Общие сведения
Характерная особенность современного естествознания – рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний. К одной из таких наук относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику.
У микроэлектроники и наноэлектроники один общий корень – электроника. В соответствии со строгим определением электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод, тетрод, пентод и т. д.).
С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника – наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения быстродействия и надежности.
Основу электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число микроминиатюрных элементов и электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом процессе. Микроэлектроника развивается в направлении уменьшения размеров содержащихся в интегральной схеме элементов (до 0,1–1,0 мкм), повышения степени интеграции (до 106–107 элементов на кристалл), плотности упаковки (до 105 элементов в 1 мм3), а также использования различных по принципу действия приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезистивных и др.). В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем, размеры элементов которых определяются нанометрами (10-9 м), т. е. постепенно набирает силу наноэлектроника – наиболее важное направление микроэлектроники, характеризующее современный этап развития естествознания.
Разнообразные микроэлектронные приборы и устройства в различных формах исполнения нашли широкое применение практически во всех технических средствах, связанных с многими сферами деятельности человека. Достижения в микроэлектонике способствовали созданию космических кораблей и управляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким качеством звучания и изображения – это тоже продукт микроэлектроники. На промышленной микроэлектронике базируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин для различных отраслей экономики. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, – это тоже микроэлектроника.
Едва ли можно назвать такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлектронной аппаратурой, прежде всего как пользователь. Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлектронных средств зависит не только уровень совершенства того или иного технического устройства, но и прогресс, а также темпы развития той или иной отрасли современной экономики. На первый взгляд может показаться лишним знание концепций развития микроэлектроники, особенно для специалистов нетехнических направлений и, в частности, для будущих экономистов. Однако настоящая экономика прежде всего связана с жизнью и в первую очередь с потребностями человека. Изучение потребностей человека без знаний возможностей производить материальные ценности хотя и необходимо, но крайне недостаточно для формирования специалиста высокой квалификации с широким кругозором. Не вызывает сомнения, что таким специалистом наряду с другими должен быть экономист. Именно экономист, как правило, производит первую экспертную оценку нового технического предложения. И от его оценки зависит во многом дальнейшая судьба технического предложения. А так как практически все современные технические предприятия в той или иной степени связаны либо с микро электронной продукцией, либо с ее непосредственным производством, то знание основных проблем, тенденций развития и потенциальных возможностей микроэлектроники не менее важно, чем представление о производительных силах и производственных отношениях. На базе именно таких всесторонних знаний может быть принято наиболее удачное решение, способствующее развитию какого-то производства либо отрасли в целом. Кроме того, также важно знать, и прежде всего экономисту, какой ценой будет решена поставленная конкретная задача. Но для этого полезно представлять, какой ценой дались известные достижения, существенно изменившие сущность производительных сил и характер производственных отношений.
Развитие твердотельной электроники
Эпоха развития твердотельной электроники имеет более чем столетнюю историю; она началась с возникших и долго необъясняемых физических загадок, так называемых «плохих» проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой – с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время французский физик А.С. Беккерель (1788–1878) обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила – фото ЭДС - вторая загадка.
Было обнаружено, кроме того, изменение сопротивления селеновых стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами «плохих» проводников. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850–1918) сделал важное открытие: переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.
Примерно за 40 лет физических исследований состав «плохих» проводников существенно расширился. К ним были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, закись меди и т. п. Этот класс веществ стали называть полупроводниками. Эффекты выпрямления электрического тока, фотопроводимость полупроводников стали применять для практических целей. Были созданы фотоэлемент и твердотельный выпрямитель электрического тока.
В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855–1938) открыл явление возникновения электрического поля в проводнике (тонкой пластине золота) с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках: в одних полупроводниках электрическое поле направлено в одну сторону, а в других – в противоположную. Предполагалось, что направление данного поля определяют электроны и какие-то, в то время неизвестные, положительно заряженные частицы. Открытие Э. Холла– четвертая загадка «плохих» проводников.
Созданная Дж. Максвеллом теория электромагнитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок. Пока физики-теоретики искали отгадки, инженеры все шире применяли полупроводники. В начале нынешнего столетия ученые увлеклись исследованием беспроводной связи. Были созданы первые приемники радиоволн, способные детектировать сигналы. В них использовались контакты из полупроводниковых материалов и металла. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не могли.
Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О. Лосев (1903–1942) обнаружил на вольт-амперной характеристике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на основе чего создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детектор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие – полупроводник (кристалл цинкита). Однако хотя открытие О. Лосева и вызвало большой интерес в те годы, оно не нашло промышленного внедрения. 30–40-е годы – пора расцвета электровакуумных ламп, которые широко применялись в различных устройствах радиосвязи. Ненадежные в те годы полупроводниковые приборы не могли конкурировать с электронными лампами. В полупроводниковой электронике четыре загадки оставались неразгаданными почти 100 лет.
Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводников – интерметаллических соединений с полупроводниковыми свойствами. Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое состояние электронов образуют так называемые зоны, разделенные промежутками запрещенных значений энергий. В верхней зоне находятся свободные заряды; она названа зоной проводимости. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если же ширина запрещенной зоны невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. Например, при разогреве твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они переходят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, стало быть сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводимости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и освещении.
В результате анализа электропроводности полупроводников был сделан вывод: на освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону проводимости образуются вакансии или дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые названы донорными, вторые – акцепторными.
В конце 30-х годов трое ученых-физиков – советский А. Давыдов, английский Н. Мотт и немецкий В. Шоттки – независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, в соответствии с которой в полупроводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников происходит обеднение носителями зарядов и возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствующий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.
В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так впервые был создан р-n-переход, ставший важнейшим элементом современной полупроводниковой электроники, и к сороковым годам удалось разгадать все четыре загадки «плохих» проводников.
Первым твердотельным прибором для усиления электрического тока, способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния n-типа. Демонстрация первого транзистора состоялась в 1948 г. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908–1991), У. Браттейн (1902–1987) и У. Шокли (1910–1989) получили Нобелевскую премию.
Истоки современной микроэлектронной технологии
На примере совершенствования различных полупроводниковых приборов можно проследить развитие микроэлектронной технологии, позволившее создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем и большие интегральные схемы, на базе которых производится разнообразная электронная техника, включая современную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т. п.
Технологические разработки всегда важны, но на этапе промышленного освоения роль их существенно возрастает. Началом промышленного производства полупроводниковых приборов можно считать середину 50-х годов, когда был предложен технологический прием зонной очистки, позволивший получить равномерное распределение примесей в кристалле. К 1955 г. была налажена технология изготовления транзисторов со сплавными и р-n-переходами. Потом появились разновидности сплавных транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.
Разработанный электрохимический метод получения базовых слоев позволил создавать новые виды дискретных транзисторов: микросплавные, поверхностно-барьерные, сплавно-диффузионные, микрослойные. Частотный диапазон их работы достиг нескольких мегагерц. Началось производство автоматизированного оборудования для производства транзисторов.
Для получения р-n -переходов стали использовать диффузионный метод, который обеспечивал равномерное распределение примесных атомов в кристалле при нагревании его в атмосфере, содержащей необходимые примеси. Этот метод положил начало групповой технологии производства приборов.
В конце 50-х годов была разработана технология создания планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую структуру. Особенность этой технологии – возможность создания множества приборов на одной подложке. Такая технология открыла путь к групповой технологии производства транзисторов и его автоматизации.
В истории разработки транзисторов известны примеры новых технических решений, которые открывали новые направления в полупроводниковой электронике. Одним из таких примеров может служить разработка полевых транзисторов, которые могли выполнять функции резисторов, управляемых напряжением. Типичный полевой транзистор реализован на базе структуры металл–окисел–полупроводник и носит название МОП-транзистор.
Развитие дискретной полупроводниковой техники, возможность автоматизации производства привели к интеграции. Эта идея в сущности не нова. Еще до Второй мировой войны предпринимались попытки изготовления интегрального устройства, объединяющего резистор с конденсатором для катодной цепи электровакуумной лампы. Однако технология того времени не позволила реализовать эту идею.
Идея интеграции в полупроводниковом производстве пришла со стороны технологии в электронном материаловедении. В 1960 г. был предложен метод изготовления транзисторов в тонком эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. Таким способом удавалось на прочной толстой подложке создать транзисторы стойкой базой. Открылась возможность разработки высокочастотных транзисторов большой мощности. Было предложено использовать транзисторы с тонкопленочными проводниками в пределах одной пластины. Такие транзисторы получили название интегральных, а кристаллы стали называть интегральными схемами.
Таким образом, наряду с дискретной твердотельной электроникой появилась интегральная электроника, основанная на тонкопленочной групповой технологии. По мере освоения тонкопленочной технологии стали осаждаться тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т. д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, на базе которых созданы многие высокочувствительные преобразователи и устройства. В нашей стране изготовление тонких магнитных пленок и их экспериментальное исследование впервые начаты в начале 60-х годов на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного магнитолога Р.В. Телеснина (1905–1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материалов.
