Химия и жизнь №1 2014
.pdf
Цветной кокон
Червей накормили краской, и они дали цветной шелк.
«ACS Sustainable Chemical Engineering», 2013; doi: 10.1021/ sc400355k
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
Окрашивание тканей — весьма грязный процесс, однако необходимый: природные волокна — лен, хлопок и шелк — цветом нас не балуют. Не так давно сумели получить трансгенный коричневый хлопок. А теперь индийские исследователи из CSIR — Национальной химической лаборатории — во главе с Саямом Сен Гуптой заставили шелковичных червей делать цветной шелк. Для этого они синтезировали семь азокрасителей, примерно таких, какие применяют в текстильной промышленности, и покрасили ими листья шелковицы. Черви ели эти листья, и красители проникали в их тела. Три красителя сумели пройти сквозь стенки кишечника и попасть в гемолимфу, а из нее —
впаутинные железы. Как оказалось, на способность красителя проникать
впаутину влияет соотношение гидрофильных и гидрофобных групп в молекуле. Червь от химической добавки к пище не страдал. Теперь исследователи займутся целенаправленным поиском способов получения природных разноцветных шелков, что позволит резко снизить загрязнение окружающей среды на подобных производствах.
Хемобиты
Впервые с помощью молекул на расстояние в несколько метров передан текст.
«PLOS One», 18 декабря 2013 года; http:// dx.plos.org/10.1371/ journal.pone.0082935
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
Исследователи из британского Уорвикского и канадского Йоркского университетов во главе с аспирантом Нариманом Фарсадом сделали установку, в которой с помощью распылителя, присоединенного к компьютеру, можно было создавать через равные промежутки времени облачка из молекул спирта. Они двигались к приемнику в другом углу комнаты, и тот их фиксировал. Если в соответствующий момент спирт в него попадал, это значило 1, если нет (распылитель ничего не делал), то 0. Закодировав нулями и единицами фразу «О, Канада», исследователи ее передали и прочитали. Так состояласьперваямолекулярнаятрансляциятекста.Вживойприродеэтотметодпередачи сигналов используется как на уровне клеток, так и на уровне организмов. Человек же,научившисьгенерироватьэлектромагнитныеволны,доиспользованиядвижущихся
молекул до сих пор не додумывался. Теперь вот и до них руки дошли.
Авторы работы упирают на то, что генерировать такие сигналы удается с малыми затратами энергии, а использовать принцип можно там, где передача электромагнит-
ных сигналов затруднена — внутри трубопроводов, в человеческом теле или при общении между роботами. Правда, скорость такого общения невелика — она ограничена скоростью звука. Зато подслушать очень трудно: если какой-то молекулярный бит будет прочитан по дороге, до адресата он не дойдет.
Нефть из водорослей
Еще один способ сделать дешевое биотопливо.
«Algal Research», 2013, 2, 4, 445–454; http://dx.doi. org/10.1016/j.algal.2013.08.005
В з а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
«В моей лаборатории часто пахнет нестираными носками, тухлыми яйцами и паленым деревом», — говорит Дуглас ЭллиотизТихоокеанскойСеверо-Западнойнациональнойлаборатории(США),которыйсороклетразрабатывает технологии обработки органических веществ в перегретой воде. В частности, он придумал непрерывный процесс превращения водной взвеси одноклеточных водорослей в искусственную нефть. Это происходит в проточном реакторе под давлением20МПаитемпературе350оС.Всегозачаспритакихусловияхбольшаячастьуглеродаводорослей—50—70%
— превращается в нефть, при этом в осадок выпадает фосфат кальция. На выходе из реактора нефть легко отделяют от воды, в которой остаются калий и половина азота, используемые как удобрения. Вместе с фосфатом они возвращаются в цикл выращивания водорослей.
Весьэтотпроцессвыгодноотличаетсяоттрадиционного,когдаводорослипредварительносушат,чтотребуетбольших затрат энергии, а в реактор помещают порциями, что неудобно. Экспериментальный реактор имеет объем 1,5 литра, но Эллиот уже заключил соглашение с компанией «Генифьюэл» о создании полупромышленной установки непрерывного получения бионефти
Гидрогель в коленке
Умный полимер станет лечить стершийся сустав.
«Biomacromolecules», 2013, 14, (11, 3808– 3819; doi: 10.1021/ bm4011276
В з а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
После того как на поверхности сустава износился хрящ, любое движение руки или ноги
вызывает сильную боль, а также воспаление, Сжатие
— развивается остеоартрит. Один из способов лечения при обострении — ввести вещества, препятствующие воспалению, способствующие регенерации хряща и облегчающие смазку сустава.
Вкачестве первого применяют какое-то противовоспалительное и иммуноподавляющее, например, дексаметазон, а роль второго и третьего играет гиалуроновая кислота. Однако было бы хорошо, если бы они расходовалась не сразу, а по мере необходимости, то есть только во время возникновения напряжения — тогда пациенту реже пришлось бы посещать больницу для очередной процедуры.
Примерно так рассуждают исследователи из Делавэрского университета во главе с Чандраном Сабанаягамом. Они давно разрабатывают всевозможные умные гидрогели, то есть такие, которые начинают выделять спрятанное в них вещество только в ответ на внешнее воздействие, например изменение температуры или электрическое поле. Однако гидрогелями, реагирующими на механическую нагрузку, в этой лаборатории до сих пор не занимались. В этот раз ученые синтезировали несколько гидрогелей на основе полимера из метакрилата и гиалуроновой кислоты, внедрили в них кластеры с дексаметазоном и стали наблюдать, как лекарство выделяется в ответ на приложение нагрузки. Дополнительно изучали разложение гидрогелевых матриц под действием ферментов: это важно для такого рода препаратов. Результаты удовлетворили исследователей, и теперь они переходят к опытам на животных.
Вслучае успеха ученым удастся помочь миллионам людей, страдающим от болей в суставах.
