Сохранение и передача информации в живой природе

К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (в Академии наук СССР и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934-1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский - в Германии (с 1925 г.), Ф.Г. Добржанский - в США (с 1927 г.).

В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью лжеученого Т.Д. Лысенко и его преспешника И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий, направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.

На рубеже 1930-1940-х гг. в ходе сталинского Большого террора многие из видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И.В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, "пообещав партии" быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна ("ветвистая пшеница") и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.

И только с середины 1960-х г. в нашей стране началось восстановление генетики, понесшей колоссальный научный и кадровый урон в результате сталинского террора и антинаучной "деятельности" Лысенко.

А в это время в мире генетика развивалась стремительными темпами, и был сделан ряд выдающихся открытий.

Еще в 1930-1940-х гг. над разгадкой генетического кода живой природы задумывались крупнейшие физики-теоретики Эрвин Шредингер, Макс Дельбрюк, генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский. В 1945 году Э. Шредингер опубликовал книгу "ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ с точки зрения физики?" (What is life?). В главе "Подход классического физика к предмету" он писал: "Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Книга "Что такое жизнь?" сыграла большую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера, крупного физика, хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга во многом способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам генетики.

Одним из крупнейших открытий XX века в биологии явилось установление структуры молекулы ДНК - основного наследственного вещества клетки. Оно было сделано Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом. Рассказывая историю этого открытия, Дж. Уотсон в своей книге "Двойная спираль" писал о Ф. Крике: "Он бросил физику и занялся биологией после того, как в 1946 г. прочитал книгу известного физика-теоретика Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" В этой книге очень изящно излагается предположение, что гены представляют собой важнейшую составную часть живых клеток, а потому понять, что такое жизнь, можно только зная, как ведут себя гены. В то время, когда Шредингер писал свою книгу (в 1944 г.), господствовало мнение, что гены - это особый тип белковых молекул. Однако почти тогда же бактериолог Освальд Эвери проводил опыты, которые показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДН К".

Рентгеноструктурный анализ ДНК был осуществлен Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Первую рентгенограмму молекулы ДНК Р. Франклин получила в 1951 году.

На основе анализа рентгенограмм ДНК в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную модель структуры ДНК. Они предположили, что ее гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными в определенной последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити с помощью водородных связей по правилу комплементарности (аденин в паре с тимином, а гуанин - с цитозином). Модель двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика позволила объяснить, как при делении клетки происходит репликация ДНК - процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что напоминает расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Так был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К. Кольцовым.

Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика.

В 1962 году за открытие структуры ДНК Д. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия.

Розалинда Франклин вследствие постоянного облучения рентгеновскими лучами в 1956 году заболела раком. Узнав о своей смертельной болезни, она мужественно продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую не получила. В соответствии с уставом Нобелевская премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.

Открытие структуры ДНК стало решающим шагом в понимании того, как генетическая информация передается при делении клетки.

В ДНК используются мономеры 4 типов (нуклеотиды) - аденин, гуанин, цитозин, тимин, которые обозначаются буквами А, Г, Т и Ц. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. Поскольку их четыре, то каждая буква содержит два бита информации. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменен похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой У. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки, и таким образом получаются последовательности генетических букв. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Эта модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Поэтому она и названа двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа нуклеотидов. Сочетания рядом стоящих в цепи ДНК нуклеотидов составляет генетический код. Нарушения их последовательности в цепи ДНК приводят к мутациям - наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов. Живые организмы построены из белков. Их в живой природе существует несколько миллиардов, но все они построены всего из 20 мономеров - органических аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет все биологические свойства данного белка. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.

Реализация генетической информации - процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК клеточного ядра, воплощается в биологически активных веществах - белках.

Генетический код - существующий в живой природе способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Генетический код универсален для всего живого на Земле, он один и тот же у всех организмов (с некоторыми небольшими исключениями), от вирусов до млекопитающих и человека.

В 1954 году физик-теоретик Георгий Гамов опубликовал статью, где первым поднял вопрос генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации", выражая при этом надежду, что "кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки". В октябре 1968 года Роберту Холли, Хар Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за расшифровку генетического кода. Но Георгий Антонович Гамов к тому времени уже умер.

Сочетание нуклеотидов тройками, предсказанная Г.А. Гамовым - это кодон (триплет), единица генетического кода; состоит из 3 последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК. Последовательность кодона в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Передача генетической информации происходит по схеме "ДНК $$\Rightarrow$$ РНК $$\Rightarrow$$ белок".

Открытие структуры ДНК положило начало молекулярной генетике и ее важнейшим разделамв - генной инженерии, генетике человека и медицинской генетике. Разрабатываются генетические аспекты проблемы борьбы со злокачественными новообразованиями и преждевременным старением.

Молекулярная генетика - раздел генетики и молекулярной биологии - ставит своей целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путем исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа ее хранения.

В начале 70-х годов XX века возникла генная инженерия - методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Генная инженерия, наряду с клеточной инженерией, лежит в основе современной биотехнологии. Открывает новые пути решения некоторых проблем генетики, медицины, сельского хозяйства. С помощью генетической инженерии был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др.

Геном - это совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор. Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 году для описания совокупности генов, заключенных в наборе хромосом организмов одного биологического вида.

В 1988 году один из первооткрывателей структуры ДНК Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон выступил с предложением создать программу "Геном человека" с целью раскрыть полную структуру генома биологического вида Homo Sapiens (Человека разумного). К тому времени было уже известно, что наследственный аппарат человека - геном (совокупность всех генов и межгенных участков ДНК) - составляет около 3 млрд нуклеотидных пар. Решение такой грандиозной задачи на том уровне развития генетики казалось нереальным.

В том же 1988 году с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). С 1989 года в США и в России существуют научные программы "Геном человека", а позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Сегодня руководителем Российской национальной программы "Геном человека" является член-корр. РАН Л.Л. Киселев.

Первым важным шагом этой международной программы стало секвенирование - определение последовательности нуклеотидов в ДНК.

К началу XXI века эта сложнейшая задача была выполнена. Число генов в геноме человека оказалось около 35000. Но это лишь первый этап программы. Геном человека прочитан полностью, но он подобен тексту телеграммы на неизвестном языке. Ведь каждый ген представляет собой программу создания определенного вида белка, а таких белков - огромное количество. Дальнейший этап - это расшифровка этого "текста". Частично она выполнена, но полная расшифровка может растянуться на многие годы.

Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине - "За открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)" - разделили Эндрю Файр (1959 г. р.) из Медицинской школы Стэнфордского университета и Крэйг Мелло (1960 г. р.) из Медицинской школы Массачусетского университета.

На одной из классических моделей генетического анализа - геноме червя - они изучали способы выключения (так называемой блокировки) отдельных генов. Их целью было понять, за что отвечает каждый ген. В одном из опытов они ввели червям двухцепочечную РНК с таким же кодом, как у блокируемого гена. И ген "выключился". Так почти случайно был открыт феномен РНК-интерференции. По существу, ученые обнаружили фундаментальный механизм контроля над потоком генетической информации.

Это открытие позволило ученым-генетикам понять, зачем нужен и за что отвечает каждый ген. Появилась перспектива лечения врожденных генетических аномалий. Становится реальным заблокировать ген, отвечающий за образование раковых клеток.

Открытие РНК-интерференции дает перспективу "отключать" любые гены, наносящие вред организму.

За последние десятилетия для идентификации личности широко применяется биологический метод анализа ДНК, индивидуального для каждой личности. Он используется для определения факта отцовства, опознания личностей погибших в различных катастрофах и при военных действиях.

Первым человеком, который догадался, каким образом можно идентифицировать личность с использованием методов молекулярной генетики, был английский профессор Алек Джеффрис, опубликовавший в журнале Nature свою статью "Индивидуально-специфичные "отпечатки пальцев" ДНК человека" в июле 1985 года. С помощью этого метода в 1986 году ему удалось доказать невиновность человека, обвиненного в двойном убийстве и даже признавшем свою вину. Настоящий преступник был пойман через год. Так идентификация личности на основании данных ДНК-анализа начала широко применяться в криминалистике. Осуществлялся анализ соответствия биологических образцов, найденных на месте преступления, с образцами, полученными от подозреваемого в совершении преступления, и установление родства по характеристикам ДНК. Несомненным преимуществом метода является то, что даже ничтожно малого количества образца оказывается достаточно для проведения анализа. Кроме того, в качестве исходного материала для выделения ДНК могут быть использованы кровь, сперма, слюна, волосы, костные ткани - любые образцы, содержащие хотя бы несколько клеток.

Имеется ряд причин, по которым молекула ДНК так привлекательна для использования в судебной идентификации.

