнщайновата статистика се описва в книгата на А. Pais, Subtle is the Lord, the Science and the Life of Albert Einstein (Clarendon Press, Oxford, 1982), Ch. 23. 3. Статиите [2] на А. Айнщайн са препечатани в сб. трудове, вж. напр. Собрание научнмх трудов в 4 томах, под. ред. И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского и Б. Г. Кузнецова, (Наука, Москва, 1966), т. III, стр. 481 и 489. Изводът на Бозе [1] e представен в съвременна форма в много книги, вж. напр.: R. P. Feynman, R. B. Leighton, and Matthew Sands, The Feynman Lectures on Physics, v. 3, Quantum Mechanics (Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1963), Ch. 2.5. [На руски: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сзндс, Фейнмановские лекции по физике, тт. 8, 9, Квантовая механика (Мир, Москва, 1978), гл. 2, §5.]. Описанието на явлението БАК в идеални квантови (Бозе-) газове при постоянна плътност на частиците се дава в почти всеки университетски учебник по статистическа физика; вж., напр., [4, 5]. 4. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Статистическая физика, ч. 1, изд. 3- е, дополненное Е. М. Лифшицем и Л. П. Питаевским (Наука, Москва, 1976); English transl. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical Physics, p. I; revised ed. by L. P. Pitaevskii (Pergamon Press, London, 1981). 5. K. Huang, Statistical Mechanics (Wiley, New York, 1987). 6. (a). M. N. Anderson, J. R. Enster, M. R. Matthews, C. E. Wieman, and E. A. Cornell, Science 269 (1995) 198, (b) K. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. S. Dufree, D. M. Kurn, and W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 3969. 7. C. C. Bradley, C. A. Sackett, J. J. Tollet, and R. G. Hulet, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 1687. Нови резултати са докладвани от същата група на конференция през май 1996 г. [DAMOP Meeting, Ann Arbor, Michigan, May 1996]. 8. P. Lacour-Gayet and G. Toulouse, J. Physique 35 (1974) 426. 9. L. De Cesare and D. I. Uzunov, in: Correlations, Coherence, and Order, ed. by D. V. Shopova and D. I. Uzunov (Kluwer Academic/Plenum Publ., New York - London, 1999), p.29-81. 10. D. I. Uzunov, Theory of Critical Phenomena (World Scientific, 1993). 11. J. Goldstone, Nuovo Cimento 19 (1961) 154. 12. P. W. Anderson, Basic Notions of Condensed Matter Physics (Benjamin - Cummings, Menlo Park, 1984). 13. C. N. Yang, Rev. Mod. Phys. 34 (1962) 4. 14. П. Л. Капица, ДАН СССР 18 (1938) 21; вж. също Nature 141 (1938) 74 (последната статия е получена за печат на 04.12.1937 г.). 15. I. F. Silvera, J. Low Temp. Phys. 89 (1992) 287; I. F. Silvera and M. Reynolds, ibid, 87 (1992) 343. 16. Y. V. Gott, M. S. Ioffe and V. G. Tel'kovskii, Nucl. Fusion, Suppl., Part 3 (1962) 1045; ibid, Pt. 3 (1962) 1284; D. E. Pritchard, Phys. Rev. Lett. 51 (1983) 1336. 17. За теорията вж. следните обзори и цит. в тях оригинални статии: Л. П. Питаевский, УФН168 (1998) 641; F. Dalfovo, S. Giorgini, L. P. Pitaevskii, and S. Stringari, Rev. Mod. Phys. 71 (1999) 463. 18. (a) C. Towndsend, W. Ketterle, S. Stringari, Physics World, March 1997, p. 29. (b) K. Helmerson and W. D. Phillips, "Atom Lasers", Physics World, 27.11.2001; www.physicsweb.org/article/world/12/8/8. (c) P. B. Andersen and M. A. Kasevich, Science 282 (1998) 1686. 19. Bose-Einstein Condensation, ed. by A. Grifin, D. W. Snoke, and S. Stringari (Cambridge University Press, Cambridge, 1995; reprinted 1996). ...

...

"Какво мъжете знаят за жените" - I. -

2012-01-09T12:30:00.018+02:00

Ревю на единствената книга, която съм прочела

...