Выпуск подготовил кандидат физико-математических наук С.М.Комаров
«Химия и жизнь», 2014 № 1, www.hij.ru
9
Глаз мухи и другие
нанотехнологии
А.В.Сергеев
Кажется, они были всегда... Сотни миллионов лет назад они наблюдали за появлением первых динозавров, а затем и за их гибелью. Они жили рядом с первыми млекопитающими и были свидетелями их расцвета. Они наблюдают за нами с момента появления наших предков — так, может, пора и нам взглянуть на них повнимательнее?
Насекомых начали изучать довольно давно, поэтому о них известно очень многое. Но можем ли мы сказать, что знаем о них все? Определенно нет! Вот, казалось бы, их строение детально описано предыдущими поколениями натуралистов, однако и в этой области часто обнаруживаются весьма любопытные вещи. В данном случае речь пойдет о функциональных особенностях строения поверхности, которые членистоногие начали использовать за многие тысячи лет до появления человека. Именно такие явления люди только сейчас начинают применять для своих нужд и называют это «инновационными достижениями». Но обо всем по порядку.
Блики на лице
Первые несколько веков становления энтомологии описывали внешний вид насекомых «на глаз». И если поначалу им приходилось довольствоваться остротой собственного зрения, то после изобретения микроскопа задача классификации значительно упростилась. Были детально описаны жилки на поверхности перепончатого крыла, разъяснено устройство сложного фасеточного глаза и его структурной единицы — омматидия, или простого глаза (рис. 1, а—д). С увеличением числа исследованных видов неизвестных структур становилось
меньше и меньше, и все говорило о том, что предела разрешения оптической микроскопии вполне достаточно для точного описания таких объектов.
Однако после изобретения в 30-х годах ХХ века электронной микроскопии ученым открылись объекты гораздо более мелкие. В 60-е годы было опубликовано несколько статей, в которых впервые сообщалось, что глаз насекомых помимо микроструктуры (от сотен до тысяч фасеток) обладает также наноструктурой: поверхность роговичной линзы отдельного омматидия покрыта множеством маленьких бугорков. (См., например, Bernhard C.G., Miller W.H., «Acta Physiologica Scandinavica», 1962, 56, 3—4, 385—386, doi: 10.1111/j.1748-1716.1962. tb02515.x). Если размер фасетки — в среднем около 20 мкм, то поперечный размер обнаруженных бугорков (nipples, англ. «сосочки») составляет около 200 нм.
В те годы было исследовано множество видов, преимущественно бабочек и мотыльков, и определены различия в высоте наноструктур на поверхности роговичной линзы. Она может варьировать от нуля (иными словами, отсутствовать) до четверти микрона. Но зачем насекомым эти бугорки?
Ученые показали, что наличие наноструктур такого рода способствует лучшему поглощению света, а это, в свою очередь, позволяет насекомому лучше видеть. Безусловно, хорошее зрение важно практически для всех видов, но для ночных и летающих насекомых точная ориентация в пространстве жизненно необходима. Поэтому неудивительно, что глаза большей части бабочек и мотыльков «оснащены» нанобугорками (Stavenga D.G. et al., «Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences», 2006, 273, 1587, 661—667, doi:10.1098/ rspb.2005.3369).
10
б |
в |
а |
г |
|
Роговичная линза |
|
|
|
д |
(фасетки) |
|
|
|
е |
ж |
з |
||
|
||||
Кристалли- |
|
|
|
|
ческий конус |
|
|
|
|
Пигментные |
|
|
|
|
клетки |
|
|
|
|
|
Фоторе- |
|
|
|
|
цепторные |
|
|
|
|
клетки |
|
|
1 Устройство сложного глаза насекомых: голова насекомого(а); электронно-ми-
кроскопическоеизображениесложногоглаза(б);роговичныелинзыомматидиев, или фасетки (в); нанобугорки на поверхности омматидиев (г). Внизу — схематическое изображение поперечного разреза простого глаза — омматидия (д) и антибликовые структуры (е, ж, з): однослойное просветляющее покрытие
споказателем преломления n2=const (n1> n2> n0); просветляющее покрытие
сградиентом показателя преломления n2 (x), изменяющимся от n0 до n1; и наноструктурированнаяповерхностьфасетки.Краснымикругамивыделеныобласти,гдеволныинтерферируютигасятдругдруга.Изображения(в)и(г)были получены автором статьи на атомно-силовом микроскопе
а |
б |
в |
г |
д |
е |
ж |
з |
2 Наноструктураглаздрозофилы,дикийимутантныетипы.Удрозофилыдикого
типа (а) омматидии упакованы плотно, у мутанта Frizzled (г) наблюдается фенотип «рыхлый глаз». Это подтверждают дифракционная картина и преобразования Фурье изображений глаз дикого типа, где шестиугольник говорит о гексагональной упаковке, и мутанта Frizzled, где размытое кольцо указывает на случайное распределение фасеток (б, д). Распределение бугорков случайно как у дикого типа, так и у мутанта (в, е). Внизу — сравнение дикого типа с мутантом Glazed (ж, з). При данной мутации не только нарушается упаковка омматидиев — нанобугорки также претерпевают значительные изменения и уменьшены в размерах. Как следствие, глаза мутантной мушки дают больше бликов из-за нарушения антиотражательного слоя
Проблемы и методы науки
Что же делает глаза с нанобугорками более зоркими? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к одной важной задаче просветления оптики: задаче создания небликующей (хорошо поглощающей свет) поверхности. Такие поверхности используются, например, в фото- и видеотехнике.
Самое простое решение — нанести на линзу тонкую (обычно в четверть длины волны) пленку с показателем преломления определенной величины n2, промежуточной между показателями преломления линзы и воздуха (рис. 1е). В такой пленке волны, отраженные от верхнего и нижнего слоя, интерферируют друг с другом и взаимно гасятся. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы за счет уменьшения доли отраженного света, что нужно, например, для получения более качественных снимков или удаления бликов с монитора.