В отличие от белков, являющихся нестабильными структурами, молекула ДНК обладает повышенной устойчивостью к воздействиям окружающей среды. Это свойство ДНК является для криминалистов ценным, поскольку позволяет проводить идентификацию по прошествии даже очень большого срока давности, или же если останки человека не могут быть опознаны никакими другими методами (например, в случае авиакатастроф).

Клонирование

Также, как и половые, телесные - соматические клетки снабжены природой полной генетической информацией о развитии организма. Только каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей будущей специализации: из одних соматических клеток строится печень, из других - кости, из третьих - нервная система и т.д. Если получить потомство от соматической клетки, то полученный организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс называется клонированием. Однако, можно клонировать все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности данного человека.

Для осуществления процесса клонирования из яйцеклетки удаляют ядро, содержащее половинный (гаплоидный) набор хромосом, и вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом (рис. 10.13)

За последние годы, благодаря успехам бурно развивающейся генной инженерии удалось осуществить и этот, недавно казавшийся фантастическим, процесс.

В 1997 году в печати появились сообщения о том, что осуществлено клонирование животных - овец и коров, т.е. получены их генетические копии из соматических клеток. Это открытие вызвало большой шум в научном мире и в средствах массовой информации. Немедленно начали обсуждать возможность клонирования человека. Одни ученые мужи предложили строго запретить подобные опыты, дабы не вывести какого-нибудь тирана типа Гитлера. Другие ученые отнеслись к возможности проведения таких опытов более спокойно и взвешенно. Они резонно замечают, что еще совсем недавно раздавались подобные вопли - запретить выведение детей из "пробирки", а теперь это стало повседневной практикой и никого уже не удивляет.

Конечно, клонирование человека вызывает целый ворох этических, социальных и даже философских проблем. Ведь это не шутка - речь идет о биологическом бессмертии данного человека. Кроме того, при клонировании имеется большая опасность появления уродов. Пока на один удачный опыт приходится около 300 неудачных. Если при клонировании животных с этим можно мириться, то при клонировании человека это неприемлемо. Тем более что для получения клонированного человеческого существа необходимо брать обычные яйцеклетки у живых женщин и затем пересаживать их суррогатным матерям, которые будут их вынашивать и рожать клонированного человека. И поэтому прежде, чем запрещать или разрешать подобные исследования, нужно спокойно разобраться в этих проблемах. Тем более что все эти запреты никогда ни к чему не приводили, что иллюстрируется хотя бы учениями и судьбами Галилея и Коперника, а в наше время борьбой в нашей многострадальной стране - с генетикой и кибернетикой. Всегда найдется любознательный ученый, который добьется нужного результата несмотря ни на какие запреты и даже преследования. И похоже, что такие ученые уже нашлись. Недавно появилось сообщение об успешных опытах по клонированию животных и готовности приступить к опытам по клонированию человека. При этом следует отметить, что хотя способности и характер человека в основном определяются его индивидуальным генетическим кодом, все же многое в его поведении и судьбе зависит от среды, в которой он растет, воспитывается и живет. А ее воссоздать невозможно. Так что, по моему мнению, полностью повторить Эйнштейна или Чехова невозможно даже теоретически, но создать людей с их способностями представляется возможным.

Клонированные люди, по крайней мере, внешне, ничем не будут отличаться от обычных людей. Их, как и обычных детей будут вынашивать и через 9 месяцев рожать женщины. Воспитывать их будут в обычных семьях. Однако клон будет не точной копией своего "оригинала", а более молодым человеком с идентичным набором ДНК.

Таким образом, клонирование в будущем позволит, хотя бы частично, решить проблему личного бессмертия. Частично, потому что клонировать интеллект человека нельзя. "Перезапись" интеллекта в новое тело - задача будущего.

В большинстве развитых стран клонирование человека или запрещено, или на него введен временный мораторий. В России в 2001 году такой мораторий введен на 5 лет.

Ученым Гарвардского университета удалось вырастить в лабораторных условиях отдельные органы (!) крыс, кроликов и ягнят из клеток подопытных животных. Мало того, эти органы были успешно пересажены животным. Ученые надеются в будущем еще до рождения будущего ребенка определять дефекты его внутренних органов и заменять их здоровыми!

В 1997 году шотландские ученые, которые вывели клонированную овцу Долли, идентичную своей матери, добились нового успеха. Они клонировали несколько ягнят, которые несут в себе ген человека, пригодный для лечения гемофилии. Да, да - той самой болезни пониженной свертываемости крови, которой страдал несчастный цесаревич Алексей - наследник рода Романовых. Благодаря этому гену человека молоко таких овец будет содержать вещество, способствующее сворачиваемости крови. Оно жизненно важно для лечения гемофилии. Этот успех ученых - шаг на пути к новому типу животноводства, предназначенного для производства лекарственных средств с помощью методов генной инженерии. Животных будут использовать для производства лекарств, которые трудно или дорого синтезировать в лабораторных условиях.

Японские ученые из института трансплантации эмбрионов путем клонирования получили двух телят. При этом в качестве материала клетки они использовали молозиво - первое молоко, которое вырабатывается в молочных железах после родов. В нем содержится множество лимфоцитов крови и клеток молочной железы. Из этих клеток получили эмбрионы. Затем они были пересажены в матку другой коровы, которая через положенный срок родила двух телят. Раньше для клонирования рогатого скота брали кусочки ткани из уха коровы.

Одной из важнейших задач клонирования является выращивание мяса, а не скота. Ведь тогда человечество перестанет убивать животных для своего пропитания.

В 2001 году израильские генетики получили из эмбриональной ткани клетки сердечной мышцы человека. Полученные клетки идентичны тканям сердца молодого человека и могут самопроизвольно сокращаться. Цель этой работы заключается в том. чтобы пересаживать людям эти клетки и постоянно способствовать "омоложению" стареющей сердечной мышцы.

В конце 2001 года американская компания "Продвинутые клеточные технологии" (Advansed Cell Technology) объявила о первом успешном клонировании эмбриона человека, жизнь которого сохранялась в течение шести дней. Целью опытов является получение так называемых стволовых клеток, которые могут развиваться в различные клетки, например, в эритроциты и лейкоциты крови, клетки печени и другие. Стволовые клетки находятся в центре внимания современной медицины. Их намереваются использовать для лечения диабета, рака, болезни Паркинсона, рассеянного склероза, инфаркта, повреждений спинного мозга (спинальной травмы), многих других тяжелых заболеваний и даже для того, чтобы отдалить старение.

После всех этих сообщений истерические вопли о полном запрете любых форм клонирования человека кажутся непродуманными и поспешными.

Сайт "Дети из пробирки" – ЭКО

Впервые экстракорпоральное оплодотворение ( ЭКО ) ученые успешно применили более двадцати лет назад. Сегодня ЭКО считается одним из методов лечения бесплодия.

Экстракорпоральное оплодотворение - метод, при котором зачатие происходит вне организма (extra corporis - вне тела), однако дальнейшее развитие эмбриона осуществляется как обычно - в организме матери. Термин " дети из пробирки ", яркий и запоминающийся, тем не менее, может ввести человека в заблуждение. Дети при таком оплодотворении рождаются традиционным способом. Неформальным является только зачатие.

Обычно зачатие, или слияние мужской половой клетки - сперматозоида и женской половой клетки - яйцеклетки, происходит в полости матки или в маточных трубах. После того как клетки соединились между собой, генетический материал смешивается, и рождается новая клетка, которая начинает интенсивно делиться. Эмбрион прикрепляется к стенке матки и продолжает свое развитие. Постепенно возникают кровеносные сосуды, формируется плацента, которые необходимы для питания будущего ребенка.

При некоторых видах женского и мужского бесплодия зачатия не происходит. Нередко причину бесплодия устранить не удается. Когда не представляется возможным добиться естественного оплодотворения, на помощь приходит экстракорпоральный метод. Существуют несколько видов ЭКО, отличающихся друг от друга методиками оплодотворения. Вкратце схему такого оплодотворения можно представить следующим образом.

Стимуляция овуляции

С помощью гормональных препаратов яичники заставляют интенсивно работать. Необходимо, чтобы они выдали несколько яйцеклеток и отправили их в маточные трубы. Яйцеклетки в свою очередь нужны для того, чтобы увеличить шансы на успех. Учитывая, что частота наступления беременности при ЭКО составляет 35-40 процентов, надо всегда иметь запас эмбрионов для пересадки, иначе придется повторять процедуру стимуляции второй раз. За работой яичников специалисты наблюдают при помощи ультразвуковой установки. Как только фолликулы достигают необходимого размера, в организм вводят лекарственные средства, стимулирующие овуляцию.