Повышение степени интеграции и новые технологии
Основная продукция микроэлектроники за последние десятилетия – разнообразные интегральные схемы. На протяжении достаточно длительного времени наблюдается устойчивая тенденция экспоненциального увеличения степени их интеграции, для которой, как показывает анализ, возможны три пути роста. Первый связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование технологических процессов, особенно литографии, а также процессов травления позволяло ежегодно уменьшать характерный размер на 11%. В настоящее время достигнут топологический размер 0,3–0,5 мкм, а в ряде экспериментальных работ используется топографический рисунок с еще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение топологических размеров требует новых технологических приемов.
Увеличение площади кристалла – второй путь повышения степени интеграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших размеров – весьма сложная технологическая задача. Наличие же дефектов резко снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость интегральной схемы.
Третий путь заключается в оптимизации конструктивных приемов компоновки элементов.
Предполагается, что на базе современной технологии при изготовлении интегральной схемы на монолитном кремнии может быть достигнута степень интеграции до 107 элементов на кристалл. Совсем недавно японская фирма «Хитачи» разработала новую серию 32-разрядного однокристального микропроцессора, содержащего 450 000 транзисторов.
Разработчики интегральных схем ищут способы преодоления технологических и физических барьеров на пути повышения степени интеграции. Разрабатываются вертикальные структуры, открывающие определенные перспективы трехмерной интеграции. Проводятся работы по компоновке на одной пластине десятков микропроцессорных больших интегральных схем запоминающих устройств. Разрабатываются ультрабольшие и гигантские интегральные схемы.
За последние десятилетия число активных и пассивных элементов на одном полупроводниковом кристалле возросло от нескольких десятков до сотен тысяч. Это привело к тому, что характерные размеры элементов интегральных схем становятся близкими к микрометру. Такие схемы используются в сложной малогабаритной электронной аппаратуре, предназначенной для роботов и гибких автоматизированных производств, космических комплексов, систем связи и радиолокационной техники.
Однако вскоре стало ясно, что переход к еще меньшим размерам элементов требует нового подхода. При получении размеров топологических элементов менее 1 мкм возникают принципиальные трудности физического и технологического характера, свойственные лишь субмикронной микроэлектронике. Эта область электроники получила развитие в качестве самостоятельного научного направления в начале 80-х годов. С уменьшением размеров элементов пришлось отказаться от ряда традиционных технологических операций. Так как длина волны света стала препятствием на пути миниатюризации, фотографию заменили электронной, ионной и рентгеновской литографией. Диффузионные процессы заменили ионной и электронно-стимулированной имплантацией. Термическое испарение и отжиг материала заменили ионно-лучевым, ионно-плазменным, электроннолучевым: появилась возможность локального воздействия на поверхность полупроводникового кристалла, когда кристалл в целом остается холодным.
До последнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки подобно тому, как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену такому процессу пришла молекулярно-инженерная технология, которая позволит строить приборы атом за атомом по аналогии с тем, как дом складывают по кирпичику. Уже сейчас молекулярно-инженерная технология находит применение, например, в производстве приборов на основе молекулярных пленок, молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой и электронно-стимулированной управляемой имплантации. Для того чтобы молекулярно-инженерная микротехнология стала реальностью, следует развивать соответствующие методы.
Использование в технологическом производстве лучевых методов (электронно-лучевых, ионно-лучевых, рентгеновских) совместно с вакуумной технологией позволяет получать приборы с размерами элементов до 10–25 нм. Переход в этот диапазон требует решения фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процессам.
Вследствие большой напряженности электрического поля, возникающего в приборах с такими малыми размерами, механизмы переноса дырок и электронов принципиально изменяются Скорость электронов становится очень большой. Время между двумя столкновениями сильно уменьшается. Появляется возможность открытия новых физических явлений и построения приборов на их основе. Естественно, что эволюция технологических методов будет способствовать широкому проникновению научных принципов в разработку интегральных схем и поиску физических эффектов для их построения.
С развитием новых технологических процессов размеры рукотворных структур становятся соизмеримыми с бактериями, вирусами, макромолекулами.
В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом можно направленно изменять их физико-химические и электронно-физические свойства, что позволяет получать приборы с заданными характеристиками.
Сфокусированные ионные потоки – это уникальный инструмент для прецизионной обработки всех известных материалов. Такой метод позволяет создавать принципиально новые конструкции приборов. Разрабатываются различные ионно-лучевые установки. Рентгеновские установки позволяют реализовать тиражирование изображений с субмикронными размерами элементов, недоступных световой оптике. Современная технология осаждения тонких пленок позволяет с точностью до 10 нм (это только на два порядка больше диаметра атома) выдерживать размер микроэлектронного прибора в измерении, перпендикулярном плоскости подложки. Формирование с такой же точностью рисунка на плоскости значительно сложнее. Оно обычно осуществляется с помощью процесса литографии на основе технологии печати.