Изготовление высококачественных просветляющих пленок — не такая уж простая задача. Длины волн видимого света находятся в диапазоне 400—750 нм, поэтому для наилучшего эффекта требуются многослойные пленки, в которых для каждой длины волны найдется своя толщина пленки х. Наиболее выигрышный подход — создать неоднородную пленку, в которой показатель преломления n2(x) не постоянен, а изменяется по градиенту: от показателя преломления среды n0 в верхнем слое до показателя преломления линзы в нижнем слое n1 (рис. 1ж). Так можно добиться равномерного поглощения всех длин волн в оптическом диапазоне. Насекомые справились с этой задачей по-своему — они хорошо видят, потому что смогли изменить геометрию поверхности своего глаза (рис. 1з). Слой из нанобугорков, если его толщина меньше длины волны падающего света, ведет себя как пленка с изменяющимся показателем преломления. Все просто!
Так насекомые продемонстрировали человеку нанотехнологию, которую можно применять повсеместно, в самых разных сферах деятельности. Самое привлекательное в ней то, что для создания аналогичных антибликовых покрытий не нужно подбирать материалы с какими-то исключительными свойствами. Главное — повторить геометрию такой поверхности, а это можно сделать довольно точно, используя природную наноструктуру как шаблон. Например, поверхности глаз насекомых могут быть воспроизведены при изготовлении ячеек солнечных батарей. Это сразу повысит поглощение солнечной энергии без замены известных материалов на новые — достаточно задать нужные параметры производства.
Про мутантов
С 2009 года начались детальные исследования наноструктур глаз насекомых в Пущинском научном центре РАН совместно с Университетом Лозанны (Швейцария). Среди первых работ, опубликованных этим коллективом, было систематическое исследование глаз плодовой мушки Drosophila melanogaster (см. ссылку в конце статьи). Дрозофила — хорошо изученный модельный организм, ее геном полностью секвенирован, описано большое число генетических мутаций. Идеальный объект!
Припомощиметодоватомно-силовоймикроскопиимыопре- делили и охарактеризовали поверхности омматидиев дикого типаDrosophila melanogaster.Исразуначалисьнеожиданности.
«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru
11
Так, многие годы считалось, что нанобугорки на поверхности омматидия имеют плотную гексагональную упаковку. Однако многочисленные исследования показали, что глаза простой плодовой мушки, вопреки устоявшемуся в научном сообществе мнению, обладают необычной разупорядоченной наноструктурой (рис. 2в). При этом упаковка омматидиев действительно гексагональная (рис. 2 а, б). Таким образом, наноструктура глаза мухи в некотором смысле случайна, в то время как макроструктура строго упорядочена.
Нанобугорки на поверхности фасетки дрозофилы небольшие — около 30 нм в высоту (для сравнения, у чешуекрылых высота может быть более 200 нм). Расстояние между соседними нанобугорками составило примерно 200 нм, то есть не отличалось от среднего значения у других насекомых. Именно такие размеры обеспечивают эффект просветляющего покрытия.
Разобравшись с особенностями структуры поверхности глаза простой плодовой мушки, мы проанализировали влияние хорошо описанных мутаций на морфологию поверхности глаза: Frizzled (от англ. «завитой, взъерошенный») и Glazed («глянцевый»).
У мутантов с фенотипом Frizzled в целом нарушена плоскостная ориентация клеток (planar cell polarity), из-за этого покровы насекомого неправильно развиваются. Плоскостная ориентация клеток указывает каждой клетке, как ей расти в зависимости от ее расположения, нарушение же данной регуляции вызывает необратимые изменения во всех тканях особи. Глаза такой мухи — печальное зрелище! Характерный признак мутанта с фенотипом Frizzled — «рыхлый глаз» (это официальный термин!) с сильно нарушенной гексагональной упаковкой омматидиев (рис. 2, г, д). Атомно-силовая микроскопия позволила обнаружить последствия мутации и основную причину нарушения упаковки омматидиев — между фасетками оказались включения материала линзы, которых в норме там не должно быть.
Мухи-мутанты с фенотипом Glazed интересны по другой причине: глаза у них меньше, чем у дикого типа, и значительно сильнееотражаютсвет(поверхностьбольше«бликует»).Анализ наноструктуры их глаз показал, что отражение света усиливается из-за уменьшения высоты нанобугорков (рис. 2, ж, з). Так было получено экспериментальное подтверждение влияния высоты наноструктуры на отражательную способность глаза у насекомых одного и того же вида.
Кстати, здесь следует упомянуть, что антибликовая функция фасеточного покрытия насекомых может играть еще одну важную роль — она делает насекомое менее заметным. Как
показывают расчеты, выигрыш в поглощении света, а значит, и в остроте зрения обычно составляет всего несколько процентов, в то время как уменьшение блеска глаза может отличаться в несколько раз! Это явно способствует выживаемости: хищные насекомые с такими глазами могут ближе подбираться к жертве, а жертвы — лучше прятаться.
При исследовании еще нескольких мутантных линий плодовой мушки мы выявили ключевые белки, формирующие роговичную линзу омматидиев. Генетические манипуляции позволили определить степень и характер влияния каждого из белков на строение простого глаза мухи. Вводя такие белки в систему, можноуправлятьформированиемструктурыфасеток,создавая нужный фенотип. Например, введя мухе гомологичные белки пчелы, мы можем получить особь с «пчелиными» глазами. Вот только как это использовать на практике — пока не ясно…
Наш ответ — биомиметика!
Большую часть идей, касающихся структурированной поверхности, человек почерпнул из наблюдений за разнообразием окружающего мира. История науки знает немало примеров, когда непонятное на первый взгляд эволюционное приспособление оказывалось гениальным изобретением природы. Сформировалось даже целое научное направление — биомиметика, использующая идеи живой природы для решения технологических задач. Вернемся немного назад во времени
ипроследим за открытием одной такой идеи.
