Научные открытия 20 века

Наука

Двадцатый век стал веком прорывных научных открытий, которые позволили цивилизации подняться на принципиально новую ступень. Ключевые открытия повлекли за собой революционные перемены во многих областях человеческой деятельности, открыли новые направления для развития научной мысли, стали базисом для появления инновационных технических решений.

Открытие групп крови

Попытки использовать кровь для лечения заболеваний или омоложения предпринимались с глубокой древности – считалось, что в крови человека содержится его душа. Существуют документальные свидетельства, что в 17 веке проводились эксперименты по переливанию крови от животного животному (в том числе с полным замещением), от животного человеку. В начале 19 века Джеймс Бланделл разработал технологию прямого переливания крови от человека к человеку. Чтобы замедлить свертываемость, кровь подогревалась в специальном аппарате.

Переливание все чаще стало использоваться для лечения заболеваний, компенсации обширных кровопотерь. Но далеко не всегда процесс проходил гладко и приводил к желаемому результату. Причиной тому была несовместимость групп крови.

Научные открытия 20 века
Карл Ландштайнер

В 1891 году Карл Ландштайнер, ученый из Австралии, исследовал красные кровяные тельца (эритроциты), и обнаружил два вида антигенов – веществ, отвечающих за образование антител и иммунную защиту организма. Антигены получили наименование А и В. Выяснилось, что у одних людей в крови содержатся только антигены А, у других – только В, у третьих отсутствуют и те и другие. Соответственно, обозначили три группы крови:

  • I (она же 0) – антигенов нет
  • II – с антигенами А
  • III – с антигенами В

Позже, в 1902 году, ученики Ландштайнера, Альфред  Декастелло и Андриано Штурли в ходе исследований выявил существование эритроцитов с антигенами А и В. Но они не стали публиковать результаты, посчитав явление нетипичным.

Перечень групп крови пополнился IV группой – АВ только в 1907 году благодаря чешскому врачу Янскому. Он подтвердил открытие Ландштайнера и выявил наличие четвертой группы. Именно Янский предложил классификацию групп крови, которая в ходу до сегодняшних дней: 0 (I), A (II), B (III), AB (IV).

Открытие групп крови позволило широко применять переливание для лечения людей без риска для их жизни.

Открытие атомного ядра, планетарная модель атома

Мыслители античных времен, в том числе Лукреций, Демокрит, Эпикур, придерживались мнения, что все окружающие объекты состоят из неделимых частиц – атомов. И не существует ничего более мелкого, чем атом.

«Античный атомизм» продолжил свое существование и в средние века. В тот исторический период научный поиск сдерживался церковью – все, что выходило за рамки религиозных взглядов, каралось инквизицией. И неделимость атома средневековыми учеными под сомнение не ставилась.

В 18 столетии вопросами элементарного строения вещества занимались многие блестящие ученые. Джон Дальтон в Англии, Антуан Лавуазье во Франции и Михаил Ломоносов в России независимо друг от друга нашли доказательства существования атомов. В конце 18 века российский ученый Дмитрий Менделеев создал периодическую систему химических элементов, в которой графически показана зависимость свойств элементов от их атомной массы. Это помогло вплотную приблизиться к пониманию единой природы атомов.

Научные открытия 20 века
Эрнест Резерфорд

 В 1897 году английский физик Джон Томсон разрушил многовековой «античный атомизм», экспериментально доказав наличие электронов с отрицательным зарядом в составе атомов. Он же создал первую модель строения атома. Он представлял его в виде сгустка положительно заряженной материи с равномерно распределенными отрицательно заряженными электронами.

На заре 20 века, в 1911 году, британский физик Эрнест Резерфорд занимался изучением активности альфа-частиц в активных газах. В ходе экспериментов он открыл присутствие в составе атома частиц с положительным зарядом. Некоторое количество альфа-частиц резко отклонялось от траектории движения при прохождении лучей сквозь газ. Резерфорд объяснил этот факт столкновением этих альфа-частиц с положительно заряженными частицами в атомах.

Благодаря этому открытию Резерфорд создал новую модель атома. Она описывает атом как ядро с положительным зарядом, вокруг которого по определенным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Модель получила название планетарной за прямую аналогию со структурой Солнечной системы.

Резерфорд, создав планетарную модель атома, стал родоначальником ядерной физики, его открытие легло в основу постулатов датского ученого Нильса Бора, одного из главных создателей квантовой физики.

Первый антибиотик — пенициллин

До появления антибиотиков множество людей погибало от заражения крови при ранениях и травмах, от бактериальных инфекций. Но средство, способное подавить деятельность вредоносных бактерий, было открыто благодаря случайности.

