Глава 7
Республика наук
Исследования и изобретения в науке и медицине
Фото: Thomas Jefferson University College of Graduate Studies, Philadelphia, Pennsylvania
Соединенные Штаты возникли в Эпоху Просвещения (между 1680 и 1800 гг.) - период, когда писатели и мыслители решительно отказались признавать превосходство прошлого. Основную ценность они придавали силе разума и беспристрастному исследованию, особенно исследованию процессов, управляющих природным миром. Философы-просветители прозревали «республику наук», где будет осуществляться свободный обмен идеями, а знания будут обращены на благо всех граждан.
С момента своего образования в качестве независимого национального государства США поощряли науки и изобретательство. Это осуществлялось благодаря обеспечению свободной циркуляции идей, поддержке процесса накопления «полезных знаний» и приглашению творческих людей из всех стран мира.
Сама Конституция США отражает стремление к поощрению научного творчества. Она наделяет Конгресс полномочиями «содействовать развитию науки и полезных ремесел, закрепляя на определенный срок за авторами и изобретателями исключительные права на их сочинения и открытия». Это положение Конституции легло в основу американского Патентного законодательства и законодательства по авторскому праву, гарантирующих, что изобретения или иные авторские произведения не могут тиражироваться и использоваться без получения авторами соответствующей компенсации.
ХОРОШИЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ НАУКИ
В первые десятилетия своей истории США были изолированы от Европы и, к тому же, бедны. Несмотря на это, страна стала благоприятным местом для развития наук. Американская наука была тесно связана с нуждами людей и свободна от предубеждений, свойственных европейцам.
Двое из отцов-основателей Американского государства были учеными с весьма солидной репутацией. Бенджамин Франклин провел серию экспериментов, внесших значительный вклад в представления людей о природе электричества. Так, он доказал, что молния является одной из форм электрического разряда: до него об этом подозревали, но не имели тому подтверждений. Франклин является также автором таких изобретений, как бифокальные очки и обогреватель, носящий его имя. (Обогреватель Франклина встраивается в камин и обеспечивает подачу тепла в соседнее помещение.)
Томас Джефферсон изучал сельское хозяйство, и благодаря его усилиям в Новом Свете появились различные сорта риса, оливковых деревьев и трав. Он подчеркнул важность научных аспектов, стоявших перед экспедицией Льюиса и Кларка (1804-1806 гг.), исследовавшей Северо-Запад страны и побережье Тихого океана, и поставил перед исследователями в качестве одной из официальных задач сбор подробной систематизированной информации о растительном и животном мире этого региона.
Подобно Франклину и Джефферсону, большинство американских ученых конца XVIII века были вовлечены в борьбу за независимость Америки и формирование новой нации. В числе этих ученых были и астроном Давид Риттенхаус, медик Бенджамин Раш, естествоиспытатель Чарльз Уилсон Пил.
Во время Американской революции Риттенхаус помог в организации обороны Филадельфии и создал телескопы и навигационные инструменты для военных подразделений США. После войны Риттенхаус разработал систему дорог и орошения в штате Пенсильвания. Позже он вернулся к изучению звезд и планет и добился на этом поприще международного признания.
Бенджамин Раш спас бессчетное число солдатских жизней во время революции в качестве главного армейского хирурга, внедряя в армии гигиену и институты охраны здоровья. Благодаря введению новых методов лечения, он превратил Пенсильванский госпиталь в Филадельфии в образцовое медицинское учреждение Эпохи Просвещения. После окончания военной службы Раш основал бесплатную клинику - первую в США.
Чарльз Уилсон Пил в первую очередь известен как художник, однако он также был естествоиспытателем, изобретателем, просветителем и политиком. Он создал первый крупный музей на территории Соединенных Штатов - Музей Пила в Филадельфии, давший приют единственной коллекции, посвященной миру природы Северной Америки, которой располагала тогда молодая нация. Пил вел палеонтологические раскопки около Вест-Пойнта (Нью-Йорк), в ходе которых были обнаружены кости древнего мастодонта; три месяца он провел за реконструкцией скелета, выставленного затем в его музее. Музей Пила лежит у истоков американской традиции придавать научным знаниям интерес и доступность глазам широкой публики.