Извлечение яйцеклеток

Проводится с помощью специальной иглы, снабженной датчиком. Под контролем УЗИ врач вытаскивает яйцеклетки наружу. Происходит эта процедура под наркозом, точнее сказать, в легком медикаментозном сне. При невозможности извлечения яйцеклеток таким способом применяют лапароскопическую методику: клетки "добывают" непосредственно из брюшной полости специальными инструментами.

Извлечение сперматозоидов

Перед тем как начать процесс оплодотворения, будущий отец сдает сперму, которую тут же помещают в специальную среду и проверяют на наличие ВИЧ-инфекции, гепатита и половых инфекций. При экскреторном бесплодии, когда сперма может сначала попадать в мочевой пузырь, проводится биопсия. С помощью тонкой иглы врач извлекает сперматозоиды из тканей яичка. Этот способ может применяться при отсутствии сперматозоидов в сперме.

Оплодотворение

Яйцеклетку помещают в питательную среду. Затем к ней подсаживают сперматозоиды, которые до этого момента тоже хранятся в специальной питательной среде. Через мощный микроскоп врач наблюдает за процессом оплодотворения. Если сперматозоиды двигаются слишком медленно и не могут проникнуть в яйцеклетку, применяется специальная методика зачатия. Под микроскопом врач выделяет один сперматозоид и подводит его к яйцеклетке. Затем с помощью микроскопической иглы он заталкивает спермия внутрь яйцеклетки. В результате происходит оплодотворение.

Культивирование

Уже через 48-72 часа после оплодотворения эмбрион состоит из четырех-восьми клеток. Для того чтобы они не погибли, их помещают в питательную среду, строго соблюдая температурный режим.

Имплантация

Эмбрион необходимо пересадить в полость матки, где он сможет, зацепившись за слизистую оболочку, продолжить свое развитие. Женщине дают гормональные препараты, которые подготавливают слизистую оболочку матки к восприятию оплодотворенной яйцеклетки. С помощью тонкой трубки эмбрион вводят в полость матки. Через две недели результат процедуры становится известным. С помощью УЗИ можно наблюдать развитие плода. В современных центрах экстракорпорального оплодотворения все перечисленные манипуляции ведутся под строгим контролем специалистов.

Суррогатное материнство

Суррогатное материнство — технология репродукции человека, при которой женщина добровольно соглашается забеременеть с целью выносить и родить биологически чужого ей ребёнка, который будет затем отдан на воспитание другим лицам — генетическим родителям. Они и будут юридически считаться родителями данного ребёнка, несмотря на то, что его выносила и родила суррогатная мать.

Дополнительные мероприятия при культивировании эмбрионов

В течение культивирования эмбрионов возможно осуществление дополнительных лабораторных мероприятий. Криоконсервация эмбрионов — жизнеспособные эмбрионы замораживают и хранят при температуре жидкого азота. В дальнейшем эмбрионы могут быть разморожены и осуществлен повторный перенос в матку для достижения беременности. Преимплантационная генетическая диагностика (ПГД) — исследование наличия некоторых хромосомных или некоторых генетических патологий у эмбриона до имплантации. Также этим методом возможно определить пол эмбриона.

Этические проблемы

Православная Церковь об ЭКО

Русская православная церковь рассматривает различные проблемы биоэтики, к которым относятся и вопросы преодоления бесплодия. К нравственно допустимым методам преодоления бесплодия отнесено "искусственное оплодотворение половыми клетками мужа, поскольку оно не нарушает целостности брачного союза, не отличается принципиальным образом от естественного зачатия и происходит в контексте супружеских отношений" [4].

Церковь дает неодобрительную оценку тем вариантам экстракорпорального оплодотворения, при которых используются донорская сперма, донорские яйцеклетки или суррогатная мать.

Католицизм об ЭКО

Католическая церковь резко отрицательно относится к ЭКО, заявляя, что оплодотворение должно осуществляться естественным путем в условиях брака.

Иудаизм об ЭКО

Иудаизм учитывает в вопросе об ЭКО следующее:

Против:

Соответственно, следует разделять случаи:

В целом, общее мнение об ЭКО в иудаизме не выработано.

Буддизм об ЭКО

Среди буддистских школ взгляды на экстракорпоральное оплодотворение также расходятся.

Более двадцати лет применения описываемого метода показали, что дети, зачатые таким способом, ничем не отличаются от детей, зачатых традиционно. При соединении яйцеклетки матери со сперматозоидом отца дети является генетически родными по отношению к родителям. При слиянии спермы донора с яйцеклеткой матери ребенок имеет половину генов от матери. Только при использовании яйцеклетки и спермы доноров ребенок не считается кровным родственником по отношению к родителям, в том числе к матери, которая его выносила.

Бытует мнение, что ЭКО может стать причиной развития рака яичников. Стимуляция овуляции приводит к усилению функции яичников в течение некоторого времени. Ученые считают, что ЭКО может(!) повышать риск возникновения рака яичника. Однако до сих пор достоверных данных об этом нет.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2010 года получил британец, почетный профессор Кембриджского университета Роберт Джеффри Эдвардс за создание технологии экстракорпорального оплодотворения (ЭКО, или IVF — in vitro fertilization). Профессору Эдвардсу обязаны жизнью четыре миллиона человек — примерно столько "детей из пробирки" живет сейчас на Земле

Сумма Нобелевской премии в этом году, как и все предыдущие, составляет 10 миллионов шведских крон (около одного миллиона евро). Церемония вручения награды пройдет в Стокгольме 10 декабря, в день кончины ее основателя - Альфреда Нобеля (1833-1896).

Эдвардс, работающий в Кембриджском университете, родился в 1925 году в Манчестере. В 1960-м году он начал исследования в сфере искусственного оплодотворения. В 1968 году добился оплодотворения человеческой яйцеклетки в лабораторных условиях. В 1978 году у Лесли Браун родилась дочь Луиза – первый ребенок на земле, зачатый способом in vitro.

Первая посмертная программа суррогатного материнства была осуществлена в 2005 году в Екатеринбурге в семье Екатерины Захаровой. Екатерина стала мамой своему внуку, рожденному суррогатной мамой от ее умершего сына. 5 ноября Георгию исполнится пять лет.

А 22 сентября нынешнего года родился сын у студента-медика - Артема Климова. К моменту зачатия ребенка его отца уже три месяца как не было в живых.

В апреле 2007 года 19-летнему Артему был поставлен страшный диагноз - лимфогранулематоз. Перед химиотерапией по настоянию своей матери Натальи Юрьевны он оставил образец спермы для криоконсервации. Курс лечения не помог, и 27 октября 2009 года Артем умер в больнице на руках своей матери.

Как только монитор показал, что его сердце остановилось, первая моя мысль была о сохраненном генетическом материале, - рассказывает мама Артема. - Рождение внука стало моей целью, единственным смыслом моей жизни. Мне 41 год, и я вполне могла бы родить ребенка сама, но мне был нужен именно внук, живое продолжение моего сына.

В одной из петербургских клиник репродукции Наталья Юрьевна подобрала донора (кстати, донор, как выяснилось впоследствии, была поразительно похожа на девушку, с которой встречался Артем): чтобы увеличить шансы на успех, нашла сразу двух суррогатных матерей. Первая попытка была неудачной. Материала оставалось мало, поэтому вся надежда была на вторую - последнюю попытку. Спустя две недели Наталья Климова узнала, что станет бабушкой.

Роды случились до срока - у суррогатной мамы начала отслаиваться плацента, но мальчик родился здоровым. Своего внука счастливая бабушка назвала Егором. Весит Егор Артемович 2500 при росте 47 сантиметров. В общем, все путем.

Получить продолжение своего погибшего ребенка, самой выступить суррогатной матерью для внука от умершего сына, не фантастика ли это!?

Нервная система и память

А теперь перейдем к рассказу о памяти, необходимой каждому отдельному человеку, да и животным в процессе их существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений - зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Он состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни посредством обучения и воспитания.

Источником возбуждения является окружающий нас мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Она состоит из особых клеток - нейронов. Каждый нейрон имеет тело и несколько отростков - коротких (дендритов) и одного длинного (аксона) (рис. 10.14). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов - пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения-сигналы представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и нейронам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.

Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных у человека - она составляет 60-120 метров в секунду, а болевое ощущение проводится со скоростью всего 1-30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная скорость передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эти скорости с передачей сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 тыс. км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном ( размером всего около 200 ангстрем), которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно: от нескольких до нескольких тысяч. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса - его пороговый характер. Он не реагирует на одиночные возбуждения, а передает их дальше по цепи нейронов только после их накопления выше определенного порога, причем только после некоторого промежутка времени - синаптической задержки импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка - биохимическую природу. В нервной системе происходят два активных противоположных процесса - возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и торможением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения - будет оно передано дальше или нет.