Ностро интуитивно, съвсем правилно ме пропусна в един списък за разпит, свързан с някакво, абсурдно за мен начинание - блогъри да си обменят голи снимки на информационните си източници и да клюкарят около тях. Вярно е и видно, че Ностро прави разкошни фотографии на книгите, които аз чета, но това може ли да е основание да иска същото от мен? За да не раздухвам повече проблемите в отношенията ни, които се появиха покрай буконисткия му ексхибиционизъм, само ще кажа, че аз не чета.

Официално завявам, че не чета. Аз пиша... може и да е за това.

И все пак, има две книжлета, които успях да разлистя за целия си живот: "Какво мъжете знаят за жените?" I и II части.

Д-р Макмилън, който твърди, че ги е писал, според мен сериозно бута масло.
На сметана го разбива. Ще оставя сами да се убедите в тези ми изводи.

Сигурно се чудите, защо при тези обстоятелства съм захванала точно тези две книги, при този необятен избор? Много добър въпрос. Въпрос, съдържащ отговора си. Изборът винаги води до конкретни последствия. Мен, до тук ме заведе.

Книгите са написани неясно, объркващо и със симпатично мастило, което допълнително затруднява прочита им, за това не мога да им направя ревю, а ще ви цитирам откъс от първата.
Ако ви стане любопитно, във друг пост мога да пусна откъс от втората.

Голи снимки на първата книга отпред, отзад и отвътре:

"
Като разправям аз, че путката си е нечовешка работа, никой ме не слуша, а всеки вижда, че жената не е като човека.

С далеч по-сложна, неразбрана и мистериозна природа е, при все, че човекът, откакто го има си тъне в мистерии и загадки.

Ей на – курът… колко разбрано и удобно е устроен - може да върви… може и да не върви в комплект с притежателя си.

А с путката, особено в днешно време, взаимодействията хич не са ясни. Попитайте, който и да е мъж на улицата и веднага ще ви потвърди научните ми изводи.

ВАЖНИ ВЪПРОСИ И ОТГОВОРИ С ДЪЛБОКО НАУЧНА ОСНОВА

На колко хора им е ясно, че „Путката си е путка, ако ще и жената да си гледа работата”?
А на колко жени?
Правена ли е статистика? Да?. … Не? … И после нямало конспирация. Айде, бе! Всички сме съзаклятници… и контраразузнаването на феминистките тайни служби даже е в играта.
Статистиката алармира, че на все повече места по земята се наблюдава излишък от жени. … корелиращ с остър недостиг на путки.

От друга страна, където се наблюдава изобилие на путки, жената е ценена рядкост.

Можем ли изобщо да твърдим, че имаме емпирично обоснована теория на загадъчната женска природа, когато експериментите показват, че и жената и путката, могат да бъдат засечени на места, но се държат като квантови частици – знаем им скоростта на движение, но не и мястото или обратното. Т.е - не могат да си ни известни и двете едновременно.

В някои научни среди се прокрадват хипотези разбулващи същността на този феномен, наречен с кодовото име „който каквото и да разправя, путката си е чудна работа и… а дано си остане такава, че на нея се крепи мистерията на живота (ни)”.

Как успяват въобще да се съчетаят в единен организъм путката и жената?

Дали в основата на тази мистерия не стои онази, единствено присъщата на жената способност да прави от мухата – слон напр., чрез квантов, биомолекулярен механизъм, задълбочаващо поддържащ разцеплението между квантовата физика и теорията на относителността?

Каквито и да са научните анализи... конфликтът… войната между жената и путката й, ако е на лице, е дълбоко социално нежелан и води до остър недостиг на путки и на жени едновременно.

Верно е, че и мъжете хич ги няма, ама те поне статистически са доказано липсващи. Докато жените на хартия демонстрират сериозен превес.

Какви са скритите механизми, които създават и поддържат опасно възникналото ОЧЕВАДНО разединение между жената и нейната путка, което може да прерасне в застрашаващ живота раздор?

Как се получава така, че хем путката се отнася единствено към жената, хем е относителна спрямо нея?
И какви са причините за задълбочаващата се женска амнезия завладяла широки райони в Европа, щатите, Австралия и други места – състояща се в това, че жената гледа да забрави, че жената прави путката, но никога не забравя, че путката прави жената.

ИСТОРИЧЕСКИ ПРЕГЛЕД НА РАЗИСКВАНИТЕ ПРОБЛЕМИ

Преди науката да се озадачи по тези мистериозни въпроси, религията им сърбаше попарата, щото и тя си има право на хипотезиране, при положение, че във физиката има 10400 теории за живота, вселената и всички останали.