Энтузиазм американских политических лидеров по отношению к знаниям также способствовал теплому приему в США ученых из других стран. Одним из первых именитых эмигрантов был английский химик Джозеф Пристли, вынужденный оставить родину из-за своих политических взглядов. Пристли, приехавший в США в 1794 г., был первым среди тысяч талантливых ученых, эмигрировавших в поисках свободного, творческого окружения. Среди тех, кто приехал в США уже в нашем столетии, были немецкий физик Альберт Эйнштейн, переселившийся сюда в 1933 г., Энрико Ферми, в 1938 г. покинувший Италию и осуществивший первую в мире контролируемую цепную ядерную реакцию. Уехавший в 1919 г. из России Владимир К. Зворыкин изобрел телекамеру.
Ряд ученых приезжали в США, чтобы принять участие в стремительном развитии новой нации. Александр Грэм Белл, в 1872 г. приехавший через Канаду из Шотландии, разработал и запатентовал телефон и ряд связанных с ним изобретений. Чарльз П. Штайнмец, приехавший в 1889 г. из Германии, разработал в компании «Дженерал электрик» системы выработки и подачи переменного тока. Позже ученые приезжали в Америку, привлеченные исследовательскими возможностями, которые давала Америка - государство искусств. Вплоть до первых десятилетий XX века ученые, работающие в США, могли рассчитывать на значительное материальное и интеллектуальное вознаграждение.
АМЕРИКАНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
На протяжении XIX пека Великобритания, Франция и Германия являлись передовым краем формирования новых идей в естествознании и математике. Однако если США отставали от них в развитии теорий, тем не менее в Америке преуспели в том, что касалось их практического применения: в прикладных науках. Традиция эта была порождена необходимостью. В силу того что США находились вдали от источников западной науки и производства, они часто были вынуждены искать свои способы производить те или иные вещи. Результатом соединения теоретических знаний с «изобретательностью янки» стал мощный поток важных изобретений. Среди великих американских изобретателей отметим Роберта Фултона (пароход), Сэмюэля Ф.Б. Морзе (телеграф), Эли Уитни (хлопкоочистительная машина), Сайруса Маккормака (жатка) и Томаса Алву Эдисона - наиболее плодовитого из них: с его именем связано более тысячи изобретений.
Порой Эдисон был не первый, придумавший то или иное практическое приложение научных открытий, но часто он был первым из тех, кто доводил идею до практической реализации. Так, например, английский инженер Джозеф Свон создал электрическую лампу накаливания в 1860 г., почти на двадцать лет раньше Эдисона. Но лампа Эдисона была лучше. Электрические лампы Эдисона служили дольше, и их можно было включать и выключать по отдельности, тогда как лампы Свона можно было использовать только в системе, где они выключались и включались одновременно. Вслед за усовершенствованием лампы накаливания Эдисон изобрел систему электрогенератора. За 30 лет его изобретения принесли электрический свет в миллионы домов.
Другой вехой на пути технических нововведений, когда научные идеи получили практическое воплощение, стало изобретение братьев Уилбура и Оливера Райт. В 1890 г. они узнали об экспериментах, связанных с планирующимся полетом, производившихся в Германии, и увлеклись идеей воздухоплавания, начав собственные разработки, связанные с принципами полета. Соединив научные знания и технические навыки, братья Райт построили несколько летательных аппаратов. Затем 17 декабря 1903 г. они осуществили успешный запуск летательного аппарата тяжелее воздуха, приводимого в движение механическим винтом.
Еще одно американское изобретение, едва замеченное в момент своего появления в 1947 г., открыло новую эру в распределении информации. В тот год Джон Бардин, Уильям Б. Шокли и Уолтер Бреттейн, работавшие в Лаборатории Белл, опираясь на весьма сложные положения теоретической физики, изобрели транзистор - небольшое устройство, способное заменить массивные радиолампы. Транзистор и изобретенные десять лет спустя интегральные микросхемы позволили спрятать сложную электронную начинку в небольшой корпус. В результате сегодняшние компьютеры размером с книгу превосходят по своим параметрам компьютеры 60-х, занимавшие целые помещения, что привело к настоящей революции в образе жизни людей, повлияв на их работу, учебу, ведение бизнеса, проведение научных исследований.