Общее число нейронов в мозгу человека составляет гигантскую цифру - десятки миллиардов, а связей между ними - синапсов - еще на два порядка больше. Все вместе они и составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражения от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения - зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения они преобразуют в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.

Контроль же за собственным телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках и суставах, мышцах и сухожилиях. Благодаря сигналам от них, передаваемых центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие своих двигательных органов. Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямые связи.

А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Информация, получаемая головным мозгом человека от органов чувств, формирует восприятие человеком окружающего мира и самого себя. Человек получает информацию посредством пяти органов чувств:

С помощью зрения человек различает цвета, формы, размеры наблюдаемых объектов. С помощью органа слуха человек получает возможность воспринимать различные звуки окружающего мира, благодаря чему он может ориентироваться в окружающей среде. Слух человека по своему значению является вторым после зрения. Особую роль он приобрел у человека в связи с возникновением речи. Орган слуха образуют наружное, среднее и внутреннее ухо. Оно состоит из сложной системы сообщающихся между собой каналов и полостей, напоминающих улитку. В улитке имеются жидкость и нервные окончания. Непосредственно с головным мозгом внутреннее ухо соединяет слуховой нерв. Точная ориентация в трехмерном пространстве достигается согласованной работой нескольких органов чувств - зрения и слуха, информацией, поступающей постоянно от проприорецепторов. Но главный орган чувства равновесия, положения тела в пространстве, - это вестибулярный аппарат. Он находится во внутреннем ухе, там же, где помещается улитка - орган слуха. Он состоит из полукружных каналов и отолитового аппарата. Полукружные каналы расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и заполнены полупрозрачной студенистой жидкостью. При всяком перемещении тела или головы в пространстве, особенно при вращении тела, в этих каналах смещается жидкость. Внутри каналов находятся чувствительные волоски, погруженные в жидкость. Когда при движении жидкость смещается, она надавливает на волоски, те немного сгибаются, и это мгновенно вызывает возникновение импульсов в окончаниях вестибулярного нерва.

Отолитовый аппарат, в отличие от полукружных каналов, воспринимает не вращательные движения, а начало и конец равномерного прямолинейного движения, ускорение или замедление его, а также (для невесомости это главное!) воспринимает изменение силы тяжести – гравитацию. Он состоит он из двух маленьких мешочков, заполненных студенистой жидкостью. Дно мешочков покрыто нервными клетками, снабженными волосками. В жидкости взвешены маленькие кристаллики солей кальция - отолиты. Они постоянно (ведь на них действует сила тяжести) давят на волоски, в результате клетки все время возбуждены и импульсы от них по вестибулярному нерву "бегут" в мозг. От этого мы всегда ощущаем силу тяжести. При перемещении же головы или тела отолиты смещаются, и мгновенно меняется их давление на волоски - по вестибулярному нерву в мозг поступает информация: "Положение тела изменено".

Орган вкуса дает возможность определить вкус пищи, который человек воспринимает при помощи специальных нервных окончаний, находящихся в особых образованиях ротовой полости – вкусовых сосочках, расположенных на поверхности языка. Разные участки языка воспринимают разные вкусы: кончик языка – сладкое, корень – горькое, бока – кислое, края и кончик – соленое. С помощью органа обоняния, расположенного в эпителии верхней части полости носа, человек может различать предметы по запаху, определять качество пищи и вдыхаемого воздуха. Чувство осязания возникает у человека благодаря коже. В коже, особенно в пальцах рук, ладонях, подошвах, губах и т. д., находится большое количество нервных окончаний, что и обеспечивает их повышенную чувствительность. Чувствительность кожи подразделяют на четыре вида: болевую, тактильную (осязание и давление), холодовую и тепловую. Кожа защищает человека от механических воздействий (удары, давление и т. д.) и от ультрафиолетового облучения.

Информация о раздражителях, воздействующих на рецепторы органов чувств человека, передается в центральную нервную систему. Она анализирует поступающую информацию и идентифицирует ее (возникают ощущения). Затем вырабатывается ответный сигнал, который передается по нервам в соответствующие органы организма, в том числе и мышцы. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямая связь. А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, это - рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса - это реакция на боль, например, от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги - отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в течение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, меняется пульс при изменении нагрузки - при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.

В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время. Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.

Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не прикоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.

Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.

А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.

Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).

Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.

Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.

Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.

Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга. До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.

Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).

Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".

Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.

Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы. В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.

Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.

В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".

Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.

И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира. По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.

Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сбиться. Такова механическая память движений.

Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.

В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.

Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.

На основе достижений биомеханики ученые НАСА -космического агентства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес. Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговариваться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!

И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".

А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.

Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна. При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.

Безграничная память

Способность быстро забывать ненужную информацию - это естественное свойство памяти нормального человека. Но бывают и редкие исключения. Известный психолог А.Р. Лурия в течение многих десятилетий наблюдал человека по фамилии Шерешевский. Он с первого раза запоминал огромный объем информации и помнил ее десятки лет. Сам он объяснял свой прием запоминания так. Он мысленно представлял себе улицу в своем родном городе и при сообщении ему длинного ряда букв или цифр мысленно "расставлял" их у каждого фонарного столба. Когда ему нужно было вспомнить эти цифры или буквы, он снова представлял себе эту улицу и как бы "считывал" эти цифры и буквы с этой мысленной картины. А.Р. Лурия объяснил этот феномен следующим образом. Маленькие дети мыслят исключительно образами, а затем этот способ запоминания постепенно ослабляется. У Шерешевского же эта детская способность сохранялась всю жизнь. Однако у этой феноменальной памяти были и существенные недостатки. Во-первых, вспоминать запомненную информацию Шерешевский мог только путем последовательного перебора всего заученного, поэтому он вспоминал ее медленно. Во-вторых, он испытывал большие трудности в забывании ненужной информации. Для того, чтобы забыть какие-либо буквы или цифры, он вынужден был снова представлять себе ту самую улицу и мысленно "зачеркивать" ненужные цифры и буквы. Только таким искусственным приемом он мог от них избавиться.

Профессиональная, оперативная и долговременная память

У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо она видна на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи болезней, рецепты лекарств, своих пациентов; музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений; шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры "вслепую" с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей профессии.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная. Ведь многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь. Так, например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее всю жизнь - в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.

Способности к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно проявляются у детей в возрасте до 3 лет. Именно за этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает за всю свою жизнь. Достаточно вспомнить, как быстро ребенок (за первые полтора - два года) начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков дается детям гораздо легче и быстрее, чем взрослым, особенно пожилым людям (как и любое другое обучение).

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления именно оперативной памяти - именно так проявляется склероз.

Пожилой человек прежде всего забывает свежие события и факты и, в то же время, отчетливо помнит события и факты многолетней давности, даже детства. Чаще всего это начинается с того, что человек забывает, где он положил тот или иной предмет, например, очки, и начинает искать их по всей квартире. Долговременная память у пожилых сохраняется гораздо дольше, чем оперативная. Сохранению долговременной памяти очень способствует интеллектуальная работа в пожилом возрасте, в особенности при занятии любимым делом.

В чем же коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном - механическая. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый "узелок на память", то есть установление некоторых смысловых связей.

Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

Механизм запоминания, ассоциации

Каков механизм запоминания? Прежде всего, предметы, факты, события и явления запоминаются не изолированно. Ведь в жизни они связаны между собой. Поэтому следы их воздействия соединяются в мозге связями, называемыми ассоциациями. Они существенно облегчают процесс извлечения нужных знаний из долговременной памяти. В памяти компьютера производится адресная закладка информации, позволяющая затем извлечь ее по этим адресам. А если адрес неизвестен, то для извлечения нужной информации приходится производить ее полный последовательный перебор, до тех пор, пока не находится нужная. Так, если книги в Вашей библиотеке стоят беспорядочно, то для поиска нужной книги приходится перерыть всю библиотеку. Но за счет высокого быстродействия компьютера этот последовательный перебор происходит довольно быстро. Извлечение же нужной информации у человека происходят по ассоциациям. Это обеспечивает достаточно высокую скорость поиска, несмотря на то, что сигналы по нервным цепям передаются значительно медленнее, чем в компьютере. Ассоциации вызывают у человека целую цепочку воспоминаний.

Между прочим, анекдоты вспоминаются тоже по ассоциациям, их обычно рассказывают к подходящему случаю. Тогда они производят особенно хорошее впечатление. Просто запомнить их почти невозможно, да и рассказывать без связи с общей беседой неинтересно.

Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов. Эти образы имеют расплывчатый, обобщенный характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, однако обладающий всеми основными признаками этого предмета. То же касается и природных явлений, например, дождя, снега, шторма на море. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить человек за всю свою жизнь? Он способен обработать около 20 бит в секунду, то есть оценить около миллиона различных возможностей в секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 миллиардов битов. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспоминать нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 миллиардов битов в секунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается за счет параллельной работы нервных структур - в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.