Шотландский бактериолог Александр Флеминг на протяжении многих лет изучал, как человеческий организм борется с бактериальными инфекциями. В 1928 году он проводил очередную серию экспериментов, выращивая колонии культуры Staphylococcus. В некоторых чашках для культивирования Флеминг обнаружил обыкновенную плесень Penicillium, которая поражает долго лежащий хлеб. Ученый собрался отправить эти чашки в мойку, но вдруг обратил внимание, что вокруг пятен плесени бактерии отсутствуют. Он сделал вывод, что Penicillium выделяет вещество, уничтожающее бактерии.

Научные открытия 20 века
Александр Флеминг

Это послужило основой для разработки антибиотиков – средств, которые подавляют или тормозят химическую реакцию, необходимую для жизнедеятельности бактерии. Пенициллин препятствует строительству новых клеточных оболочек бактерий.

В 30-х годах 20 века ученые пытались создать безопасный для человека антибиотик. Чистую форму пенициллина получили ученые Оксфордского университета Говард Флори и Эрнест Чей в 1938 году. Во время Второй мировой войны была высокая потребность в антибактериальных препаратах и к 1943 году развернулось массовое производство пенициллина.

В СССР также озаботились производством пенициллина, но союзники не соглашались продать технологию ни за какие деньги. Разработку советского пенициллина доверили Зинаиде Ермольевой, известному специалисту по борьбе с холерой. Используя научные данные о работе Флеминга, Ермольева провела большую серию опытов и нашла плесень с требуемой пенициллиновой активностью.

Научные открытия 20 века
Зинаида Ермольева

Зимой 1944 года выяснилось, что советский пенициллин-крустозин, успевший пройти клинические испытания и поступивший в массовое производство, не уступает импортному по эффективности. После этого с легкой руки Говарда Флори Зинаиду Ермольеву стали звать «Госпожа Пенициллин». 

Открытие расширения Вселенной (закона Хаббла)

В 1913 году Вейл Слайдер, американский астрофизик, сделал открытие, выяснив, что огромные космические объекты, включая Туманность Андромеды, с высокой скоростью перемещаются относительно Солнечной системы. Дальнейшие наблюдения позволили сделать вывод, что туманности постоянно удаляются от нашей системы. На этом основании была построена теория о постоянном расширении Вселенной.

Ученый-астроном из Бельгии Жорж Леметр в 1927 году установил, что галактики удаляются не только от нас, но и друг от друга. Двумя годами позже американский ученый Эдвин Хаббл, используя 254-сантиметровый телескоп, подтвердил, что галактики удаляются друг от друга в космическом пространстве из-за расширения Вселенной и вывел физико-математическую формулу, которая описывает принцип этого расширения.

Научные открытия 20 века
Эдвин Хаббл

Закон Хаббла стал переворотом в астрономической науке. Согласно этому закону наша Вселенная неуклонно расширяется, причем расширение происходит одинаково во всех направлениях. Иными словами, наблюдатель, оказавшийся в любой точке космического пространства, становится центром, относительно которого все объекты будут одинаково удаляться.

Закон Хаббла стал подтверждением теории Большого Взрыва, согласно которой вся материя когда-то существовала в виде компактного шара или точки в бесконечном пространстве и начала распространяться после гигантского взрыва. 

Современные астрономы, используя закон Хаббла, могут с большой точностью рассчитать местоположение объектов (включая галактики и их скопления) в пространстве через любой промежуток времени.

Открытие резус-фактора групп крови

Красные кровяные клетки, эритроциты, отвечают за транспортировку кислорода от легких к клеткам и углекислого газа в обратном направлении. На мембране эритроцитов большинства людей (около 86% населения планеты) находится особый белок – резус-фактор. У 14% он отсутствует.

Резус был открыт Карлом Ландштайнером, автором сенсационного открытия групп крови. В 1940 году австралийский ученый вместе с Александром Винером, врачом-иммуногематологом из Америки, проводил опыты и обнаружил в крови макак вида «резус» (семейство мартышковые) эритроциты с ранее неизвестным белком – антигеном D. Это белок не входил в разработанную Ландштайнером систему групп крови.

Научные открытия 20 века
Александр Винер

В ходе дальнейших опытов эритроциты макак-резус добавляли в кровь кроликов, чтобы получить сыворотку. Затем сыворотку смешивали с человеческой кровью разных групп. Примерно в 85% случаев наблюдалось склеивание эритроцитов, и такую сыворотку стали именовать резус-положительной. Белок антиген получил название в честь вида макак, участвовавших в эксперименте.