Во второй половине XX века американские ученые известны уже отнюдь не только благодаря практическим разработкам. В одночасье они получили признание за их вклад в «чистую науку», за разработку теорий и концепций. Изменение приоритетов научных исследований можно проследить по списку Нобелевских лауреатов по физике и химии. В первой половине столетия, с 1901 по 1950 гг., американские ученые среди лауреатов премии составляли меньшинство. После 1950 г. американцы получают примерно половину Нобелевских премий, присуждаемых за научные достижения.
АТОМНАЯ ЭРА
Одно из самых впечатляющих и противоречивых достижений американской технологии - подчинение человеку ядерной энергии. Концепции, позволившие расщепить атом, разрабатывались учеными многих стран, но переход от идей к практическому осуществлению ядерной реакции был достигнут американскими учеными в начале 40-х гг.
После того как немецким физикам в 1938 г. удалось расщепить ядро урана, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми и Лео Сцилард пришли к выводу, что цепная ядерная реакция в принципе осуществима. В письме к Президенту Франклину Рузвельту Эйнштейн выражал обеспокоенность тем, что этот научный прорыв позволяет создать «необычайно мощную бомбу». Его озабоченность вызвала к жизни Манхэттенский проект, призванный обеспечить первенство Америки в создании атомной бомбы. Благодаря проекту была создана первая атомная бомба, взорванная в Нью-Мексико 16 июля 1945 г.
Создание бомбы и ее сброс на Японию в августе 1945 г. положили начало Атомной эре, времени страха перед оружием массового поражения, существовавшего в течение всего периода холодной войны и пошедшего на спад лишь сегодня, когда предпринимаются попытки положить конец разрастанию арсеналов оружия. Но вместе с тем Атомная эра характеризуется и мирным использованием сил атома в энергетике и медицине.
Первая коммерческая атомная электростанция была пущена в Иллинойсе в 1956 г. В то время перспективы развития атомной энергетики в США выглядели самым радужным образом. Однако оппоненты указывали, что АЭС потенциально опасны и задавались вопросом: возможно ли безопасное захоронение ядерных отходов? Авария, произошедшая в 1979 г. на АЭС «Три майл айлэнд» в Пенсильвании, вызвала у многих американцев неприязнь к атомной энергии. Стоимость строительства АЭС росла, и более экономичные источники энергии стали выглядеть куда привлекательнее. В 70-е и 80-е произошел отказ от строительства ряда ранее планировавшихся электростанций, и сегодня будущее атомной энергетики в США остается под вопросом.
Тем временем американские ученые экспериментировали с иными источниками энергии, интерес к которым возобновился. Среди них - и энергия Солнца. И хотя получение энергии от солнечных электрогенераторов экономически невыгодно в большинстве районов США, два последних изобретения могут изменить ситуацию к лучшему.
В 1994 г. Сабхенду Гуха, вице-президент «Юнайтед солар системз» (Троя, штат Мичиган), читал лекцию о выгодах получения солнечной энергии и демонстрировал фотографию солнечных батарей, установленных на крыше дома. Присутствующий в зале архитектор заметил: «Но у них же ужасный вид. Кто захочет устанавливать такое на своем доме?» Это замечание заставило Гуха задуматься о том, как сделать преобразователи солнечной энергии чем-то вроде черепицы, а не монтировать солнечные батареи на рамах, повернутых к небу.
Через два года изобретение Гуха пошло в промышленное производство. Это были солнечные панели, которые можно крепить непосредственно на крыши, как дранку. Панели сделаны из листовой нержавеющей стали, покрытой девятью слоями кремния, полупроводниковой пленкой и защитным пластиком. Кровельщики закрывают крышу этими панелями как, обычной дранкой, с той разницей, что в крыше предварительно необходимо просверлить отверстия, через которые к панелям будут подводиться провода. В среднем достаточно закрыть треть площади крыши такими панелями, чтобы получать электричество в количестве, достаточном для удовлетворения всех энергопотребностей дома после заката солнца. Гуха полагает, что его панели экономически оправдают себя в некоторых районах США, еще лучшие перспективы открываются для них в Японии, где цены на энергию высоки, а правительство предоставляет субсидии пользователям солнечной энергии.
