Помоги проекту - поделись книгой:
Но – никакого Deus ex machina, никакого непознанного закона природы не требуется. Достаточно машин. Невероятно громадных, сложных и дорогих, но – вполне вообразимых. Батарей квантовых генераторов, способных сконцентрировать лучи на зеркале-парусе звездолёта. Который пойдёт тропой Микромегаса.
Кстати, Микромегас принадлежал к расе, имевшей продолжительность жизни за десять миллионов земных лет. Запредельно для высших биологических существ, но ни один закон природы не мешает иметь такую длительность функционирования процесса в вычислительной системе достаточной надёжности и резервирования. Такая продолжительность жизни вполне подобает тому, кто намерен поскитаться по Галактике, и путь к ней – через достижения ИТ.
Дмитрий Шабанов: Фотопериодические реакции
Автор: Дмитрий Шабанов
Мне уже приходилось писать, что меня огорчает недооценка нашей биологической природы. Биологический фундамент, на котором вырастает и наша культура, и наше "я", сплошь и рядом воспринимают как что-то неактивное, незыблемо-надёжное, не влияющее на "надстройку". Люди старательно отгораживаются от наших ближайших родственников терминологическими барьерами, решётками зоопарков и просто стеной иронии...
Я хочу обсудить здесь одну из особенностей нашей биологии, которую невозможно понять без учёта нашей эволюционной истории. Факты, на которые я опираюсь, общеизвестны. Выводы, которые я делаю на их основании, я в литературе не встречал, но никоим образом не претендую на приоритет в их трактовке. Возможно, это пример распространённого, но недостаточно прописанного знания.
Я хочу выяснить, есть ли у человека фотопериодические реакции; для этого нужно обсудить, что такое фотопериодизм. Разграничим понятия. Фотопериодизм - это регуляция годового цикла в зависимости от фотопериода, длины светового дня. От отличается от фотореакций - реакций на уровень освещённости.
Надо сказать, что это понятие часто трактуют неверно. Вот, заглянул в "Википедию". Читаю: "Реакция на длину светового дня регулирует начало брачного периода, линьки, зимней спячки и т.д. Ещё она проявляется в том, что ночью почти все животные спят". Логично? Конечно, нет. В течение суток длина светового дня не меняется, меняется освещённость. Последнее предложение в процитированном фрагменте я убрал. Сколько времени пройдёт до того, как кто-то умный его восстановит?
Фотореакции у человека известны. К примеру, у работников Крайнего Севера во время полярной ночи часто развивается темновая депрессия. Лечат её или гормонами, или просто пребыванием в ярко освещённых помещениях. Поскольку для успеха лечения важно не время пребывания на свету, а уровень освещённости, ясно, что мы имеем дело не с фотопериодизмом. Итак, ночной сон (и вообще любая суточная динамика) - не проявление фотопериодизма.
А почему организмы вообще реагируют на фотопериод? На их жизнь влияют в первую очередь температура, влажность, наличие пищи и других ресурсов. Понятно, что в умеренном климате динамика этих факторов зависит от сезона; это - вторично-периодические факторы. Первично-периодических совсем немного. Это смена времени дня, времени года, фаз луны и чередование приливов-отливов. Первично-периодические факторы задаются движением трёх небесных тел: Земли, Солнца и Луны. Небесные часы не торопятся и не отстают, вот потому-то организмы и ориентируются именно на них.
Рассмотрим для примера жизнь ласки - мелкого и изящного хищного зверька. Летом мех на её спине бурый, зимой - белый. Белую ласку сложнее заметить на снегу. Когда по осени ласка должна начать линять? После того, как выпадет снег? Тогда ей ещё долго предстоит бегать по снегу с бурой спиной. При наступлении осеннего, ещё легкого похолодания, чтоб успеть как раз к снегу? Но год на год не приходится; судя о переменчивом факторе (времени выпадения снега) по другому переменчивому фактору (температуре) неизбежно будешь совершать большие ошибки. Оптимальное решение таково. Каждая популяция ласок подстраивает начало линьки под такую длину светового дня, чтоб закончить её как раз к усреднённому сроку установления снежного покрова в своём местообитании. Ошибка (когда белая ласка бегает по голой земле или бурая - по снегу) неизбежна, и при таком варианте, но суммарно, за многие годы, она окажется минимальной.