Люди делятся на резус-положительных и резус-отрицательных. Знание резуса важно при переливании крови и при планировании семьи. Резус-отрицательному человеку нельзя вливать кровь с положительным резусом, поскольку организм воспринимает это как чужеродную атаку и начинается слипание эритроцитов в качестве защитной реакции. По этой же причине может возникнуть конфликт матери и плода, если резусы не совпадают. Но современная медицина уже нашла способы решения данной проблемы.

Опытное доказательство возможности получения ядерной энергии

Первый успешный опыт самоподдерживающейся цепной реакции с освобождением атомной энергии (первый ядерный реактор) был впервые реализован Энрико Ферми в декабре 1942 года в Чикаго. Это событие стало первым шагом человечества к тому, чтобы поставить ядерную энергию к себе на службу.

Будущий нобелевский лауреат Энрико Ферми с детства всерьез увлекался физикой и математикой. В 22 года он параллельно писал два диплома в разных университетах, подготовил работу «Масса в теории относительности», посвященную поиску возможности высвобождения ядерной энергии. Молодой ученый изучал теоретическую физику под руководством крупнейших ученых Европы, включая Макса Борна в Германии.

Вся дальнейшая научная деятельность Ферми была направлена на изучение атомного ядра и процессов, происходящих в нем. Он выдвинул теорию бета-распада в 1933 году, спустя 5 лет предсказал существование пиона (пи-мезона) – новой элементарной частицы. Нобелевскую премию физик Ферми получил «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».

Научные открытия 20 века
Энрико Ферми

В том же 1938 году Ферми уехал из фашистской Италии в США. Год спустя он выдвинул идею о возможности создания сверхмощного оружия за счет использования цепной реакции, высвобождающей колоссальную энергию. Власти США выделили финансирование и создали все условия для работы ученого. В рамках реализации Манхэттенского проекта Ферми занимался исследованием цепной реакции и получением плутония, руководил строительством ядерного реактора.

2 декабря 1942 года впервые в мире была запущена самоподдерживающаяся цепная реакция, что открыло человечеству двери в атомный век. В июле 1945 года на полигоне в США был произведен первый ядерный взрыв, а в августе того же года две ядерные бомбы были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Сегодня разработки Ферми в первую очередь используются в мирных целях – для получения электрической энергии. В память об ученом был назван 100-й элемент периодической системы – фермий, который открыли через год после его смерти.

Открытие магнитосферы и радиационных поясов Земли

Земля представляет собой огромный естественный магнит, и потому окружена магнитосферой – областью ее магнитного поля. Магнитосфера – самая внешняя оболочка планеты и самая протяженная. Она сложна по форме и неоднородна, имеет нейтральные поля с очень слабым магнитным полем. Участки с сильным магнитным полем могут захватывать корпускулярное излучение Солнца – заряженные частицы вещества. Так называемый солнечный ветер состоит из электронов, протонов, альфа-частиц, ионов гелия и других элементов. Также сильные магнитные поля захватывают радиацию, в результате чего у Земли сформированы радиационные пояса. Они опасны для живых организмов при длительных полетах в околоземном пространстве.

Научные открытия 20 века
Джеймс Ван Аллен

Радиационный пояс Земли был открыт в 1985 году Джеймсом Ван Алленом, ученым из США, который занимался анализом данных, собранных американским спутником «Эксплорер-1». Запись показывала, что уровень радиации менялся в процессе прохождения спутником полного витка вокруг Земли. Свое открытие Аллен озвучил в мае 1985 года. Оно было подтверждено независимыми исследованиями данных, полученных советским «Спутником-3». Позднее ученые повторно проанализировали данные со «Спутника-2» и также нашли подтверждение тому, что у планеты есть радиационный пояс. Отсутствие записывающей аппаратуры на «Спутнике-2» и ее неисправность на «Спутнике-3» не позволило СССР претендовать на первенство в открытии радиационного пояса. В дальнейшем, при запуске «Пионера-3» и «Луны-1», был открыт внешний радиационный пояс Земли.

Первая пересадка человеческого сердца

К пересадке человеческого сердца ученые готовились с 30-х годов 20 века. Опыты шли над животными, в частности, российский ученый Владимир Демихов в 1946 году успешно пересадил второе сердце собаке, затем заменил легкие и сердце. 

В 60-е годы к операции по пересадке человеческого сердца серьезно готовился Норман Шамуэй, хирург из США. Ставя опыты над собаками, он разработал технологию, которая применяется до сих пор. Для ускорения и упрощения операции он оставлял верхнюю часть предсердия с крупными венами, и к ней пришивал нижнюю часть донорского сердца.