В70-е годы ХХ века ученым удалось объяснить механизм эффективного отталкивания воды листьями лотоса. Считалось, что данный эффект обеспечивается воскоподобным покрытием или идеально гладкой поверхностью. Позднее это явление назвали супергидрофобностью. На самом деле причина не в гладкой поверхности, а в ее особой структуре: листья лотоса покрыты множеством плотно посаженных бугорков. Капли могут касаться только их верхушек, а стечь ниже им не позволяет сила натяжения жидкости. Площадь соприкосновения капель с поверхностью слишком мала, и они без задержки стекают с листа при малейшем наклоне. Важно различать гидрофобный эффект вещества на молекулярном уровне (химический) и гидрофобный эффект, вызываемый специфической геометрией поверхности, — это совершенно разные вещи, хотя они и могут использоваться совместно!
Каковы же размеры этих бугорков? Недавние исследования показали, что в общем случае для обеспечения гидрофобности требуются размеры от десятков, как у листа лотоса, до долей
Нанотехнологии, которые можно позаимствовать у насекомых
Бактерицидные материалы
Группа австралийских и испанских исследователей обнаружила удивительное свойство крыльев цикады певчей: бактерий, которые садятся на них, буквально разрывает на части. Антибактериальный эффект обусловлен необычной наноструктурой —
Грамотрицательные |
Грамположительные |
бактерии на крыле |
бактерии остались |
цикады погибли |
в живых |
крылья усеяны плотно расположенными наношипами, которые, как гвоздики, протыкают бактериальную клетку. Любопытно, что крылья цикады губительны только для грамотрицательных бактерий — грамположительных, вероятно, защищает более толстая и прочная клеточная стенка (Ivanova E. P. et al, «Small», 2012, 8, 16, 2489—2494, doi: 10.1002/smll.201200528).
Самоочищающиеся поверхности
Насекомые приспособлены к огромному разнообразию внешних воздействий, и в этом им помогают наноструктурированные поверхности. Лапки водомерки супергидрофобны, что позволяет ей с легкостью передвигаться по воде; точно так же крылья многих насекомых не смачиваются водой. Исследовав наноструктуру глаз насекомых, свойства которой описаны в этой статье, ученые разработали небликующее, самоочищающееся, гидрофобное и незапотевающее стекло. А нанокраски с различными
Наноструктура «суперстекла» имитирует нанобугорки глаз насекомых
принципами действия уже несколько лет используют в автомобильной промышленности — машина остается чистой в любую непогоду (Park K. C. et al., «ACS nano», 2012, 6, 5, 3789—3799, doi: 10.1021/nn301112t).
Структурная окраска
Крылья бабочек семейства Morpho обязаны своей изумительной окраской не химии — пигментам и красителям, а физике — особой наноструктуре чешуек. Это явление, названное структурной окраской, было обнаружено также у других насекомых, птиц, рептилий и обитателей моря. Некоторые виды используют структурную
12
а |
б |
в |
д
ж |
з |
|
3 Наноструктурыглазнасекомыхвесьмамногообразны.Глазаночныхбабочек(а)
обладают самыми высокими антибликовыми свойствами за счет строгой упорядоченности нанобугорков и их большой высоты — 200 нм. Специфические наноструктурынаповерхностиглазногохвостки(б)необходимыдлядостижения гидрофобности — вода никогда не попадет насекомому в глаза. У разных видов насекомых наноструктуры глаз могут заметно различаться, как, например, у мух (в, д), клопов (г) и мотыльков (е). Какой эффект достигается за счет различий в геометрии поверхности, ответить сложно. Внизу — микроструктура сложногоглазабабочек(ж,з).Несмотрянаразнообразиенаноструктур,микроструктура глаз обычно сходна у всех видов. Серьезные отличия удается найти нечасто — нам повезло!
микрона (Hobæk T. C. et al., 2011, 1, 3, 63—77, doi: 10.1007/ s12668-011-0014-5). Размеры нанобугорков глаз насекомых — около нижней границы этих значений (рис. 3).
Немногим позднее был описан противоположный эффект, названный «эффектом лепестков розы», — поверхность с повышенной гидрофильностью, к которой вода как бы прилипает. И вновь гидрофильность обеспечивается именно геометрией, а не химическим составом! Вот что самое интересное — для одного и того же вещества свойства поверхности можно с легкостью изменять от гидрофильных до гидрофобных, и все это за счет простых бугорков.
г
е
Проблемы и методы науки
Насекомые значительно продвинулись в создании сложных структур, обогнав и лотос, и розу. При этом богатство функций, которые они демонстрируют, не ограничивается антибликовыми и гидрофобными свойствами: крылья цикад, например, обладают антибактериальной активностью, а структурная окраска крыльев бабочек (подробнее об этом см. «Химию и жизнь», 2010, № 11) — одно из самых красивых и удивительных явлений природы.
В завершение нужно сказать, что наноструктуры, которыми усердно пытается овладеть и человек, могут скрывать еще не описанные к настоящему моменту свойства. Возможно, описав их многообразие и изучив физические характеристики, мы сможем из любого подручного вещества создавать материалы с необходимыми нам качествами и управлять ими по нашему желанию. Природа таит множество уникальных, элегантных и остроумных решений, возникших за миллиарды лет эволюции. Человеку стоит искать их, находить и удивляться, а затем изучать и повторять природные нанотехнологии, используя весь арсенал доступных ему методов — генетические манипуляции, физические методы и математическое моделирование.
Работа выполнена при сотрудничестве группы физики нуклеопротеидов и группы генетики развития Института белка РАН, лаборатории квантово-механических систем Института математических проблем биологии РАН, факультета фармакологии и токсикологии Университета Лозанны (Швейцария). Особая благодарность организаторам и участникам Школы молекулярной и теоретической биологии при поддержке фонда «Династия».