Анализируя фотопериодические реакции, приходится различать причины каких-то изменений и запускающие их сигналы. К примеру, причина отлёта многих наших птиц зимой - бескормица (вторично-периодический фактор), а сигнал - уменьшение длины светового дня. Не везде длина светового дня - удобный для регуляции годового цикла фактор. На экваторе день и ночь всегда равны. На полюсах полгода длится полярный день, полгода - полярная ночь. Ясно, что фотопериодические реакции типичны для организмов умеренных широт.
Конечно, есть и другие ограничения. То, когда именно сурок отправится в зимовку, зависит в первую очередь от фотопериодической регуляции. Теплый или холодный осенний день могут повлиять на его выход из норы, но перестройка его организма на зимний лад уже запущена укорочением дня. А вот выход из спячки сурок к длине светового дня привязать не сможет - темно в норе. Приходится ориентироваться по прогреванию почвы. К счастью, земля и прогревается, и остывает медленно, и динамика температур на глубине норы оказывается более закономерной и плавной, чем на поверхности.
Разные популяции одних и тех же видов могут ориентироваться по разным факторам. Под Харьковом зелёные жабы выходят из спячки, когда прогреется земля, а нерест их определяется то ли температурой, то ли длиной светового дня. В Крыму, на засушливом мысе Тарханкут, нерест запускают весенние дожди.
Подводя итог, можно сказать, что сроки событий, происходящих вокруг нас, зависят от двух важнейших факторов - длины светового дня и температурного режима. Иногда к ним добавляется третий - влажность. Например, многие растения зацветают или сбрасывают листья, ориентируясь на длину светового дня, а прорастание их семян запускается влажностью и температурой (да ещё и после действия холодного периода, например). Пока климат стабилен, преимущество имеют те виды, которые регулируют свой цикл по длине светового дня. А когда климат меняется? Фотопериодическая регуляция оказывается невыгодной из-за десинхронизации процессов, регулируемых разными факторами.
Мухоловка-пеструшка - обычный европейский вид насекомоядных птиц. Зимуют они недалеко от экватора, примерно на десятом градусе северной широты. Хоть изменение длины дня там и невелико, именно оно запускает реакцию возвращения с зимовки на места размножения. Эта реакция подогнана так, чтобы, когда птицы долетят до мест размножения, построят гнёзда, отложат яйца и выведут птенцов, как раз наступил пик численности листоядных насекомых.
Следствием нынешних климатических перестроек стало более раннее наступление весны. В Западной Европе за полвека весна сдвинулась на более ранний срок на целых две недели! Численность гусениц зависит от температурной динамики, и пик их численности тоже сдвинулся вперёд, на то время, к которому птенцы мухоловки-пеструшки и множества других птиц просто не успевают вывестись. Результат - сокращение численности видов, сделавших ставку на астрономические часы. Ситуация не безнадёжна. Отбор постепенно сдвигает популяционную норму в пользу ранневылетающих особей. Если изменения климата не будут слишком быстрыми, а сокращающие численность виды не будут страдать от других несчастий, ситуация со временем исправится. Успеют современные виды перестроиться или вымрут, покажет будущее.
Настало время обратится к вынесенному в заголовок вопросу. Фотореакции у человека есть, а есть ли фотопериодические?
Наш годовой цикл размыт и регулируется в основном вторично-периодическими факторами. Кстати, по происхождению вид наш - африканский, и формировался недалеко от экватора, где фотопериодические реакции распространены меньше. Впрочем, большинство людей (кроме коренных африканцев) имеют примесь генов коренного европейского вида - неандертальцев. Для неандертальцев фотопериодические реакции могли быть более полезны.
Так или иначе, фотопериодические реакции у нас есть. И выражаются они в возрастании уровня половых гормонов в ответ на увеличение длины светового дня. Вам знакома расхожая мысль, что весной чаще влюбляются? Вот-вот. Влюблённость - сложный процесс, но уровень половых гормонов создает необходимую для него мотивацию.