РЕЛИГИОЗНАТА ТЕОРИЯ НАКРАТКО

Адам е направен от „пръст”, т.е произходът му е земен. Докато този на Ева, е преди всичко извънземен, освен, свързващият я със планетата ни елемент – адамовото ребро. Разбира се, че дори само това, е достатъчно основание жената да се възприема като мистична и фантастична и т.н. и т.н.

СЪВРЕМЕННА ИНТЕГРАТИВНА, РЕЛИГИОЗНО – ЕВОЛЮЦИОННА ТЕОРИЯ

Колкото и да изглежда на пръв поглед, че добре познаваме „трудният път на извънземната жена до съвременния й еквивалент на Шесторъката Шива”, не познаваме жените, както и те почти не се познават, при все, че принадлежат към собственото си множество.
На какво ли се дължат гореспоменатите мутации?
Обществена тайна са подмолните тенденции изразени във факта, че преобладаващо съвременната жена губи връзка с вагината си.

На внушително количество жени, вагината им и да им говори, остава нечута.
Все повече учени изказват опасенията си, че подобни процеси могат да доведат до края на света на 20-ти декември 2012 г., по майският календар

или на 86-ти минтембър 3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679 ... г. - по тербанийският календар.

/Не изпадайте в психоза, ако някои от тези дати ви се сторят плашещо близки. Това се дължи на ефекта на паралелността. Дори и аз - толкова уважаван доктор, неодобряващ съмнителната близост, имам роднинска връзка с паралените си безбройни азове разхвърляни в неустановимото. Никой не е застрахован. /

Да продължаваме ли да се безпокоим от неизвестността, щом откакто човекът го има, от тогава и нея я има - жената – съответно и нейната мистерия ?

Най-новите системни теории се опитват да аксиоматизират поне в основи разпилените научни мисли, опитващи да разберат женската природа.

В последните години се оказа, че и жената да е тази, дето има проблема със своята неяснота, няколко подценявани до сега елемента, са ключът към женската мистериозност – съответно към решаването на световните проблеми въобще.

ЕЛЕМЕНТАРНИТЕ ЧАСТИЦИ, ИЗГРАЖДАЩИ МАТЕРИЯТА НА ЖЕНСКАТА МИСТЕРИЯ:

- жена (с извънземен произход)
- путка ( с подчертано паранормален произход).
- мъж (с земен произход),
- курЪТ му ( с вдУхнат произход),

Това са ЕМПИРИЧНО УСТАНОВЕНИТЕ неразложими елементи, изграждащи загадката, които обаче тепърва ще се изследват от системна гледна точка. Т.е тепърва ще се търсят и доказват взаимовръзките между тези 4 елемента и най-вече взаимодействията между тях.
Рано е да се правят прогнози, освен за около седмица напред и то неточни.

Тези, които не обичат мистификациите и искат да докажат, че в живота няма нищо фантастично, поддържат теорията, че неразривната системна свързаност между путката и жената, е дълбоко вкоренен защитен механизъм, изобретен от милионите години еволюция, за да поддържа оцеляването на жената като вид, защото, както някои тенденции показват, ако можеше путката да си е самостоятелна и независима, както курът си го може, то жива жена немаше да остане на земята.

Опростено казано, жената щеше да отпадне като рудаментарен орган, а не вагината й, както, все по-често се случва в някои силно развити страни.

Еволюирането е преди всичко системосъобразна промяна, която е адаптивна от гледна точка на оцеляването и приспособяването към променящите се условия и среда, а не просто неволна грешка, въпреки, че благодарение на грешки, що живот се е създал…

Не всяка промяна може да се превърне в адаптивна.
Много промени са довели до разрушаване както на системата, така и на участващите в нея елементи.

Има желани и нежелани мутации – убиващи и животоспасяващи.
Еволюцията е даже по мистериозна от женската природа.

За това, до изясняване на неизяснимото, предлагам, за всеки случай да противостоим на разединението на всички нива - с каквито и да е средства, за да опазим същностната обединителна и съзидателна сила на живота, изразена в упорития хилядолетен отказ на жената да се откомплектова от путката си, запазвайки по този начин крехкото, но и сладострастно системно единство с мъжа."

...