Древоподобная наноструктура чешуек крыла бабочки Morpho
окраску совместно с пигментной. Технология наноструктурного окрашивания объекта обещает нам краски, косметику и ткани с совершенно новыми свойствами. Сегодня уже созданы полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля, — тоже весьма перспективное свойство.
Сверхъяркие линзы
Ученые давно приметили, что фонарики светлячков, яркости которых технологи могут позавидовать, чрезвычайно хорошо
Наноструктура
кутикулярного слоя фонарика светлячка
пропускают свет. Две независимые группы исследователей из Кореи и Канады детально изучили кутикулярный слой брюшка светлячка и выяснили, что он состоит из множества наноструктур, формирующих чешуйки размером около 150 нм. Благодаря такой структуре покрытие фонарика имеет изменяющийся по градиенту коэффициент преломления, который стремится к коэффициенту преломления воздуха. Это открытие было сразу же использовано в производстве новых сверхъярких ламп, дающих больше света при тех же энергозатратах (Kim J. J. et al, «Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2012, 109, 46, 18674—18678, doi:10.1073/ pnas.1213331109).
Литература
Kryuchkov M., Katanaev V. L., Enin G. A., Sergeev A., Timchenko A. A., Serdyuk I. N. Analysis of Micro-and Nano-Structures of the Corneal Surface of Drosophila and Its Mutants by Atomic Force Microscopy and Optical Diffraction. PloS one. 2011, 6, 7, e22237, doi: 10.1371/journal.pone.0022237.
Енин Г.А., Катанаев В.Л., Крючков М.В., Озерова А.Н., Сергеев А.В., Тимченко А.А. Поиск и изучение новых наноструктурных покрытий на поверхности глаз различных насекомых. Тезисы Четвертой региональной конференции «Молодежные научноинновационные проекты Московской области», Жуковский — Пущино, 22—23 ноября 2012 года, с. 44—45.
«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru
13
Дом
бабочек
Внебесной канцелярии опять бюрократические неувязки, никак не могут решить: включать москвичам зиму или осень? Всероссийский выставочный центр выглядит заброшенным, гуляющих мало. Но тут есть как минимум одно теплое место.
В большом зале второго павильона устроен тропический парк — может быть, не совсем настоящий, зато жаркий и влажный. Над парком натянута сетка, чтобы экспонаты не разлетелись по углам. Бабочки американских и азиатских тропиков — синие вспышки морфид, черный бархат калиго, совиные глаза на ореховом фоне, траурные плащи с золотым и алым подбоем... Людей не слишком опасаются, но и спокойно позировать фотографу не хотят. А на детей смело садятся.
Не все местные обитатели похожи на прекрасные цветы. За пределами сада расположены террариумы. В них живут
Caligo brasiliensis, Южная Америка. Калиго по-латыни значит «мрачная»
Парусник палинур
(Papiliopalinurus),Индия,Юго-ВосточнаяАзия
Золотая птицекрылка (Troides rhadamantus), Филиппины
Морфо пелей (Morpho peleides), Южная и Центральная Америка. С лицевой
стороны крылья у нее ослепи- тельно-синие, как положено морфидам.Ахарактервредный, как у многих красавиц: позировать с развернутыми крыльями так и не пожелала
Idea leuconoe, Юго-Восточная Азия
большие мохнатые пауки, многоножки, палочники — сперва вы не увидите ничего, кроме сухих веточек, а потом обнаружите у них лапки; называется это существо — палочник неожиданный. А еще гигантские улитки-ахатины, зофобасы, по-английски superworms (представьте себе опарыша длиной в палец)... «Ты боишься?.. И я тоже не боюсь!» Детям эта живность нравится не меньше, чем парусники и морфо. Есть тут и рептилии. Вон свернулся кольцами красный с белыми и черными полосками... неужели аспид? Нет, конечно: похожая на него молочная змея. А вот террариум с куколками бабочек. Может, кому-то повезет наблюдать выход из куколки.
За поддержание видового разнообразия в Московском доме бабочек отвечает Сергей Николаевич Пугаев,
Фото: Андрей Константинов, Виктория Кириллова
Фотоинформация
выпускник Ульяновского государственного педагогического университета, сотрудник Научно-исследовательского института биоцидов и нанобиотехнологий. Работа важная, практически значимая, но Сергей, несколько лет изучавший ночных тропических бабочек семейства Eupterotidae, не изменяет прежним интересам.
— Большинство видов насекомых размножается в условиях выставки, — рассказывает С.Н.Пугаев. — Мы круглый
Graphiumagamemnon,Юго-ВосточнаяАзия,Индия, Шри-Ланка, Австралия
Парусник Румянцева — Papilio rumanzovia (Филиппины) назван в честь графа Н.П.Румянцева (1754—1826), организатора кругосветной экспедиции капитана О.Е.Коцебу на «Рюрике», во время которой впервые была поймана эта бабочка
год поддерживаем оптимальную температуру и влажность, обеспечиваем хищников необходимыми кормовыми насекомыми, травоядных — растительным кормом. Бабочкам даем фрукты, специальные сиропы. На выставке много цветов, поэтому бабочки могут питаться и своим естественным кормом.
Е.Котина
Благодарим за помощь в организации съемок сотрудников Московского дома бабочек и Л.В.Каабака
Миссия «Квантовый рассвет»
О.О.Фейгин
Такое переплетение кабелей и узлов и есть нынешний Интернет
размышления
Киберпространство состоит из взаимодействий и отношений, мыслит и выстраивает себя подобно стоячей волне в сплетении наших коммуникаций. Наш мир одновременно везде и нигде, но не там, где живут наши тела...
В нашем мире все чувства и высказывания, от низменных до ангельских, являются частями единого целого — глобального разговора в битах. Мы не можем отделить воздух, который удушает, от воздуха, по которому бьют крылья...