В последнее время на постсоветском пространстве пропагандируют "день Святого Валентина". В пересаживании этого заморского праздника на местную почву заинтересованы торговцы некрасивыми красными и розовыми предметами в форме попок сердечек. Год за годом в феврале журналисты пичкают обывателей рассказами о событиях, "в память" о которых надо бежать за покупками. Эти россказни никак не связаны ни с причинами этой "традиции", ни со сроком её отмечания. С причинами понятно, а вот срок - случаен он или нет? Весьма закономерен. Длина дня начинает увеличиваться после 22 декабря, но вначале прибавка очень невелика. Заметной она становится к середине февраля. Вот к скачку концентрации половых гормонов в крови и привязывает усилия сувенирный бизнес...
У множества видов, живущих рядом с нами, наблюдаются похожие реакции. Та же ласка спаривается в марте, а через полтора месяца уже приносит детёнышей. Апрель-май - хорошее, кормное время...
А когда родятся человеческие дети, зачатые в феврале? В ноябре, под голодуху и холода (не у нас, нынешних, но у наших совсем недавних предков). А критические периоды эмбрионального развития придутся у них на весенний авитаминоз. Что-то не стыкуется...
Но наше отличие от ласки и подавляющего большинства других зверей не только в этом. Размножение человека - внесезонное, и беременность может наступить в любое время года. Во время становления нашего вида изменился даже сам характер женского репродуктивного цикла. Наверное, наибольшее отличие физиологии человека от физиологии других обезьян состоит в менструальном, а не эстральном цикле (я об этом уже упоминал). Овуляция при менструальном цикле скрыта. Сексуальная жизнь (и связанные с нею семейные отношения) у человека растянуты на весь год, а не привязаны к короткому периоду эструса (течки).
Так в чём же смысл фотопериодически регулируемого весеннего пика гормонов? Вероятнее всего, смысла в нём уже не осталось (хотя когда-то он был). Это физиологический рудимент - признак, сохранившийся от прежних этапов нашей эволюции. От каких?
Африканских? Не факт, и не только из-за нашего околоэкваториального происхождения. Отбор при становлении людей был направлен на формирование менструального цикла в условиях внесезонного размножения, ведь при сезонном размножении переходить на менструальный цикл бессмысленно. Вероятно, фотопериодизм человека - наследие ещё более давних времён. Наверное, мы получили его от наших далёких азиатских предков, некрупных обезьян с недолгим сроком беременности. Откуда они могли знать, что их предки заселят Африку, увеличатся в размерах, перейдут, после многих эволюционных экспериментов, к новым семейным отношениям и новому репродуктивному циклу, увеличат срок беременности, расселятся из Африки по всему миру...
Отбор против сложившихся на предыдущем эволюционном этапе фотопериодических реакций идёт не только у певчих птиц. Он шёл и у наших предков, и он уже почти загладил старый способ регуляции размножения, отточенный нашими далёкими предками.
Можем ли мы понять сами себя, не задумываясь о своей предыстории? Не смешите...
Delay Line Memory: ртутная память UNIVAC I
Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru
Ни для кого не секрет, что изобретения порой "выстреливают" вовсе не в той области, которую им уготовил изобретатель. Почти все, наверняка, слышали историю о плитке шоколада, расплавившейся в кармане американского инженера Перси Спенсера во время его работы с магнетроном, находившимся в радарной установке противоракетного комплекса производства компании Raytheon. Будь Спенсер чуть более задумчив, событие это, кроме раздражения его супруги, вынужденной отстирывать пиджак, никак не повлияло бы на судьбу человечества. Но инженер был весьма наблюдателен. Итогом стала СВЧ-печь - прибор, без которого немыслимо ни одно будничное утро Хомо Работикуса, то есть трудового народа.
Устройство, о котором рассказывается ниже, тоже появилось благодаря радарной установке. И так же, как в случае с магнетроном, его идея возникла благодаря любознательности изобретателя и его желанию превратить идею в реальность.
Речь идёт об удивительной разновидности оперативной памяти компьютеров, в основе которой лежит эффект, к компьютерной области никакого отношения не имеющий. Эта разновидность "оперативки" имела недолгий век, однако успела "засветиться" в таких раритетах, как первый коммерчески успешный компьютер UNIVAC I и один из первых электронных программируемых калькуляторов компании Monroe.