Относительно механизма долговременного хранения информации существует несколько гипотез, в том числе химические, создания устойчивых замкнутых цепей возбуждения в нейронной сети (нейронных колец).

Существует известная догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти. Это дает надежду врачам на возможность лечения болезни Альцгеймера - старческого слабоумия, которое грозит каждому из нас в возрасте 85 лет.

А как забыть ставшую ненужной информацию, например, устаревший номер телефона? Для этого существует так называемое внутреннее торможение.

Нейрофизиологам важно знать, сосредоточена ли память в отдельных его областях или рассеяна по всему мозгу. По данным одних исследований считалось, что память сосредоточена в определенных местах мозга. Однако известны случаи, когда при разрушении значительных участков мозга не происходит "стирание" памяти. Это наталкивает на мысль, что память рассеяна по всему мозгу, и вызывает некоторую аналогию (разумеется, не прямую, а только функциональную) со свойством голограммы содержать информацию обо всем предмете в каждом ее участке.

Еще одна аналогия между свойствами мозга и голограммы состоит в следующем. При запоминании какого-нибудь предмета или картины за короткое время фиксируется лишь общий образ. Только после длительного рассматривания удается потом вспомнить отдельные детали. Правда, встречаются некоторые люди, особенно среди художников, с так называемой "фотографической" памятью. Им достаточно один раз рассмотреть предмет или человека, которого они хотят запечатлеть на полотне, чтобы потом писать картину или портрет по памяти. Но это исключение из правила.

Недавно японские нейрофизиологи получили новые данные о работе механизма памяти. В частности, они выяснили, что процесс воспроизведения информации в несколько раз медленнее ее запоминания.

По данным этих ученых, весь механизм запоминания локализован в височных долях серого вещества. Сначала увиденная информация по зрительному нерву передается на внешнюю оболочку коры мозга, а затем - в ее внутреннюю область, которая является "архивом памяти". На этот процесс затрачивается 0,1 секунды. За этот промежуток времени во внутренней области коры мозга происходят электрохимические реакции, кодирующие полученную информацию. Они переводят ее в символы, по которым нейроны потом могут отыскать нужные картинки - образы. А когда человек что-то вспоминает, то происходит обратный процесс - из "архива" нейроны передают необходимую информацию на поверхность серого вещества. Длительность этого процесса составляет около 0,4 секунды. Эта разница во времени, по-видимому, уходит на поиск нужной информации.

На основании проведенных исследований японские нейрофизиологи, вслед за академиком Натальей Бехтеревой, пришли к выводу, что человек вообще ничего не забывает, а просто не все может вспомнить. Причиной этого могут быть, например, нарушения связей между внешней и внутренней стороной коры головного мозга. Разгадка этих нарушений позволит бороться с некоторыми болезнями мозга, и, в частности, со склерозом.

Таким образом, вопрос о том, локализован ли механизм памяти в определенной области мозга или рассеян по всему мозгу, нельзя считать выясненным окончательно.

Искусственный интеллект

Одним из самых загадочных явлений является так называемое распознавание образов человеком. Ведь мы можем почти мгновенно опознать знакомого человека в толпе или его голос по телефону.

В течение всей жизни человек распознает образы: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые образы. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга. На его решение уже потрачены многие годы и значительные научные силы. Ведь это очень важно для работ по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.

Алан Тьюринг в начале 1950-х годов сформулировал такой тест: компьютер можно считать разумным, если он способен заставить нас при общении с ним поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком.

По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются все более новые его определения. Одно из самых полных принадлежит одному из самых крупных ученых в этой области Марвину Мински (США): "Это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта".

Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Норберт Винер своей знаменитой книгой "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине", появившейся в 1948 году. Он выдвинул принцип обратной связи, который заключается в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели. Эта книга стала результатом его работ в области создания средств вычислительной техники для нужд обороны и его совместных исследований с физиологом Артуро Розенблютом.

На их основании Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи - общего для техники и живой природы. Винер также обратил внимание на важнейшую роль обратной связи для поддержания гомеостаза у живых организмов - механизма поддержания устойчивости основных физиологических функций организма.

Винер также установил следующую аналогию между нервной системой и вычислительной машиной: важнейшей функцией обеих является память, "т.е. способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем". Он отмечает, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса, и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быстрые запись, считывание и стирание. Но существует память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения машины.

В то же время Винер увидел и различия между поведением машины и мозга. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ и может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг не является полным подобием вычислительной машины.

Говоря о памяти, Винер отмечает, что "хороший способ построить кратковременную память - это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием". Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозге при хранении импульсов, относящихся к так называемому "мнимому настоящему". Этот способ был воспроизведен в вычислительных машинах.

Таким образом, Винер указал способ построения схем оперативной (или, по его терминологии "кратковременной") памяти с помощью обратной связи. Приведу одно важное для понимания информационных процессов высказывание Н. Винера:

Здесь уместно напомнить, какие определения понятия "жизнь" даются в современных энциклопедиях:

При этом поясняется, что раздражимость - это свойство отвечать на воздействия внешней среды изменением своего состояния или деятельности, то есть своего рода ответная реакция или обратная связь. Как уже упоминалось, существует также важнейшее для существования жизни понятие "гомеостаз" - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических свойств организма. К этим определениям так и напрашивается важнейшее добавление. Кроме обмена веществ, жизнь как понятие характеризует также и обмен информацией, получение живыми организмами информации из внешней среды, как от неживых объектов, так и от других живых организмов, и обмен информацией с ними. Только обмен информацией объясняет такие свойства живых организмов, как раздражимость, приспособляемость к среде обитания.

Ф. Энгельс определял жизнь как особую форму существования белковых тел. Современное определение жизни, дополненное способностью к анализу информации и принятием на его основе самостоятельных решений, скоро можно будет отнести не только к живым организмам, но и к роботам, наделенным искусственным интеллектом. Современные роботы уже могут приспосабливаться к изменениям среды обитания и даже способны производить себе подобных. Пока отделяет их от живых организмов отсутствие обмена веществ со средой обитания. Но об этом речь впереди...

В 1943 году нейрофизиолог Уоррен Маккаллох и математик Уолтер Питтс разработали теорию деятельности головного мозга. Основываясь на результатах изучения нейронов, проведенных Маккаллохом, они с Питтсом предложили гипотезу: нейроны можно упрощенно рассматривать как устройства, работающие в двоичном коде. На основе этой гипотезы они построили схему сети электронных "нейронов", способную выполнять любые числовые и логические операции. Конечной целью своих исследований Маккаллох и Питтс видели в создании "адаптивной сети", "самоорганизующейся системы" или "обучающейся машины". Эти устройства должны уметь следить за окружающей средой и с помощью обратной связи изменять свое поведение.

Норберт Винер (1894-1964) - американский математик, автор книг "Кибернетика", "Кибернетика и общество", "Я - математик". Труды по математическому анализу, теории вероятности, электрическим сетям и вычислительной технике.

Уоррен Маккаллох (1898-1969) - американский нейрофизиолог. Труды по анализу информационных явлений в нервных сетях средствами математической логики. Совместно с У. Питтсом ввел понятие формального нейрона.

Исследования в области искусственного интеллекта идут уже более полувека. За эти годы пройден огромный путь, достигнуты значительные результаты в отдельных областях, например, в области стратегических игр. Как уже говорилось, человек во время всей своей жизни должен принимать решения в соответствии с изменениями в окружающей среде. То же самое требуется и в играх. При этом происходит распознавание образов, характеризующих окружающую среду. Затем происходит их анализ и классификация. Для этого мозг сравнивает их с теми, которые известны человеку из прошлого и хранятся в его долговременной памяти. Но механизм распознавания является одной из самых сложных задач в области искусственного интеллекта. При решении таких задач очень важным является изучение механизма извлечения знаний из долговременной памяти. Уже упоминалось, что у человека этот процесс происходит с помощью ассоциаций. Исследователи искусственного интеллекта пытаются создать нечто похожее на них. При решении задач искусственного интеллекта приходится перебирать огромное число вариантов. При этом возможны три варианта действий: случайный поиск, полный перебор и так называемый эвристический поиск.

Любой вариант перебора заставляет перебирать так называемое "дерево решений". Он называется так потому, что с каждым шагом "ветвится" на все новые и новые варианты.

При случайном переборе никакого метода поиска нет, все делается по принципу "если повезет", но вероятность такого везения ничтожно мала, поэтому эффективность этого пути близка к нулю. Полный перебор по заранее намеченному плану безусловно ведет к цели, но число вариантов может быть так велико, что время поиска может приближаться к бесконечности. Ярким примером такого перебора является игра в шахматы. Число возможных вариантов позиций в ней так велико, что для их полного перебора не хватит не только мощности самых современных суперкомпьютеров, но и целой жизни. Поэтому шахматисты ограничиваются перебором вариантов только на несколько ходов вперед. Чем глубже перебор, тем лучше играет шахматист. Ведь при этом он в своей памяти перебирает не только возможные варианты, но и множество уже встречавшихся вариантов в партиях других шахматистов, известных данному игроку.