Мы сотворим в Киберпространстве цивилизацию Сознания. Пусть она будет более человечной и честной, чем мир, который создали до того ваши правительства.
Дж. П. Барлоу. Декларация независимости Киберпространства
Сеть Всемирной паутины |
«кошмар 9/11», когда вслед за крушени- |
|
ем башен-близнецов стало лихорадить |
||
|
||
Первый удар пришелся по индустрии |
биржевые рынки Европы и Азии. Второй |
|
ценных бумаг и финансовых рынков. |
удар потряс серверы Министерств вну- |
|
Многие брокеры сразу же вспомнили |
тренней безопасности и финансов. Тут |
же «эффект домино» зацепил Комиссию по ценным бумагам и рынкам США. Завершающий третий удар накрыл крупнейших игроков Уолл-стрита — акул финансового рынка.
Сотни финансовых компаний по всему миру остановили свои расчетно-кас- совые операции. Отключились тысячи банкоматов, и прервались расчеты через карточки. Миллионы людей застряли перед электронными кассами со своими покупками. Перестали работать железнодорожные кассы и пропускные пункты метро. Коллапс охватил городской пассажирский транспорт.
«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru
15
Наступил вечер, но вместо сияющего моря рекламных огней в глубинах темных мегаполисов зажглись лишь редкие лампы аварийного освещения. Самые развитые центры цивилизации постигла масштабная техногенная катастрофа, вызванная спланированным ударом нескольких групп хакеров неизвестной национальной и политической принадлежности.
Насколько возможно такое развитие событий? По-видимому, невероятным его назвать нельзя — ведь это один из сценариев, разыгрываемых во время американских учений по отражению угроз из киберпространства.
Несмотря на явный конспирологический привкус, это не секретная информация. В свое время автору этого текста даже посчастливилось обсуждать подобные вопросы с выдающимися энциклопедистами-популяризаторами современности — Стивеном Хокингом и Митио Каку.
Электронная модель глобальной катастрофы
«Из-за своего неустанного стремления к комфорту и экономическому росту человечество в короткий период оказалось в опасной зависимости от сетевых систем: в течение менее чем двадцати лет части так называемой критической национальной инфраструктуры оказались под контролем компьютерных систем, становящихся все более сложными. <…> История их успеха, вызывающая тревогу, стала возможной, поскольку цифровой мир благодаря своему все более удобному интерфейсу уже давно предстает не в виде абстрактного языка программирования, а просто как неисчерпаемый каталог информационных
иразвлекательных предложений, от простых чатов до узкоспециальных дискуссионных форумов», — пишет британский журналист Миша Гленни в книге «Киберпреступления. Криминал
ивойны цифрового века».
Ксчастью, мы пока еще не сталкивались напрямую с угрозой разрушения виртуальной реальности, созданной Интернетом. Однако постоянные кибератаки на ключевые узлы Всемирной паутины уже заставили многих задуматься об эффективной тактике отражения терактов в киберпространстве. Первый решающий шаг сделала Ассоциация участников индустрии ценных бумаг и финансовых рынков США: аналитики и программисты этой организации создали виртуальную миссию «Квантовый рассвет». Под этим кодовым названием скрываются регулярные учения, отрабатывающие различные приемы защиты от единичных
имассовых кибератак.
Самое активное участие в электронном моделировании отражения нападений интернетовских диверсантов принимают также представители Министерства внутренней безопасности, Министерства финансов и Комиссии по ценным бумагам и рынкам США. Периодически к «Квантовым рассветам» подключаются десятки крупнейших банковских групп и финансовых компаний, таких, как «Citigroup» и «Bank of America». Каждый участник отправляет своих представителей для работы в секретном подземном центре телекоммуникаций Пентагона. Этот законсервированный пункт управления ранее предполагалось использовать при ядерной угрозе. Сегодня после окончания холодной войны
иснижения международной напряженности между членами «атомного клуба», обладающими ядерным оружием, многие командные бункеры Пентагона переоборудуются в узлы связи.
Сводную команду «Квантового рассвета» возглавляют сотрудники ФБР, ЦРУ и Агентства национальной безопасности (АНБ). Вместе с банковскими «офицерами связи», исполняющими роль трейдеров-аналитиков, правительственные агенты разрабатывают план предстоящих учений и в глубоком секрете строят схемы атак воображаемых хакеров. Главной целью этих электронных имитаций служит выполнение протокола по бесперебойному функционированию бизнеса. На втором плане находится информационная безопасность правительственных учреждений и компаний.
Обычно «Квантовый рассвет» начинается с того, что участникам на примере функционирования электронных связей
ибаз данных главного финансового центра планеты — Нью-Йоркской фондовой биржи — поступают противоречивые, путаные сигналы. Это должно в полной мере имитировать массированную хакерскую атаку с неизвестных компью-
теров и информационных терминалов. На первом этапе в торговых операциях начинаются существенные сбои, приводящие к резкому замедлению их темпа. Если команде «Квантового рассвета» в течение определенного времени удается справиться с прямой хакерской атакой, то в дело вступают компьютерные вирусы. После этого организаторы устраивают небольшой перерыв, во время которого участники должны найти решения для возникших проблем. Самое главное — выявить альтернативные варианты, что можно сделать с использованием незараженных вирусами центров и маршрутов. Если удается сохранить общий уровень финансовых операций и избежать крупных потерь, то вирусная атака считается отбитой.
Тут же, без перерыва, начинается заключительная стадия, фактически повторяющая все предыдущие операции, но в сильно ускоренном режиме. Финальный аккорд — имитация удара хакеров с измененными параметрами нападения.
Каждый раз руководство «Квантового рассвета»придумываетновыесюжетные поворотыдлясценарияучений.Так,скандалы с утечками секретной информации, в центре которых оказались сотрудники ФБР и Пентагона, заставили ввести тайных агентов, передающих нападающим часть информации. Это, конечно, сильно усложняет ситуацию, зато максимально приближает ее к реальности.