С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и уменьшение размеров рисунка. Реализуется возможность получения линий шириной 0,5 мкм с допусками 0,1 мкм. Для выполнения этих требований необходима разработка систем формирования (синтезирования) рисунка с очень высокой разрешающей способностью. Рисунок синтезируется экспонированием (светом, рентгеновским излучением, электронным или ионным пучком с последующим проявлением скрытого изображения) соответствующих участков тонкого слоя резистивного материма, нанесенного на пластину, например, кремния.
Одновременно идет поиск новых применений субмикронной литографии. Обнаружено, что можно регистрировать световой поток не с помощью фотодиода или другого подобного прибора, а с помощью проводников, чередование которых идет с шагом, кратным длине волны света, а свет падает вдоль этой решетки. Прибор работает как антенна, в элементах которой наводится электрический ток. Размеры элементов такого приемника таковы, что они не могут быть изготовлены традиционным способом фотолитографии. На помощь приходит микролитография – электронная, ионная и рентгеновская.
Ожидается, что в ближайшее время промышленность освоит интегральные схемы с миниатюрными размерами отдельных деталей 0,2–0,3 мкм (200– 300 нм). Число таких элементов в схеме – полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров – достигнет десятков миллионов, т. е. увеличится по крайней мере в 1000 раз. Возможности интегральных схем при этом возрастут не в 1000 раз, а гораздо больше. Предполагается, что в ближайшие годы число элементов на кристалле достигнет 7 млрд, правда, такой прогноз называют осторожным.
Сейчас основной материал полупроводниковых приборов – кремний. Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду галлия, фосфиду индия, кадмий – ртуть – теллуру и др.
С развитием наноэлектроники изменяется и архитектура полупроводниковых приборов. Все процессы, определяющие работу интегральной схемы и вообще полупроводниковых приборов, как правило, происходят в тонких приповерхностных слоях толщиной до одного атомного слоя. Это одномерная архитектура. Наноэлектроника позволяет создавать трехмерные – многослойные структуры. Технология получения многослойных структур разрабатывается. На этой основе развивается новое направление электроники, называемое функциональной электроникой. В первую очередь это оптоэлектроника. Размеры оптоэлектронных структур могут достигать 100 нм (доли длин световых волн), размеры отдельных деталей – 20 нм.
Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных органических молекул в качестве элементов микросхем. Оперировать такими молекулами можно только с помощью электронных и ионных пучков. Все более реальным становится создание машины по аналогии с человеческим мозгом с развитием новых технологических приемов.
В настоящее время интенсивно развивается молекулярно-инженерная технология, результатами твердотельной технологии человечество уже пользуется, и ее совершенствование и переход к наноэлектронике и многомолекулярным структурам приближаются к решению поставленных задач.
Лазерные технологии
Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров
Лазер – это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вызывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интересного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекательном, из которой выходит тоненький луч – зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить? Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направлению – нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер – источник необыкновенного света, который может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить движущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза и т. д.
В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним: для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от источника в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожектора луч становится раза в два шире. Лазеру же собирающие зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазерного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал – около 10-5 рад, и тем не менее, на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, испущенный с Земли, даст пятно диаметром примерно 3 км.
Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Преломляясь в призме, луч белого света превращается в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазерный луч – в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Благодаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись информации с высокой плотностью – крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации – сотни мегабайт.
В-третьих, лазер – самый мощный источник света. В узком интервале спектра кратковременно (10-11 с) достигается мощность излучения 1012–1013 Вт с одного квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же площади равна только 7 . 103 Вт, причем суммарно по всему спектру. На узкий интервал, равный ширине спектральной линии лазерного излучения, приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, составляет 1010–1012 В/см; она превышает напряженность поля внутри атома.
Названные удивительные свойства лазерного излучения придали свету новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха».
В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер – рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркального кожуха. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота генерации импульсных лазеров может достигать более 10 млн вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное. Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощность – тысячи ватт. Мощность эту можно повысить, увеличив размеры активного лазерного элемента. А можно позади этого элемента поставить еще один лазерный стержень с лампой-вспышкой, т. е. еще один лазер, но без зеркал. Импульс света первого лазера заставит срабатывать второй. Оба световых импульса, сложившись, удваивают мощность вспышки. Но размеры стержня нельзя увеличивать беспредельно: чем больше стержень, тем больше потери света в нем. Поэтому стержни даже из лучших материалов нет смысла делать длиннее 50–60 см. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для многих целей, о некоторых из них рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое излучение, его дают газовые лазеры. Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в том же 1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры работают на многих газах и парах. Все они дают непрерывное излучение в очень широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного света.