С 1996 г. используется еще одно изобретение, связанное с солнечной энергией: электростанция «Солнце-два», пущенная в эксплуатацию в пустыне Мохаве в Калифорнии, производит электричество, обеспечивая им 10000 домов. На площади 38 гектаров расположено около 2000 зеркал, направляющих солнечный свет на 90-метровую «силовую башню», где нагревается перенасыщенный солевой раствор, поступающий затем к парогенератору, который приводит в движение турбину. Такой раствор хранит тепловую энергию лучше, чем вода, и энтузиасты «Солнца-два» полагают, что новая технология позволит сделать большие коммерческие электростанции рентабельными в тех районах, где много солнца и значительное потребление электроэнергии.
КОСМИЧЕСКАЯ ЭРА
Космическая эра началась почти одновременно с Атомной эрой. Американец Роберт Г. Годдард был одним из первых ученых, экспериментирующих с системами ракетной тяги. В своей небольшой лаборатории в Вустере, Массачусетс, Годдард работал с жидким кислородом и керосином, используемыми как топливо при запуске ракеты в атмосферу. В 1926 г. он успешно запустил первую в мире ракету на жидком топливе, поднявшуюся на высоту 12,5 м. В течение последовавших за этим 10 лет Годдард добился того, что его ракеты достигали умеренной высоты - 2 км, а интерес к ракетостроению значительно возрос как в США, так и в Великобритании, Германии и СССР.
Ракеты сделали возможным запуск искусственных спутников и пилотируемых человеком космических аппаратов. В 1957 г. Советский Союз запустил первый «Спутник», в 1958 г. за ним последовали США, отправившие в космос «Эксплорер-I». Полет человека в космос состоялся весной 1961 г. Первым в космосе побывал советский космонавт Юрий Гагарин, а вслед за ним - американец Алан Б. Шепард-младший.
От этих пробных шагов в космосе до высадки на Луну в 1969 г. и сегодняшних кораблей многоразового использования американская космическая программа - своего рода зеркало развития прикладных наук - прошла значительный путь. Спутники связи передают компьютерные данные, через них осуществляются телефонные разговоры, ведется теле- и радиовещание. Спутники прогноза погоды поставляют нам данные, необходимые для заблаговременного оповещения о жестоких бурях. Космические технологии породили тысячи видов продукции, используемых в повседневной жизни: от сверхлегких материалов, применяющихся в производстве кроссовок, до систем искусственного дыхания для больниц.
МЕДИЦИНА И ОХРАНА ЗДОРОВЬЯ
Так же как в области физики и химии, так и в медицине, и психологии большая часть Нобелевских премий после Второй мировой войны была получена американцами. Национальный институт здоровья (НИЗ), являющийся основным центром биохимических исследований в США, сыграл ключевую роль в этом процессе. Состоящий из 24 автономных институтов НИЗ занимает 75 зданий, раскинувшихся на 120 гектарах в городе Бетесда, штат Мэриленд. В 1997 г. его бюджет составлял 13 миллиардов долларов.
Цель ведущихся в институте исследований -получение знаний о профилактике, обнаружении, диагностике и лечении заболеваний и расстройств -от редчайших генетических нарушений до банальной простуды. Гранты, выделяемые НИЗ, поддерживают изыскания около 35 000 ведущих исследователей, работающих в каждом американском штате и ряде зарубежных стран. Среди тех, кто получал эти гранты, - 91 лауреат Нобелевской премии по медицине. Пять нобелевских лауреатов сделали свои открытия в лабораториях НИЗ.
Исследования НИЗ способствуют формированию многих достижений медицины. Так, например, смерть от порока сердца - «убийцы номер один» в США - в период с 1971 г. по 1991 г. упала на 41 процент. За то же время уровень смертности от паралича снизился на 59 процентов. Между 1991 и 1995 гг. уровень смертности от рака упал почти на 3 процента - первое стойкое снижение этого показателя со времен введения общенациональной статистики в 30-х гг. Сегодня удается вылечить более 70 процентов детей с диагнозом рак.