На пороге кибервойн
Если сценарий «Квантового рассвета» представляет такую опасность для кибернетической инфраструктуры всего североамериканского континента, то как на это реагирует главное силовое ведомство США — Пентагон? «В 2012 году многие компьютерные сети, в том числе принадлежащие правительству США, подвергались атакам, за некото-
Форт-Мид построен в 1957 году для Агентства национальной безопасностиСША.РасположеннаполпутимеждуБалтимором и Вашингтоном, около города Лаурел, штат Мэриленд
16
Эмблема Кибернетического командования США, которое находится в подчинении стратегического командования США (база ВВС США Оффутт, штат Небраска)
рыми из них, судя по всему, стоят непосредственно китайское правительство и армия», — указывает его Аналитический центр по компьютерным угрозам и кибершпионажу в своем ежегодном докладе. Для противодействия несколько лет назад министр обороны США подписал приказ о формировании в стране специальной структуры, отвечающей за безопасностьвоенныхиправительственных информационных сетей. Так родилось киберкомандование Пентагона.
Первоначально этот центр должен был защищать исключительно военные компьютерные сети, а не информационную инфраструктуру других правительственных организаций или частных компаний. Однако в ходе своего развития киберкомандование столкнулось с комплексными угрозами кибернетических диверсантов и террористов, после чего на примере миссии «Квантовый рассвет» решило расширить свои полномочия. Сегодня это необычное подразделение входит в систему военной разведки и контактирует при постановке и выполнении своих задач с ЦРУ, ФБР и АНБ. В числе его задач не только оперативное отражение хакерских атак, но и разработка стратегии и тактики ведения самых настоящих виртуальных кибервойн
всетевом пространстве. КиберкомандованиеПентагонараспо-
лагается в знаменитом своими тайными операциями оплоте АНБ — Форт-Миде и входит в структуру Стратегического командования США. Армия командировала в распоряжение киберкомандования самых различных специалистов: от инженеров-электронщиков до системных аналитиков, которые обеспечивают безопасность американских военных каналов связи.В СМИ просочилась лишь информация, что одну из главных ролей в киберкомандовании играет бывший глава ЦРУ (1991—1993) и министр обо-
роны (2006—2011) Роберт Гейтс. Правая рука этого ветерана тайных операций
— генерал-лейтенант Кит Александер, возглавляющий АНБ. Считается, что именно генерал Александер первым заговорил об острой необходимости создания Кибернетического командования США. Он же и начал формирование кибервойск в мае 2010 года, опираясь на специалистов военно-информационной инфраструктуры Пентагона, которая насчитывает более пятнадцати тысяч сетей, включающих свыше семи миллионов компьютеров. Сюда же входят и несколько десятков самых мощных в мире суперкомпьютеров, отмечающих уровни ядерных и террористических угроз.
Под киберзонтиком
Современная гражданская инфраструктура тесно переплелась с правительственной и военной. Именно поэтому масштабные антихакерские миссии вроде «Квантового рассвета» не могут не затрагивать самые секретные стороны деятельности кибернетических центров Пентагона. Так, 95% компьютерных сетей Министерства обороны США развернуто на базе общегражданских телефонных линий, причем свыше 150 тысяч компьютеров подключены к сети Интернет, что делает их чрезвычайно уязвимыми. Весь этот впечатляющих размеровкомпьютерныйсверхкомплекс в принципе может быть одномоментно выведен из строя одной хорошо спланированной атакой: хакеры могли бы довольно легко поразить такие общие уязвимые элементы сети, как операционные системы или протоколы связи.
Подобные соображения лежат в основе стратегии киберкомандования, направленной на тотальный контроль над мировой информационной инфраструктурой. В идеале Пентагон хотел бы контролировать весь Интернет.
С другой стороны, анализ операций, подобных «Квантовому рассвету», показывает, что в формировании внешней киберполитики США появился новый подход:структурыспецслужбиПентагона готовы взять на себя безусловное обеспечениеинформационнойбезопасности всехсетейсвоихсателлитовисоюзников, создав то, что можно назвать «кибернетическим информационным зонтиком».
Такая позиция не вызывает особого восторга у других стран. Например, Япония, Филиппины, Мексика и Канада выступили с совместным заявлением, в котором выразили озабоченность тем, что введение киберзонтика может привести к ограничению их суверенитетов.
По мнению западных аналитиков, ЦРУ, АНБ и военная разведка США напрямую ставят перед киберкомандованием Пентагона задачи активного проникно-
размышления
вения в компьютерные сети своих потенциальных противников. Для этого, в частности, разрабатываются технологии внедрения особых электронных вирусов и «логических бомб замедленного действия», которые, не проявляя себя в обычное время, могут «взорваться» с началом боевых действий. Такие «спящие электронные диверсанты» способны дезорганизовать оборонную систему управления, транспорт, энергетику и финансовую систему любого развитого государства. Кроме всего прочего, Агентство перспективных оборонных разработок США (DARPA) активно раздает гранты научно-исследовательским организациям на создание особых «зараженных микрочипов». Эти микросхемы самого широкого применения должны внедряться в экспортируемую во все страны мира вычислительную технику и по кодовым командам выполнять различные шпионские и диверсионные функции.
Кибернетический бумеранг
Хотя США раньше других государств осознали важность создания «киберщита» и «кибермеча», им не удалось получить очень уж впечатляющих результатов. Формируя мощный потенциал информационной войны, американские спецслужбы достигли определенного успеха при агрессии НАТО в Югославии, Ираке и Иране, но при этом имели место крупные утечки информации.
Так «кибернетический бумеранг» вернулся на североамериканский континент, и сейчас уже более 30 стран занимаются разработкой информационного оружия. Создание киберкомандования США подтолкнуло Китай, Россию и Францию к формированию
ввооруженных силах и спецслужбах подразделений, обеспечивающих безопасность и активное противодействие
вкиберпространстве. Это позволяет говорить о начале витка гонки сетевых вооружений, включая создание всяческих компьютерных средств атаки на военную технику и объекты военной инфраструктуры вероятного противника.