Однако на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Молекулы газа возбуждены и готовы к работе: температура в камере сгорания доходит до тысячи с лишним градусов, а давление – до 20 атм. Раскаленные газы из камеры сгорания вытекают через расширяющееся реактивное сопло, иногда называемое соплом Лаваля. В нем газ разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясь между зеркалами, молекулы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч мощностью 150–200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.
Но не только газовые лазеры дают непрерывное излучение. Его дает и полупроводниковый лазер, который вдохнул жизнь в оптическую запись. О ее возможностях рассказано выше, о ней имеют представление многие пользователи персональных компьютеров, державшие в руках лазерный диск, который привлекателен не только своим внешним видом, но и своей информационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни тысяч страниц текста.
Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия – соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В последнее время проводятся интенсивные работы, направленные на создание полупроводникового лазера, способного генерировать непрерывное излучение большой мощности.
Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах. А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов; плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.
Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостные лампы могут излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолетового до инфракрасного света – и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя. В последнее время разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в возбужденное состояние при действии энергии накачки химических реакций.
Волоконно-оптическая связь
На пути использования лазерного луча встали трудности: как передать его. Возникла интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти вперед. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню – толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки, волоконный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.
В последнее время успешно развивается волоконная оптика – раздел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи. но и целые картины. При помощи световодов можно менять размеры изображения: если взять волокно, расширяющееся от начала к концу, изображение увеличится, если сужающееся – уменьшится. Гибкихе волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их: световод вводится внутрь через небольшое отверстие, свет от рампы попадает туда тоже по световоду. Таким образом можно осматривать не только машину, можно заглянуть в желудок человека и посмотреть, не угрожает ли ему язва или другая неприятность.
По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства – белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.
Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазерным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.
Перспективные направления развития лазерных технологий
Лазерные технологии по многообразию применений едва ли уступают охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронной технологии. Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах, а во-вторых, при селективном воздействии на атомы, ионы и молекулы, вызывающем процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимической реакции. В этой связи возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии, такие, как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, а также закаливает, сверлит, проверяет качество обработки деталей и делает множество других не менее важных дел. Обо всем этом рассказать невозможно, но кое о чем попытаемся.
Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инфракрасный луч, позволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя. Лучом лазера можно резать стальной лист толщиной до 40 мм. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движением управляет ЭВМ. При этом экономится до 15% материала. Такая лазерная установка может резать не только сталь, но и вообще любой листовой материал.
Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хрупкой Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Такая деталь устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат – гордость русских оружейников.
Лазер помогает сажать самолеты. Идеально прямые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по которой самолет может точно выйти на посадку. Но лазер способен не только облегчать жизнь здоровых людей, он может и лечить больных. Лазер – хирург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инструменте, делающем бескровный разрез. Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведь сегодня хирурги умеют делать операции на сетчатке глаза и вторгаются в святая святых организма – человеческий мозг. Орудовать там скальпелем – все равно что чинить часы топором. Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу, – световой луч.
Что может быть нежнее прикосновения луча света? Лазерным лучом можно сделать разрез шириной в тысячную долю миллиметра. В зависимости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может «заварить» сосуд (медики говорят: «коагулировать» его) или, наоборот, пробить в нем отверстие. Даже цвет луча оказался важен в хирургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи, поглощая лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезанный сосуд. Такой свет дает аргоновый лазер. Бывают случаи, когда нужно разрушить поврежденную ткань, не затрагивая близлежащих сосудов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер; луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, «не заметив их», не принося им вреда, прямо в нужное место с поврежденной тканью.
Особенно удобен оказался лазер в офтальмологии – области медицины, ведающей зрением. Лазерный луч можно ввести в глаз прямо через зрачок. С его помощью можно отрезать ненужный сосуд, заварить тот, который протекает, и ликвидировать кровоизлияние. Сегодня после многолетней практики лечения с помощью лазерного луча можно твердо сказать, что лазерная хирургия глаза – на правильном пути.