Но не только в этом заключается сила игрока. Каждый из них вырабатывает свои приемы, ведущие к правильной оценке каждой позиции и всей партии. Такой творческий подход стараются смоделировать при звристическом поиске.

При таком эвристическом поиске в каждой его точке применяются эвристики - правила, облегчающие результативность каждого варианта с точки зрения скорейшего достижения цели. Слово "эвристика" создано на основе греческого "эврика", означающего "открытие". Этот метод оказался плодотворным и применяется в современных программах для игры в шахматы, все более усиливая класс игры компьютера. Эвристики являются своеобразной заменой ассоциаций для компьютера.

Не так давно средства массовой информации устроили большой шум по поводу выигрыша матча компьютерной шахматной программой фирмы IBM у чемпиона мира Гарри Каспарова. Все газеты поместили его фотографию - склонившегося над доской с трагическим выражением лица. Это событие подавалось чуть ли не как победа робота над человеческим интеллектом. Однако на самом деле это как раз, наоборот, победа интеллекта человека. Ведь это он создал такую замечательную программу, играющую в силу гроссмейстера. Осуществилась мечта Михаила Ботвинника, который одним из первых начал работу по созданию компьютерных шахматных программ.

Между тем совершенствование компьютерных шахматных программ продолжается. Созданы программы Deep, Fritz, Shredder, Hiarcs и, наконец, программа "Рыбка".

Ее создатель, 35-летний чешский международный мастер Васик Райлих подошел к разрабатываемой им программе с совершенно иной позиции, качественно улучшив и принципиально изменив в ней механизм оценки позиции. Перебор позиций заменен более глубоким подходом к шахматным нюансам, особенно интересно революционное отношение программы к такой теме, как позиционная жертва. Кстати, многие эксперты отмечают очень "человеческий" стиль "Рыбки", ее оценочная шкала значительно больше приближена к мышлению шахматиста.

Колоссальное превосходство программы в миттельшпиле (середине щахматной партии) позволило ей в короткие сроки возглавить рейтинг-листы компьютерных программ, перейдя фантастическую отметку 3000, которой не достиг еще ни один из великих гроссмейстеров.

У сильнейших гроссмейстеров появилась боязнь подсказок со стороны шахматных компьютерных программ во время матчей.

Во время матча на первенство мира между российским гроссмейстером Владимиром Крамником и болгарским гроссмейстером Веселином Топаловым в 2006 году возник так называемый "туалетный скандал".

Матч за мировую шахматную корону был под угрозой срыва. Команда Веселина Топалова обвинила Крамника в том, что он слишком часто ходит в туалет: болгары насчитали более 50 таких выходов. Как выяснилось в результате видеопросмотров, россиянин выходил в туалет гораздо реже. Однако это не помешало комитету вынести более чем странное решение: оба личных туалета гроссмейстеров закрыть и разрешить им пользоваться только общей уборной в фойе - то есть за пределами игровой зоны.

Естественно, это решение не устроило Крамника. В результате он не вышел на пятую партию, ему было засчитано техническое поражение, а счет в поединке стал 3:2 в пользу россиянина. После этого Крамник заявил, что откажется от участия в матче.

В результате стороны пришли к соглашению, что у каждого гроссмейстера будет свой туалет и комната отдыха, а представителям команд предоставят возможность тщательно обследовать эти помещения перед каждой партией, чтобы исключить варианты с подсказками.

Почти год назад гроссмейстеры обвинили болгарина Топалова в том, что во время официальных матчей он пользуется подсказками компьютерных программ. Например, в матчах с Вишванатаном Анандом и Гатой Камским почти все ходы новоиспеченного чемпиона совпали с рекомендациями одной из сильнейших компьютерных шахматных программ "Рыбка".

Шахматные компьютерные программы являются важной частью работ по созданию искусственного интеллекта, то есть способности робота воспринимать и оценивать обстановку, а затем принимать самостоятельные решения в изменяющихся условиях. Это нужно, например, роботу-тележке, который сейчас обследует поверхность Марса. При возникновении препятствий он сможет, не запрашивая команды с Земли (а ждать их долго), сам принять решение о дальнейшем движении.

Корпорация Sony создала робота-игрушку по имени AIBO ERS-210 - сокращение слов "artificial intelligence" (искусственный интеллект) и "robot" (по-японски это "товарищ"). Этим первым домашним роботом со способностью распознавания голоса управляет микропроцессор RISC, не уступающий по мощности персональному компьютеру. Оперативная память робота составляет 16 Мбайт. Голова, ноги, уши и хвост у него подвижные. Благодаря своему программному обеспечению - операционной системе Sony Aperios - робот-щенок AIBO обладает эмоциями (он может "радоваться", "сердиться"), инстинктами, способностью обучаться и "взрослеть".

Благодаря датчику давления на голове он реагирует на дружеское поглаживание или шлепки в наказание за "проступки". Дальномер не позволяет ему натыкаться на стены. Светочувствительные глаза робота AIBO загораются зеленым цветом, если он "радуется", и красным, если он "сердится". Встроенной в "лоб" камерой CCD робот может делать фотоснимки, которые позволяют Вам увидеть то, что "видел" он. При включении AIBO поднимается на ноги, как щенок. Он может выполнять различные трюки, если предоставлен сам себе, или следовать командам с пульта дистанционного управления. AIBO реагирует на розовый цвет и меняет направление движения, если двигать перед ним мячик розового цвета. Робот-щенок поддается программированию с любого персонального компьютера с помощью дополнительного программного обеспечения AIBO Perfomer Kit. Программа загружается через его порт Memory Stick. Если этот развлекательный робот вам надоест, можно нажать на его груди кнопку PAUSE, и он будет спокойно сидеть. Вес AIBO - 1,4 кг, а работать в автономном режиме он может 1,5 часа.

Вслед за роботом-щенком появилась плавающая в аквариуме электронная "рыба" и целый ряд домашних "зверушек". Роботы уже освоили плавную человеческую походку, могут стоять на одной ноге, способны включать и выключать свет в комнате. Разрабатывается робот-уборщик для обычных квартир. Уже создан прототип автомобиля с искусственным интеллектом. Он способен по указаниям человека самостоятельно двигаться к цели, избавив хозяина от обязанности крутить баранку и нажимать на педали.

На выставке Sony Aperios - 2003 в Париже, а в декабре 2003 года и в Москве на празднике Sony был показан робот-андроид - Qrio. Это первый в мире двуногий кибер, который по своим физическим параметрам - 7 килограмм при росте в 58 сантиметров - близок к полугодовалому ребенку. Такой размер Sony признала оптимальным и безопасным для игры с детьми. А именно для этого и предназначен робот Qrio.

На презентации он продемонстрировал свои неординарные физические и интеллектуальные способности. Благодаря 38 встроенным сервомоторам Qrio обладает достаточной свободой движений и хорошей координацией. Например, он может быстро передвигаться, брать предметы, танцевать, подниматься по небольшой лестнице и даже держать равновесие, стоя на одной ноге. На глазах у удивленных посетителей киберы с успехом танцевали под музыку.

Интеллектуальные возможности Qrio также не могут не удивлять. Робот знает более 60000 слов на разных языках мира, слушается команд и может даже, как уверяют в Sony, сам задавать "умные" вопросы в зависимости от ситуации, обладая зачатками адаптивного поведения. Движения и интеллект робота Qrio контролируют три встроенных компьютера на базе процессора RISC R5000 с 64 мегабайтами оперативной памяти. В качестве операционной системы производитель использовал Aperios, разработанную еще для робота-собачки AIBO. Кроме того, робот снабжен стереообъективами, семью микрофонами и 36 датчиками движения, из которых семь отвечают за безопасность.

Где же сегодня применяются роботы? В основном это так называемые промышленные роботы: автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

Они используются в машиностроении, на транспорте, в легкой промышленности, на вредных и опасных производствах (например, в атомной энергетике), на автоматизированных складах, в медицине, например, при хирургических операциях на сердце.

Специализированные роботы используются в тех случаях, когда здоровьем и жизнью человека лучше не рисковать - например, при разминировании, ликвидации источников радиационного облучения, спасении подводных аппаратов, в сложных операциях с искусственными спутниками в космическом пространстве.

