Новейшие молекулярные данные касаются примитивных групп крылатых насекомых. Выяснилось, что термитов надо не выделять в особый отряд, а рассматривать как семейство отряда тараканов. Неважно, что по сложности социальной организации термиты обогнали всех животных, кроме людей. Социальное совершенство термитов – следствие их способности расщеплять целлюлозу, основу древесины. В кишечниках термитов живет сложный эндосимбиотический комплекс. Его основу составляют высокоспециализированные жгутиконосцы (которых долго считали инфузориями, так как под микроскопом кажется, что они покрыты множеством подвижных ресничек, как инфузории). То, что считалось ресничками, оказалось спирохетами – удлиненными бактериями, способными извиваться. Населяющие кишечник термита спирохеты выстраиваются на поверхности жгутиконосца, синхронизируют свои движения и перемещаются вместе с ним, как единое целое. Жгутиконосцы сами по себе не могут расщеплять целлюлозу, но внутри них обитают симбиотические бактерии, овладевшие этой реакцией. Заглатывая маленькие щепочки, жгутиконосцы скармливают их своим внутренним бактериям, а продуктами переработки делятся с обеспечивающими их подвижность спирохетами. Ну а термиты питаются как продуктами активности своего внутреннего зоопарка, так и его питомцами.
Несмотря на все чудеса эндосимбиоза, переваривание целлюлозы для термитов – непростой процесс, в кишечнике одного насекомого ему не пройти. Поэтому одна и та же порция пищи проходит через пищеварительные тракты многих насекомых, поедающих фекалии друг у друга. В конечном счете комочки из продуктов переработки пищи будут использованы для возведения термитников. Эти сооружения, иногда достигающие величественных размеров, обеспечивают защиту и благоприятный климат для совместного расщепления древесины. И теперь получается, что все это делают тараканы?! Представляете, какой победой генной инженерии и прочих биотехнологий стало бы создание прусаков, содержащих в кишечнике симбиогенетический комплекс, способный расщеплять целлюлозу? Такие тараканы поедали бы не только пищевые остатки, но и мебель с книгами.
Сфера приложения данных молекулярной систематики растет. Последняя новость: из остатков мягких тканей тираннозавра, найденных пару лет назад в Монтане, извлекли фрагменты молекул белка (коллагена, основы соединительной ткани). Анализ этих фрагментов пока принес лишь тривиальный результат: тираннозавр состоял в более близком родстве с курицей, чем с лягушками и тритонами. Стоило ли ради этого тревожить останки, ожидавшие своей судьбы 68 миллионов лет? Стоило! Ведь лиха беда – начало. Поймем, в каких породах макромолекулы сохраняются лучше, – научимся их эффективнее искать и толковее анализировать, и со временем узнаем что-то новое. Поживем – увидим…
КАФЕДРА ВАННАХА: Относительность и электрические машины
Автор: Ваннах Михаил
В заметке «И вычисления относительны» («КТ» #682, с. 16) рассказано о влиянии выбора системы отсчета на эффективность вычислений. Но там речь шла о релятивистских системах, вроде пучков элементарных частиц, движения в которых заставляют учитывать эффекты специальной теории относительности (СТО). Но многие ли знают о существовании достаточно широко используемой электрической машины, функционирующей на основе релятивистских эффектов?
Воснове этого устройтва, называющегося униполярным генератором, лежит явление униполярной индукции, суть которого заключается в том, что при движении намагниченного тела под некоторым углом к оси намагничивания происходит его поляризация. В одном месте на поверхности тела собираются положительные заряды, а в другом отрицательные. Приложив к этим точкам проводник, мы получим ток.
Представим себе обычный круглый постоянный магнит, вроде используемого в динамиках. Верхний торец – северный полюс, нижний – южный. Пусть магнит вращается вокруг оси, и к нему присоединены два скользящих контакта – один на оси вращения, другой на боковой поверхности. Ввиду того, что магнит проводящий, преимущественно железный, по цепи потечет ток.
Очень просто! Куда проще, чем в самых первых динамо-машинах. Но за счет чего же образуется ток?
Дело в силе Лоренца. Она действует на свободные электроны внутри проводника, движущегося в магнитном поле, вызывая их перераспределение, то есть поляризацию. И если проводник замкнут, то электрические заряды будут двигаться непрерывно, порождая ток. Это в первом приближении.
Но последовательное описание явления униполярной индукции дается лишь теорией относительности. Рассмотрим, как это делается.
Поставим мысленный эксперимент: пусть мы имеем две системы отсчета. Одна лабораторная (сидим за столом и глядим на вращающийся магнит), другая – связанная с магнитом (собственная система отсчета). Вообразим себя сидящими на магните и вращающимися вместе с ним.
После того, как мы ввели две системы отсчета, и начинается самое интересное. В связанной с магнитом системе отсчета присутствует только постоянное магнитное поле. Магнит в этой системе неподвижен, и на его свободные электроны никакие силы не действуют. В магнитном поле движется только проводник, и Лоренцева сила действует только на его электроны. Именно она и создает электродвижущую силу (ЭДС), вызывающую электрический ток. Запомним это.
Теперь перейдем к лабораторной системе отсчета. Здесь внутри вращающегося магнита существует два поля – и магнитное, и электрическое. Электрическое компенсирует силу Лоренца, и полная сила, воздействующая на электроны, равна нулю. В неподвижном (в лабораторной системе отсчета) внешнем проводнике силы Лоренца нет, зато есть электрическое поле, создающее между полярной осью магнита и боковой поверхностью разность потенциалов, равную электродвижущей силе, о которой мы говорили, рассматривая собственную систему отсчета. Запомним и это!
А теперь зададим себе очень простой вопрос: как все обстоит на самом деле? Какие заряды создают электрическое поле, которое, как Афина из головы Зевса, вдруг является во всеоружии, но из ничего, из перехода от одной системы координат к другой.
Это ведь не квантовый мир с его эффектами Наблюдателя. Это самый что ни на есть макромир. Обыденный, повседневный. И в нем поле, порождающее токи весьма большой величины, берется ниоткуда. Из того, что присутствует в одной системе отсчета и отсутствует в другой.
Ответ на этот вопрос дает релятивистская теория. Дело в относительном характере деления единого электромагнитного поля на поле электрическое и магнитное. Которые зависят от той системы координат, в которой ведется наблюдение. И о чем, несмотря на сданные курсы электродинамики, обычно неосведомлено большинство обладателей инженерных дипломов постсоветских вузов.
Подробно и строго с явлением униполярной индукции можно познакомиться в [ Тамм И. Е., Основы теории электричества. М., 1966…]
Мало кто знает и о существовании самих униполярных генераторов, в промышленном исполнении использующих, конечно, не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. Для съема тока с подвижных частей часто используются устройства на основе жидкого металла.
Униполярные генераторы дают рекордные токи, в экспериментальных образцах до миллионов ампер, как правило, при невысоких напряжениях. Отсутствие пульсаций тока делает их весьма эффективными для питания электролизных установок, дуговых печей…
Узнать о последних достижениях в области униполярных генераторов по открытым зарубежным источникам автору не удалось. Дело в том, что униполярные генераторы весьма хороши для питания перспективных электромагнитных орудий сверхвысокой кинетической энергии (в опытных образцах, традиционно запитываемых от конденсаторных батарей большой мощности). А о роли, которая отводится таким орудиям как в перспективной космической ПРО, так и в системах более обычных вооружений бронетанковых, авиационных, хорошо известно.
Но это частности. Куда интереснее сам факт существования сугубо инженерного устройства, для описания которого необходима СТО.