Голография и распознание образов
Однажды в музей небольшого города привезли коллекцию старинных драгоценностей. В витринах, освещенных яркими лампами, стояли маленькие застекленные шкатулки, а в них драгоценными камнями и эмалями сверкали старинные ордена и броши, тускло отсвечивали золотые кольца и браслеты работы древних мастеров, золотые самородки причудливой формы. Маленькая комната скромного провинциального музея превратилась в сказочную пещеру, заваленную несметными сокровищами: выставка была подготовлена Алмазным фондом. Посетители рассматривали драгоценности, восхищались мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволновались сотрудники, дежурившие в зале: рабочий день закончился, почему же никто не приходит убирать драгоценности в сейф?! Стоимость не поддается оценке, а на окнах нет даже решеток, мало ли что! И тут в зал вошел электрик и повернул выключатель... Погасли лампы, и сразу пропали сияющие бриллианты, драгоценные эмали и золото. В витринах лежали листы стекла, мутного и как будто грязноватого. На выставке были не настоящие драгоценности, а фотопластинки с их изображениями! Но изображения эти не обычные, как на фотографиях, а объемные. Их можно рассмотреть с разных сторон и простым глазом, и в лупу, их можно фотографировать. Вот только потрогать и унести их с собой нельзя. Способ записи такого объемного изображения носит название голография, а сами такие изображения и пластинки с их записью называются голограммами. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись»: изображение на пластинку дает иллюзию настоящего предмета.
Если для получения голограммы взять параллельный пучок света, а для ее восстановления – расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным. И тем сильнее, чем больше расходится луч. Осветив голограмму светом не той же длины волны, а в 2, 3, 7 раз более длинной, мы опять-таки получим изображение, увеличенное во столько раз, во сколько одна световая волна длиннее другой! Таким способом можно построить голографический микроскоп, к тому же дающий объемное изображение.
Получать изображение можно, разумеется, не только с объемных предметов, но и с плоских – букв, цифр, рисунков, фотографий. Это не означает, правда, что обычная плоская фотография после голографирования приобретет объемность. Нет, это делается для того, чтобы можно было автоматизировать и другой, тоже важный процесс – распознавание образов.
Распознать нужный образ среди других значит сравнить все их с эталоном, выбрать один единственный, идентичный ему. Задача эта порой бывает очень сложна, требует опытного глаза и длительного навыка. Проверьте, например, сколько времени у вас уйдет, чтобы в толпе фигурок на рисунке опознать две одинаковые. Признаков, по которым они сравниваются, всего пять-шесть. А если их будет тридцать-сорок? Задача становится неизмеримо сложнее и кажется, что она не может быть решена при помощи машины. Но оказалось, что и в этом нелегком деле может помочь лазер.
Поставим на пути лазерного луча проверяемый кадр с запечатленными на нем образами (например, микрофотографию с изображением двух-трех сотен микробов), затем голограмму эталона, потом – экран. Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий – экран остается темным. Но вдруг на нем справа, сверху появилось яркое пятно. Это означает, что в правом верхнем углу кадра находится искомый образ! Если он в кадре не один, то и точек на экране будет несколько. Проверяемый кадр может быть не только диапозитивом. Поиск образов можно вести и на рисунке, и на экране телевизора, в поле зрения микроскопа и даже просто в пространстве, освещенном лазерным светом. Вместо экрана ставится светочувствительный датчик, который срабатывает при появлении светового пятна и отмечает найденное изображение. На поиск при помощи голографии затрачивают в десятки тысяч раз меньше времени, чем при поиске вручную. Таким способом можно вести поиск любых образов при любом их числе, и даже не по целому образу, а по его фрагменту, небольшому кусочку. Такое изображение, восстановленное по фрагменту, называется фантомным (от французского слова «привидение», «призрак»).
Лазер – это не только объемная фотография и библиотека в кармане, не только новые сверхточные методы измерения и новая технология. Лазер способен давать многое, что стало уже привычным. От него можно ожидать и много неожиданностей, которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые полезные дела.
Современные биотехнологии
Производство искусственных белков
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На базе биотехнологии освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Представляет практический интерес синтез других биологически активных веществ – гормональных препаратов и соединений, стимулирующих иммунитет – с применением современных методов генной инженерии и естественных биоорганических материалов.
Для увеличения производства продуктов питания весьма важны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится в промышленных масштабах целая гамма искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.
Современные методы биотехнологии позволяют превратить огромные количества отходов древесины, соломы и других остатков растительных продуктов в ценные питательные белки. Такие методы включают процесс гидролизации промежуточного продукта – целлюлозы – с последующей нейтрализацией образующейся глюкозы и введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок – высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как например, паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы. Для получения пищевых дрожжей в бывшем СССР в 1980 г. было переработано около 3 млн т древесных отходов.
Определенные виды грибков могут превращать нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Из 100 т неочищенного мазута с помощью грибков можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Такое же количество дрожжей может быть произведено из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м2 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель.
Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и скорость роста дрожжевых культур в тысячи раз выше, чем крупного рогатого скота. 1 т пищевых дрожжей позволяет произвести около 800 кг свинины, 1,5–2,5 т птицы или 15–30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
Искусственные белковые питательные вещества – продукция бурно развивающейся микробиологической промышленности. Спиртовое брожение, лежащее в ее основе, было известно еще в каменном веке – в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массовое изготовление общеизвестных алкогольных напитков. Эпохальным событием микробиологии можно считать разработку в 1947 г. промышленного способа производства пенициллина. Двумя годами позже в Японии на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза были впервые получены аминокислоты. Затем стали производиться антибиотики, витаминно-белковые добавки к продуктам питания, препараты ферментов, ростовые вещества (например, гибберилин), бактериологические удобрения, средства защиты растений и другие ценные вещества.
Биокатализ
Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом ферментов расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность производить многие ферменты при сравнительно их невысокой себестоимости. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.
Успеху в биокатализе в значительной степени способствовал разработанный в недалеком прошлом метод иммобилизации ферментов, который заключается в удерживании фермента в неподвижном состоянии на твердой подложке. При иммобилизации фермент стабилизируется и в результате выход конечного продукта увеличивается. Упрощается при этом и операция очистки конечного продукта.
Технология иммоифера позволяет, например, улучшить качество пенициллина. Под воздействием ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу. С помощью иммобилизации фермента изомеразы некоторая часть глюкозы преобразуется в более сладкую продукцию – фруктозу. Так, в США ежегодно производится более 2 млн т кукурузной патоки с высоким содержанием фруктозы. Иммобилизация не требует обязательного выделения определенного фермента. Клетка, содержащая нужный фермент, поддается операции иммобилизации. Иммобилизованные клетки дрожжей применяются при ферментации в массовом производстве этилового спирта.
Кукурузный и пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (см. рис.8.1). Однако такое растительное сырье потребляется преимущественно в качестве пищевых продуктов.
Рис. 8.1. Глюкоза – источник полезных химических соединений
Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного хозяйств. Такая биомасса состоит в основном из лигноцеллюлозы (лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза). Лигнин – одеревеневшая часть растительных тканей сопротивляется биокаталитическому расщеплению и препятствует ферментации целлюлозных компонентов, поэтому природную биомассу необходимо предварительно освободить от лигнина, идущего в отходы. Осуществление рациональной биокаталитической переработки биомассы в виде отходов сельского и лесного хозяйств требует дальнейших исследований, направленных на разработку способов химической модификации исходных материалов.
Генные технологии
Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии, часто называемые генной инженерией, родились в начале 70-х годов XX в. под названием технологий рекомбинантных ДНК. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. На начальной стадии развития генных технологий получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяет химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывает новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
Заданные операции с фрагментами ДНК позволяют производить два вида белков: фермент рестриктазу и ДНК – лигазу. Первый из них выполняет функцию катализатора при расщеплении ДНК на определенные фрагменты нуклеотидов, а другой катализирует объединение двух фрагментов ДНК. Например, рестриктаза Bam H1 распознает двухцепочную последовательность GGATCC и разрывает ее между двумя нуклеотидами G, т. е. производит разрыв цепи ДНК в определенном месте, в результате чего образуются два отдельных фрагмента ДНК. Данные фрагменты можно связать вместе с помощью ДНК-лигазы и получить таким образом первоначальную двухцепочную последовательность нуклеотидов. ДНК-лигаза может встроить в ДНК чужеродный фрагмент. Образовавшийся продукт называется рекомбинантной ДНК. Чужеродный фрагмент вырезается из донорной молекулы. ДНК, в которую встраивается чужеродный фрагмент, называется плазмидой. Если полученная таким образом конструкция работоспособна, то происходит синтез РНК и в конечном результате – белка.
Основная цель генных технологий – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которую введена нужная ДНК. С их помощью целенаправленно осуществляются химические операции над биологическими объектами, что и составляет основу генных технологий.
Генные технологии привели к разработке мощных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, – к синтезу, т. е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К 1996 году установлены нуклеотидные последовательности 11 разных микроорганизмов, начиная от самой маленькой автономно размножающейся микроплазмы, содержащей всего 580 тыс. нуклеотидных пар. Среди них – и промышленные штаммы, и те, геном которых особо интересен для науки, в частности для обнаружения ранее неизвестных принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи в свою очередь убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Клонирование эукариотных, т. е. ядерных, генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии, фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов – переносчиков генов – используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.