Многие американские аналитики считают, что Пентагон выпустил джинна из бутылки, открыв широкую дорогу
«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru
17
разработкам средств и методов активного воздействия на информационные инфраструктуры потенциальных противников. Тем более что информационные войны захватили и продаваемую за рубеж вычислительную технику. Это заставляет создавать устройства для сканирования программно-аппаратных средств, поступающих из США и стран НАТО, с целью поиска тайных закладок. Кроме того, многие страны ставят вопрос об изоляции своих систем связи от глобальных информационно-теле- коммуникационных сетей, находящихся под контролем США. Так что в будущем наше киберпространство может быть и существенно сокращено…
Изменилась и сама государственная политика обеспечения информационной безопасности. Отдельные угрозы в киберпространстве, исходящие от террористов и грабителей, сменились виртуальными военными операциями. Если когда-то внимание спецслужб было сосредоточено на отдельных крушениях самолетов и поездов, а также на локальных техногенных авариях, то теперь акценты в сфере международной безопасности сместились в сторону полномасштабной системы защиты информации. Главную опасность в киберпространстве сегодня представляют не хакеры-одиночки, а специально создан-
Отражение в Интернете
Небывалые возможности, которые дают нам компьютер и Всемирная паутина, давно стали привычными.
Доступ к информации в любом виде (пока без участия органов обоняния и осязания, но задача решаемая, был бы спрос), общение без необходимости знать языки (есть развитые системы перевода), дистанционное обучение и саморазвитие, просмотр фильмов и прослушивание музыки в любом качестве. А хочешь — будь художником или композитором, предлагай читателям свои книги и стихи, проектируй здания и механизмы, участвуй в настоящих научных исследованиях, не выходя из дома...
Развитие технологий всегда опережает потребности общества, лишь со временем люди осознают и осваивают возможности новых методов и устройств, которые становятся привычными. Но в ящике Пандоры есть подарки, способные причинить множество бед.
ные службы на государственном уровне. Конечно же отдельные группы аполитичных хакеров по-прежнему опасны, поскольку,вотличиеоттрадиционныхвооружений,средствапротивоборствавинформационном пространстве можно эффективноиспользоватьивмирноевремя. Так, по мнению экспертов американской разведки, террористы от использования широко распространенных каналов связи в интернет-форумах перешли на общение под видом участников сетевых компьютерных игр. Предполагается, что они используют сценарии игр для координации действий, установки контактов и репетиций возможных реальных атак
на виртуальных моделях.
При этом применение военных информационных технологий, как и многие другие стороны функционирования Всемирной паутины, никак не регулируется международным правом. Соответственно вопрос о контроле национального информационного пространства становится все более актуальным аспектом международной по литики. На это уже не первый год обращают внимание эксперты. Например, в коммюнике Всемирного саммита по информационному обществу сказано: «Появление новых угроз породило политическую необходимость контроля и регулирования киберпространства, принятия
Развитие Интернета облегчило доступ к любой культурной продукции (за счет тиражирования пиратских копий книг, журналов, фильмов, музыки и прочего). Однако не похоже, чтобы сотрудники СМИ пользовались этими возможностями в благих целях. Наука и просвещение оказались еще сильнее отодвинуты на задний план, нежели в доинтернетовский период, а вперед вышло массовое изготовление сходных текстов методом копипаста, причем число первичных источников, содержащих оригинальные тексты, очень мало. Большую часть объема журналов заполняют новостные материалы, практические советы или рекомендации для потребителя. От читателя не требуют напряжения ума, осмысления материала, его не стимулируют к поиску новых знаний, развитию самостоятельности, зато предлагают готовые оценки всего на свете, несложные для понимания и повторения, готовые модели поведения.
В Интернете отсутствует единая идеологическая программа, которая объединяла бы общество и задавала идеалы будущего. Вместо этого свободный
соответствующих норм. Приоритетность вопросов кибербезопасности для дальнейшего развития Интернета должна быть признана вне всякого сомнения». Многие эксперты-кибернетики считают, что хотя дальнейшее развитие интернет-технологий и трудно прогнозировать, делать это нужно с учетом таких факторов, как появление миссий «Квантовых рассветов» и национальных киберкомандований, а также интерконтинентальных компьютерных игр, готовых в каждый момент перерасти в глобальную хакерскую атаку.
Судя по всему, отсюда еще очень далеко до действенных международных договоренностей. К тому же лидер кибернетических технологий — США продолжают считать, что управление информационным пространством необходимо только для обеспечения их и только их национальной безопасности. В любых вопросах международной кибербезопасности правительство США занимает особую позицию, всячески уходя от конкретных договоренностей. Наверное, киберкомандованиеПентагонанадеется, что миссии «Квантовых рассветов» надежно оградят Америку от виртуальных противников во Всемирной сети.
Наука и общество
доступ к средствам производства и распространения информации порождает огромное количество кланов и группировок, пропагандирующих свои идеи и убеждения. Причем, если говорить не о более-менее профессиональных интернет-журналистиках и блоггерах, то в значительном количестве этим заняты люди безграмотные, склонные к лженаучной, мистической или мифологической трактовке мира, а также психически больные. Удивительно, что даже между вменяемыми людьми из разных кланов не удается наладить содержательный диспут, хотя Интернет дает технические возможности, — как правило, все сводится к взаимным оскорблениям. Казалось бы, традиционные журналы со своей массовой аудиторией могли бы исправить ситуацию, но они потеряли обратную связь с обществом, дублирование в Интернете породило информа- ционно-рекламныесайты,безактивного использования всех возможностей, позволяющих работать с читателем в режиме реального времени.
Новый цифровой век не привнес изменений и в перспективы развития
18