Научные открытия 20 века
Владимир Демихов

Однако первую в мире операцию по пересадке человеческого сердца совершил Кристиан Барнард – специалист из ЮАР, обучавшийся в США. Он применил наработки Нормана Шамуэя, с которым был знаком со времен учебы в Минессотском университете, и Владимира Демихова – Барнард дважды приезжал к нему в Советский Союз, в 1960 и в 1963 годах.

Луи Вашканский согласился на трансплантацию сердца, попав в больницу ЮАР с третьим инфарктом. Без пересадки он был обречен умереть в течение ближайших недель. Так как в ЮАР было запрещено использовать донорские органы чернокожих, возникла проблема с поиском донора. Все решил случай – в ДТП погибла 25-летняя Дениза Дарваль. Ее отец дал согласие на операцию.

Первая пересадка человеческого сердца была проведена 3 декабря 1967 года. Операция длилась около пяти часов. Через несколько дней Луи Вашканский уже вставал с постели, принимал посетителей, общался. Несмотря на то, что пересаженное сердце девушки было заметно меньше, работало оно исправно.

Научные открытия 20 века
Кристиан Барнард

Луи Вашканский прожил с новым сердцем 18 дней. Смерть наступила в результате развившейся пневмонии на фоне подавления иммунной системы. Иммунитет подавлялся, чтобы избежать отторжения организмом чужеродных тканей. Следующие операции по пересадке сердца прошли успешнее. Филипп Блайберг смог прожить 1,5 года после трансплантации, а Дирк ван Зыл – 24 года. В течение года после первой пересадки человеческого сердца во всем мире было проведено более сотни аналогичных операций.

Определение возраста Земли

В древние времена люди привязывали возраст Земли к возрасту человечества – к примеру, в Древнем Риме точкой отсчета была Троянская война. В 17 веке возраст планеты попробовали вычислить, основываясь на Библии, и получили точную дату: 4004 год до н.э., 26 октября, 18:00.

Затем наступила эпоха определения возраста Земли на основании данных геологических исследований, изучении окаменелостей. Стало очевидно, что история планеты началась значительно раньше истории человечества. После трактата «Теория Земли» шотландского геолога Джеймса Хаттона, опубликованного в 1788 году, ученые стали пытаться определить возраст Земли, основываясь на текущих природных процессах. Разброс полученных результатов составлял от 3 миллионов до 1,6 миллиарда лет.

Научные открытия 20 века
Джеймс Хаттон

В 1896 году был изобретен метод радиометрического датирования. Он базировался на измерениях, какая часть урана в горной породе успела распасться в свинец. В 1913 году, в исследовании геолога Артура Холмса «Возраст Земли», посвященном радиометрическому датированию, была названа цифра 1,6 миллиард лет. Позднее он пересмотрел свою оценку и назвал цифру 4,5 миллиарда лет. Эту оценку, близкую к современной, геологическое сообщество приняло на веру в 1940 году.

Сегодня возраст Земли определяют, исследуя минералы цирконы – они бывают «загрязнены» ураном и никогда не включают в себя свинец при формировании в недрах планеты. Но цирконы моложе Земли, и потому был исследован метеорит из Каньона Диабло, найденный в 1891 году. Урано-свинцовый метод показал, что нашей планете 4,54 миллиарда лет с погрешностью около 70 миллионов в обе стороны. Это не конечный вердикт, изучение возраста Земли продолжается.

Открытие эмбриональных стволовых клеток

С оплодотворенной клетки (зиготы) начинается развитие и существование любого многоклеточного существа. Как стало известно в 1998 году в группе Джеймса Томсона в Университете Висконсина, у зиготы сохраняется «двойник» в сформировавшемся организме – эмбриональная стволовая клетка. Это открытие было названо биологами третьим по значимости в 20 веке – первые две позиции занимают открытие двойной спирали ДНК и расшифровка человеческого генома.

Научные открытия 20 века
Джеймс Томсон

Соматические (неполовые) клетки организма специализированы, выполняют конкретную функцию – клетки крови, костной ткани, нервные клетки и т.д. В отличие от них эмбриональная стволовая клетка не имеет заданной программы и не срабатывает в автоматическом режиме. Эмбриональная стволовая клетка способна принять любую программу, превратиться в специализированную клетку любого типа.

Ценность эмбриональных стволовых клеток в том, что они могут использоваться для лечения ряда тяжелых заболеваний, для восстановления поврежденных тканей и органов.

По этическим соображениям, под давлением религиозных общин во многих странах эксперименты над эмбриональными стволовыми клетками, их клиническое использование существенно ограничены или полностью находятся под запретом. Россия входит в список этих стран.

Наука просто
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку «Отправить комментарий», я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю Политику конфиденциальности