Делаются попытки применить их в быту. Уже поступили в продажу роботы - домашние пылесосы, которые убирают квартиру без помощи человека. Они способны объезжать препятствия, например мебель, и самостоятельно подсоединяться к розеткам электрической сети для подзарядки аккумуляторов. Созданы роботы-санитары, способные обслуживать тяжелых больных. Роботы уже способны не только ходить и танцевать, но даже играть в футбол. Уже проводятся чемпионаты мира по футболу среди роботов.

Промышленные роботы могут входить в состав роботизированного технологического комплекса - гибкой производственной системы (модуля), в которой автоматически действующие машины (в том числе промышленные роботы), устройства, приспособления реализуют всю технологию производства, за исключением функций управления и контроля, осуществляемых человеком. Роботизированный технологический комплекс включают в состав гибкого автоматизированного производства как законченный технологический модуль.

Применение роботов в промышленном производстве позволяет резко повысить производительность, точность, а главное, качество изделий. Примером может служить использование роботов в процессах сварки и покраски, которое значительно улучшает качество по сравнению с ручным трудом. Наиболее широкое применение нашли роботы в производстве автомобилей, где они используются не только для сварки и покраски, но и для автоматической сборки узлов, агрегатов и даже целых автомобилей. На долю немногочисленного штата наладчиков и контролеров остается только подготовка и последующий контроль производства. Так, известная фирма Fanuc создала производственную линию с автоматической сменой инструментов, на которой роботы обслуживают 12 металлообрабатывающих станков и обрабатывающих центров с цифровым программным управлением. Такая линия может работать непрерывно круглые сутки с остановками только для подачи новых материалов и деталей для последующей обработки. Поскольку в цехе в процессе производства не присутствуют рабочие, производственное освещение не требуется. За процессом наблюдает лишь небольшой штат контролеров, оснащенных средствами промышленного телевидения и сигнализации.

Автоматизированные линии и целые заводы - уже не редкость. При наличии отработанной технологии и гарантированного качества используемых комплектующих изделий человека вполне может заменить автомат. Постоянно работающие заводы способны производить сборку из готовых деталей не только автомобилей, но и электронных изделий, бытовой техники и вообще любой продукции, состоящей из стандартизованных комплектующих.

Один из пионеров автомобилестроения Генри Форд в начале ХХ века пришел к выводу, что самым слабым звеном в производстве автомобилей является человек. Ему требовалось все больше рабочих, которые работали бы все быстрее, и лучшим средством достижения этого стал введенный в 1913 году впервые в мире метод поточной (конвейерной) технологии сборки автомобилей, что позволило всего за один год поднять производительность труда на 40-60%, а также достигнуть при этом стандартизации и взаимозаменяемости деталей. Причем зарплата персонала вдвое превысила среднюю по промышленности (5 долларов в час против 2,34 долларов в час), рабочий день сократился до 8 часов. Но эти нововведения вызвали и яростное противодействие: посыпались обвинения в бесчеловечности, безжалостной эксплуатации. Вслед за Г. Фордом конвейерный метод сборки был применен и в других отраслях промышленности.

Чарли Чаплин в своем известном кинофильме "Новые времена" рассказал о том, как пагубно влияет монотонный и изнурительный труд на здоровье и психику рабочего - сборщика такого сборочного конвейера. Герой фильма Чарли должен производить в бешеном темпе одну и ту же рабочую операцию - закручивать гайку гаечным ключом. В результате он сходит с ума и ему гайками начинают казаться любые выпуклости - пуговицы на платье и даже носы окружающих людей, которые он начинает закручивать своим гаечным ключом.

Применение промышленных роботов вместо рабочих-сборщиков в автоматизированных сборочных линиях позволило исключить человека из этой производственной цепочки.

Во всем мире в 2004 году установлено более 95000 новых промышленных роботов. Инициаторами развития робототехники являются электротехническая, электронная и автомобильная промышленность. К 2005 году во всем мире установлено 848000 промышленных роботов, из них в Азии - 443 000, в Америке -125 000, в Европе - 279 000. По прогнозам, в 2008 году число роботов в мире превысит 1 миллион!

Со временем все больше привычных профессий человека перейдет к компьютерам и роботам - так надежнее и дешевле. И с этим человечеству придется смириться. Так, практически исчезли профессии чертежниц и копировщиц. Такая же судьба ждет и многие другие профессии (например, в службе сервиса), состоящие в монотонном повторении однообразных операций. И это приведет к уменьшению занятости, усилению безработицы. На долю человека останется только творческий труд. Но ведь далеко не все люди на это способны. Да и численность народонаселения растет в мире бешеными темпами, причем в основном за счет слабо развитых стран Азии и Африки. Так что технические достижения вызовут и новые тяжелые проблемы, которые еще предстоит решать бурно растущему человечеству.

По прогнозам ученых, в этом веке появятся роботы, которые смогут соперничать по своим способностям с человеком. Пока интеллектуальные возможности современных персональных компьютеров - на уровне паука, но через 20 лет они сравняются с млекопитающими, а через 40 лет - с человеком. Они будут способны производить себе подобных и самостоятельно развиваться.

Пессимистически настроенные ученые боятся, что человек потеряет контроль над этими искусственными "существами", т.е. не сможет в случае угрозы отключать их от питания. В результате появится новая "раса" интеллектуальных роботов и завершится биологический этап эволюции.

Так, Кевин Уорвик в своей книге "Наступление машин" предполагает, что через 50 лет человечество окажется в "рабстве" у интеллектуальных роботов. Они будут использовать людей для своих потребностей, подобно тому как сами люди используют животных, например, разводят коров для получения мяса и молока, а потом убивают.

Разработку и производство все более сложных роботов невозможно остановить. Однако ученые-оптимисты надеются на возможность контролировать этот процесс и наделять интеллектуальных роботов понятиями о морали и правилах поведения в человеческом обществе.

А самые смелые футурологи надеются, что с использованием биологических технологий интеллект человека сольется с искусственным и начнет отказываться от своего тела, подверженного болезням и старению. Знаменитый английский физик Стивен Хокинг призывает генетически усовершенствовать человека, иначе в будущем машины превзойдут людей. В 2001 году он заявил, что если люди и в будущем желают оставаться конкурентоспособными в сравнении с созданными ими же машинами, без генной инженерии не обойтись.

"В отличие от нашего интеллекта, производительность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев, - сказал Хокинг, сославшись на закон Мура. - Опасность, что у них возникнет интеллект, и они покорят мир, вполне реальна". По мнению ученого, есть только два выхода. Человечеству придется либо подумать об искусственном усовершенствовании своих генов, либо попытаться найти способ объединить компьютеры и человеческий мозг. "Нам придется пойти этим путем, если мы хотим, чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные".

Известный футуролог Джеймс Мартин предсказывает появление искусственного интеллекта, который, однако, не окажется копией человеческого. "У нас будут машины, которые в миллиарды раз умнее нас, но только в очень узких и специальных областях", - пишет он. За несколько десятилетий ученые не сильно приблизились к созданию искусственного интеллекта, так как шли по неверному пути. Мартин считает, что нам не нужно пытаться повторить человека, следует пользоваться особенностями, характерными именно для компьютеров. "Между людьми и машинами будет тесное синергетическое партнерство, в котором компьютеры будут делать то, что лучше умеют именно они, а люди - то, что они", - считает он.

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек опубликовал пьесу R.U.R. (Rossum's Universal Robots) - одно из самых значительных литературно-философских произведений XX века. Само слово "робот" - искусственный рабочий - подсказал автору его брат, художник Иозеф Чапек. Пьеса была написана задолго до того, как учеными и инженерами были разработаны первые промышленные роботы - это произошло лишь в 60-х годах XX века. Таким образом, Карел Чапек предугадал появление современных роботов.

В прологе пьесы рассказывается о том, чем робот отличается от живого человека:

Далее по ходу пьесы роботы объединяются, свергают власть создавших их людей и убивают их всех, кроме одного. И этот один оставшийся в живых человек наблюдает у роботов проявление любви к жизни, любви робота-юноши и робота-девушки. В финале пьесы он восклицает:

Не правда ли, мысли современных ученых-оптимистов так созвучны мыслям гениального Карела Чапека, высказавшего их 80 лет назад, задолго до появления первых роботов?

Другой замечательный писатель - Айзек Азимов - в своем сборнике научно-фантастических рассказов "Я - робот" сформулировал три закона, действию которых должны подчиняться роботы, чтобы они не могли нанести вред человеку.

Спустя полвека после начала исследований в области искусственного интеллекта успехи микроэлектроники позволили построить компактные искусственные нейронные сети (ИНС) в виде миниатюрных "чипов". Такая сеть составлена из функциональных аналогов нейронов человеческого мозга. Именно о них мечтали Маккалолох и Питтс. Решающее отличие нейрокомпьютерной системы от обычного компьютера - в ее способности к самоорганизации и самообучаемости. Эта способность позволяет ИНС гораздо эффективнее, чем обычные компьютеры, решать сложные интеллектуальные задачи.