Благодаря НИЗ молекулярная генетика и исследования генома человека произвели революционный переворот в биомедицине. В 80-х и 90-х гг. ученые предприняли первые попытки коррекции генетических нарушений в человеческом организме. В настоящее время возможно локализовать, идентифицировать и описать функцию многих генов в геноме человека. Ученые предполагают, что эти новые знания позволят ввести генетические тесты, выявляющие предрасположенность к заболеваниям, поражающим толстую кишку, органы дыхания, и к другим видам рака, и проложат путь превентивному медикаментозному лечению тех членов семьи, для кого эти болезни представляют угрозу.
Наверное, наиболее впечатляющим из научных исследований, ведущихся в США, является проект генома человека, осуществляемый под эгидой НИЗ. Речь идет о попытке создания генетической карты человека, когда устанавливается химическая композиция каждого из 50-100 тысяч генов, отвечающих за формирование человеческого тела. Ожидается, что осуществление проекта займет 15 лет и обойдется по меньшей мере в 3 миллиарда долларов.
Исследования, осуществляемые в университетах, больницах и под эгидой корпораций, также вносят свой вклад в развитие диагностики и лечения заболеваний. Так, например, НИЗ финансирует основные исследования, связанные с синдромом приобретенного иммунного дефицита (СПИД), однако многие из медикаментозных препаратов, применяемых при его лечении, были созданы в лабораториях американских фармацевтических фирм; эти препараты проходят испытания в исследовательских центрах по всей стране.
Один из типов препаратов, обещающих серьезный терапевтический эффект при лечении вируса СПИДа - ингибиторы протеазы. После нескольких лет лабораторных исследований в США ингибиторы протеазы в 1994 г. впервые были даны пациентам. Одно из первых клинических испытаний (на группе из 20 добровольцев) показало не только то, что данный препарат снижает содержание вирусов в крови до почти полного их исчезновения, но и то, что иммунная система восстанавливается значительно быстрее, чем можно было предположить.
Врачи совмещают лечение ингибиторами протеазы с назначением других препаратов, проводя «комбинированную терапию». Хотя результаты такого лечения дают повод для оптимизма, комбинированная терапия - не панацея, ибо она оказывает воздействие только на кровь; она не затрагивает иных органов тела: мозга, лимфатических узлов, спинномозговой жидкости и мужских семенников, где также таятся вирусы. Ученые продолжают эксперименты с комбинированной терапией и иными способами лечения СПИДа, пока не будет найдено окончательное решение - вакцина против этого заболевания.
АКЦЕНТ НА ПРОФИЛАКТИКЕ ЗАБОЛЕВАНИЙ
В то время как американские медики добиваются успехов в диагностике и лечении заболеваний, население страны, в свою очередь, все больше осознает, что здоровье каждого определяется образом жизни. С тех пор, как Департамент здравоохранения США с 1964 г. предупреждает американцев об опасности курения, количество курильщиков, составлявшее ранее 50 процентов населения, упало до 25 процентов. Сегодня запрещено курение в большинстве общественных зданий, так же как в трамваях, автобусах, на авиарейсах внутреннего сообщения, а большая часть ресторанов отводит для курящих и некурящих разные залы. Исследования показали, что число заболеваний раком легких в масштабах страны существенно снизилось вместе с отказом от курения.
Федеральное правительство также поощряет занятия американцев спортом и здоровое питание, подразумевающее потребление фруктов и овощей в больших количествах. Сегодня более 40 процентов американцев регулярно делают зарядку или занимаются спортом. Потребление фруктов и овощей на душу населения по сравнению с 1970 г. возросло на 20 процентов.
Донна И. Шалала, секретарь по вопросам здравоохранения и гуманитарной помощи в администрации Президента Клинтона, часто выступает с заявлениями в поддержку научных исследований и профилактической медицины. Обращаясь к конгрессу медиков и специалистов по охране здоровья, состоявшемся в 1996 г., она отметила: «Мы должны продолжать изучение тайн природы, уводящее нас все дальше по пути познания, - этим занята фундаментальная наука, и со временем такие усилия оборачиваются открытиями, изменяющими всю нашу жизнь. Но наш поиск не должен сводиться лишь к этому. Он должен охватывать и такие сферы, как поведенческие исследования, исследования, связанные с профзаболеваниями, вторичными осложнениями, охрану здоровья, так же как исследования экологических факторов, - все они способны внести вклад в профилактику заболеваний и помочь американцам вести еще более здоровую жизнь».