С помощью так называемых молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно быстро определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии, с помощью которых можно идентифицировать некоторых конкретных микробов, позволяют пристально следить за их распространением, например внутри больницы или при эпидемиях.
Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое – улучшение уже существующих вакцин. Вакцины должны стать более эффективными, работать в меньших дозах и не давать побочных эффектов. Идеал – это так называемая комбинированная вакцина; сразу несколько вакцин в одной дозе. Второе направление – генные технологии получения вакцин против тех болезней, при которых сам метод вакцинации еще не использовался; это – СПИД, малярия, даже язвенная болезнь желудка и некоторые другие.
За последние годы генные технологии не только значительно улучшили эффективность традиционных, природных штаммов – продуцентов, но и создали принципиально новые. Например, у грибного штамма – продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15–40% по сравнению с исходным штаммом.
Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, традиционно используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии. Цели этой работы: увеличение устойчивости производственных штаммов, повышение их конкурентоспособности по отношению к вредным бактериям и улучшение качества продукта (аромата, питательной ценности, крепости и т. д.).
Генетически модифицированные микробы могут принести большую пользу при взаимодействии с сельскохозяйственными растениями и животными, с их патогенными вирусами и микробами; с вредными насекомыми, с почвой. Вот примеры. Можно модифицировать те или иные растения, сделать их более устойчивыми к инфекционным болезным, внеся в них гены, которые блокируют развитие вирусных или грибковых заболеваний. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.
Одно из самых тревожных опасений: не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению покуда не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий. Практика показывает, что широкомасштабная генная инженерия микроорганизмов, продолжающаяся вот уже около 30 лет, до сих пор не дала ни одного примера отрицательных последствий. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т. е. менее болезнетворны, чем их исходные формы.
Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Надо говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут – как безусловно положительное – важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регламентированы, и цель такой регламентации – уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов.
Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект.
Проблемы клонирования
Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть каждая клетка нашего организма способна породить новый полноценный организм. Клонирование человека – это шанс иметь детей для тех, кто страдает тяжелыми формами бесплодия; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходит в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном –воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997–1998 годах были переполнены различные источники массовой информации во многих странах. В последнее время пресса и телевидение все больше уделяют внимание проблеме так называемого клонирования животных и человека, давая информацию зачастую неверную и предоставленную достаточно некомпетентными людьми.
По принятому в науке определению, клонирование – это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Вполне естественно, что все воспроизведенные копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т. е. нести одинаковый набор генов.
В ряде случаев получение клона животных не вызывает особого удивления и относится к рутинной процедуре, хотя не такой уж и простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза – бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. У нас в стране, например, блестящие работы по клонированию такого рода выполняют на шелкопряде. Выведенные клоны шелкопряда замечательны своей высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.
Однако нынче речь идет о клонировании другого рода – скажем, о получении ряда точных копий того или иного животного, «прославившегося» какими-то своими выдающимися качествами (рекордными надоями молока или высоким настригом шерсти), а кроме того, о возможности клонирования некоего ученого мужа, или политика, или артиста, особо ценного для человечества в силу его несомненной гениальности. Вот тут-то и возникают весьма и весьма большие сложности.
Еще в далекие 40-е годы российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948г. он отправил в «Журнал общей биологии» статью, написанную по материалам своих экспериментов. Однако на его беду в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердившая беспредельное господство в биологии малограмотного агронома Трофима Лысенко, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как часто случалось в истории российской науки.
В феврале 1997 г. появилось сообщение о том, что в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих и на его основе получена овечка Долли. Посмотрим, как это было. Прежде всего, естественно, необходимо было выделить ооциты, то есть яйцеклетки. Их извлекли из овец породы Шотландская черномордая, затем поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37° С и провели операцию энуклеации – удаления собственных ядер. Следующая задача: обеспечить яйцеклетку генетической информацией от организма, который надлежало клонировать. Для этой цели использовали разные клетки донора, но наиболее удобными оказались диплоидные, то есть несущие полный генетический набор, клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет. Эти клетки выводили из стадии роста клеточного цикла и через пять дней сливали с энуклеированным ооцитом. Последний затем активировали к развитию посредством электрического удара. Потом развивающийся зародыш в течение шести дней культивировали в искусственной химической среде или в яйцеводе овцы, перетянутом лигатурой ближе к рогу матки. И наконец, после этого эмбрионы (от одного до трех) трансплантировали в матку приемной матери, где они могли развиваться до рождения.
Из 236 опытов успешным оказался лишь один, в результате которого и родилась овечка Долли, несущая генетический материал той самой взрослой овцы. После этого Вильмут заявил, что технически можно осуществить и клонирование человека, хот