В нейрокомпьютерах информация кодируется и запоминается не в отдельных ячейках памяти, а, подобно мозгу, в связях между нейронами. При этом в соответствии с распределением и силой этих связей состояние каждого нейрона зависит от состояния многих других нейронов, связанных с ним. Это обеспечивает высокую надежность работы такой системы, так как потеря отдельных связей для нее несущественна.

Нейроподобная сеть представляет собой параллельную сеть простых адаптивных (приспособляемых) элементов. Она взаимодействует с объектами реального мира подобно биологической нервной системе.

Наряду с нейрокомпьютерными чипами начинают применяться построенные в виде чипов системы так называемой "нечеткой логики". Ведь в алгебре логики бывает только два состояния - истинное и ложное (1 и 0). То есть при постановке задач всегда приходится вводить четкие условия. Однако в жизни так бывает далеко не всегда. Часто условия задачи невозможно сформулировать достаточно четко, при этом остается некоторая неопределенность. Это ограничивает области применения ставшей уже традиционной булевой алгебры, в соответствии с которой построены компьютеры (помните архитектуру компьютера Джона фон Неймана?). Для решения широкого круга задач с нечеткой постановкой задач (например в стратегических играх с неполным знанием сил противника) и разработан математический аппарат нечеткой логики. Построенные на его основе чипы нечеткой логики гораздо успешнее справляются с решением интеллектуальных задач с нечеткими начальными условиями.

Профессор университета в г. Беркли (США) Лофти Заде (эмигрант из Азербайджана) создал новое направление в математике, в основе которого лежит понятие нечеткого множества. Если для утверждения "число 3 - нечетное число" есть только один ответ - "истинно", а для утверждения "Владивосток - город в Европе" - только один ответ - "ложно", то для понятий "много" или "мало", "большой" или "маленький" такого четкого ответа дать нельзя. Возникают промежуточные варианты ответов: "очень много", "много", "немного", "мало", "очень мало", или: "огромный", "большой" "небольшой", "маленький", "крохотный" и т.д. Л. Заде своей нечеткой математикой приблизился к реальным схемам рассуждений, которыми пользуются на практике. Нечеткая логика по отношению к булевой алгебре, подобно теории относительности А. Эйнштейна по отношению к классической механике И. Ньютона, является ее обобщением. Нечеткая логика играет большую роль в теории принятия решений и искусственном интеллекте. В ней в качестве основных элементов вместо чисел 0 и 1 используются лингвистические переменные типа слов: "большой" "маленький", "сильный", "слабый" и т.д.

Существуют и генетические "нейропакеты", в которых реализованы генетические принципы обучения. В мире уже начался нейрокомпьютерный бум. В 1998 году объем продаж таких пакетов превысил 2 млрд долларов. Искусственными нейросистемами в мире занимается около 300 компаний, в основном в области разработки программного обеспечения. Соотношение объемов продаж программного обеспечения и аппаратуры составляет 3:1. Аппаратурное оснащение производят около 20 компаний, а собственно микрочипы разрабатывают единицы. Более 50% рынка - это военные заказы на системы распознавания, автоматического картографирования, прицеливания и наведения. Однако широко развиваются и гражданские приложения, прежде всего там, где требуется обработка больших массивов информации в режиме реального времени. ИНС уже используются в финансово-аналитических, в частности, биржевых системах. Появились они уже и на компьютерном рынке России.

Пока нейрокомпьютерные системы стоят достаточно дорого - от нескольких десятков тысяч до миллионов долларов. Пока они не стали массовым товаром. Однако предвидится в недалеком будущем и массовый спрос на них.

Прежде всего - для совершенствования системы Internet. На проект "Новое поколение Internet" (NGI) на период до 2002 года из федерального бюджета выделено 100 млн долларов. Главные цели этого проекта прямо соответствуют предсказаниям Билла Гейтса, высказанным им в книге "Дорога в будущее". Это создание высокоскоростной магистрали, развитие технологий сетевого сервиса и пользовательских приложений нового поколения. Все они связаны с передачей и обработкой огромных массивов информации. Поэтому при их решении невозможно будет обойтись без нейрокомпьютерных систем.

Уже сегодня в развитых зарубежных странах нейрокомпьютеры и нейроплаты применяются в военном деле, медицине, финансовой и налоговой системах. В таможнях их используют для обнаружения пластиковых бомб и наркотиков, в мире финансов - для предсказания курсов валют, в военной авиации - для распознавания наземных целей, в банковском деле - для оценки кредитных рисков.

Одним из самых плодотворных направлений исследований в области искусственного интеллекта является оптическое распознавание символов, то есть, например, задача научить компьютер читать.

Современные системы оптического распознавания печатных текстов уже способны ввести более ста тысяч документов в сутки. Последним достижением становится распознавание рукописных текстов. Во всех системах машинного распознавания образов используются принципы распознавания, используемые животными и человеком.

Системы оптического распознавания символов служат для перевода графического изображения в текст. Для этого сначала в сканер вводится изображение - своеобразная фотография документа. В результате получается набор черных и белых (или разноцветных) точек. При этом сканеру "все равно", с каким документом он работает - с рисунком, фотографией или текстом. Для целей копирования или посылки факса этого достаточно. Но для перевода отсканированного изображения текстового документа в символьный текст необходима система распознавания, например FineReader. Она переводит этот набор точек в текстовый формат, пригодный для посимвольного редактирования. Ведь каждому символу соответствует свой байт. Работа системы распознавания FineReader состоит из двух этапов. Первый - это анализ графического изображения, полученного сканером. В него входит определение областей распознавания, таблиц, выделение в тексте строк и символов. Второй этап - распознавание каждого символа в отдельности.

Сканирование одной страницы продолжается от 15 до 40 секунд, а распознавание - около 30 секунд, то есть страницу текста можно ввести в компьютер за одну минуту. Система OCR может работать и так: сначала сканируются все листы, а затем проводится распознавание всего текста сразу. Существующие системы распознавания печатных текстов обеспечивают точность распознавания более 99,9%.

В карманных компьютерах и электронных записных книжках широко применяется распознавание раздельных рукописных букв, написанных специальным пером на их экране (touch-screen), Эти распознающие системы обеспечивают достаточно высокую точность, приближающуюся к точности ввода с клавиатуры. Гораздо сложнее задача распознавания написанных от руки слитных букв, слов и целых рукописных текстов. Она еще не решена полностью, потому что при этом компьютер должен еще понимать и смысл текста.

К задачам искусственного интеллекта можно отнести и системы анализа и синтеза речи и музыки.

В целом решение всех этих задач дает возможность пользователю удобнее "общаться" с компьютером - то есть задавать ему вопросы, давать ему задания и получать ответы в форме изображений (письма и картин, таблиц и графиков) и звуков - речи и музыки. Это называется создать "дружественный интерфейс".

Недавно в Великобритании была проведена уникальная хирургическая операция на коленном суставе. Ее провел... миниатюрный робот, руководимый голосовыми командами хирурга, наблюдавшего операцию на телевизионном мониторе. Предполагается проводить подобные операции и на сердце.

Институт звукового перевода г. Киото (Япония) объявил о создании программ, способных распознавать английскую и японскую устную речь. Эти же программы обеспечивают ее автоматический перевод в темпе обычной беседы. Для обслуживания этих программ требуются компьютеры огромной мощности и быстродействия, которые уже есть в развитых странах. Если подключить к такому компьютеру мобильный телефон, то говорящий по-японски человек сможет вести диалог с партнером, говорящим по-английски. Такой диалог возможен и за столом переговоров, и на расстоянии.

Разработчики программ утверждают, что они работают на уровне переводчика, сдавшего единый "Тест на знание английского языка для международного общения" (TOEIC). В дальнейшем разработки Института звукового перевода можно будет использовать и для других языков.

Японская компания NEC разработала устройство e-Navi, представляющее собой персональный переводчик. Он позволяет двум людям вести беседу на разных языках. Устройство имеет словарный запас в 50.000 японских и 25.000 английских слов. Оно способно распознавать голос и синтезировать речь. При этом точность перевода близка к 100% и не требуется предварительная запись голоса пользователей. Устройство e-Navi будет опробовано в токийском международном аэропорту "Нарита". В нем скоро появится специальная служба аренды устройств e-Navi. Этот аэропорт должен стать самым высокотехнологичным аэропортом в мире.

Таким образом, удалось решить одну из сложнейших задач искусственного интеллекта - распознавание устной слитной речи, - задачу, значительно более сложную, чем распознавание отдельно произносимых слов с паузами между ними. Причем это, вместе с переводом, сделано в реальном масштабе времени: не нужны паузы для перевода, так знакомые в международных переговорах.

Достижение японских языковедов и программистов - шаг вперед в преодолении языкового барьера между народами.