Официально этот вид ОЗУ именуют "памятью на линиях задержки" (delay line memory), но благодаря применяемому в ней рабочему веществу её чаще всего называют mercury memory - ртутной памятью.
1942 год. Разгар Второй мировой войны. Военная авиация противоборствующих сторон, нанося сокрушительные бомбовые удары и дерзкие налёты истребителей, успешно доказывает, что именно она является царицей войны.
Чтобы успешно бороться с налётами, учёные всех участвующих в войне стран упорно трудятся над совершенствованием "воздушного эхолота" - радара. Его простой, но чрезвычайно эффективный принцип работы, основанный на измерении времени задержки радиоимпульса, отражаемого объектами, на которые он был направлен, имеет один существенный недостаток. В том случае, когда объект движется, время задержки отражённого от него импульса в каждый момент времени будет разным, и на экране радара визуально видно направление его перемещения. Но на своем пути радарный радиоимпульс отражается от массы неподвижных объектов - крон деревьев, заводских труб, радиомачт. Время задержки радиоимпульса от неподвижного предмета всякий раз одинаково. А это означает, что предмет на экране радара становится "бельмом на глазу" - его постоянное присутствие мешает разглядеть перемещение движущихся объектов. Особенно плохо дело обстоит, если радар сканирует пространство, наполненное неподвижными вещами. Их светящиеся фантомы заполоняют экран и делают поиск целей бессмысленным занятием.
До появления линий задержки экраны радаров были переполнены шумами от неподвижных объектов
Оригинальное решение этой проблемы было найдено довольно быстро. Отражённый радиоимпульс разделялся на два сигнала, один из которых попадал на экран, а другой в так называемую линию задержки (delay line) - устройство, замедляющее его распространение на время очередного цикла сканирования. На выходе линии задержки сигнал инвертируется и подается на экран вместе с сигналом нового цикла. Поскольку время задержки отражённого от неподвижного объекта сигнала совпадает со временем сигнала, побывавшего в линии задержки, то два эти противоположных по фазе импульса взаимно гасят друг друга. Неподвижный объект исчезает с экрана.
Элегантно? Конечно. Но одно дело придумать идею, а другое - воплотить её в реальном устройстве. Инженеры всего мира бились над поиском материалов и способов реализации delay line. Принципиальное решение было найдено быстро: преобразовать электрический импульс в акустическую волну. Скорость распространения звука значительно ниже скорости потока электронов, а значит, правильно настроенная акустическая волна задержит радарный импульс на требуемое время. На выходе линии задержки звук вновь преобразовывают в электрический сигнал, который и подают на инвертор. И если со способом всё было понятно, то с материалами для его реализации возникли трудности. Чего только не перепробовали инженеры. В ход шли пьезокристаллы, стекло с металлизированным напылением, хитро переплетённые стальные сердечники и сплавы различных металлов.
Несмотря на массу усилий, полученные линии задержки были далеки от совершенства. До того момента, пока свой вариант не предложил Джон Экерт Младший. Направленный после окончания знаменитой школы инженеров-электронщиков Мура в физическую лабораторию Университета Пенсильвании, Экерт вплотную занялся радарными проблемами, и в частности линиями задержки. Эксперименты Экерта не прошли даром. Ему удалось найти вещество, удельное акустическое сопротивление которого совпадало с сопротивлением кварцевых пьезокристаллов - генератора и детектора звуковых волн на концах линии задержки. Этим веществом оказалась ртуть.
Будучи помещённой в стальную трубку, на концах которой расположены пьезокристаллы, ртуть работала переносчиком акустической волны от кристалла-генератора к кристаллу-детектору. Подобрав трубку нужной длины и диаметра, вмещающей требуемое количество ртути, можно было создать линию задержки, работающую с беспрецедентной точностью. Свое изобретение Экерт запатентовал. Дивиденды от этого патента позволили Экерту чуть позже начать собственный бизнес его мечты.
Мечтой инженера Экерта были компьютеры. В сороковые годы прошлого столетия успешные реализации цифровых ЭВМ можно было пересчитать по пальцам. Z3 - детище Конрада Цузе, британский "колосс" Mark 1 да узкоспециализированный компьютер ABC (Atanasoff-Berry Computer). Архитектуру этих машин и других попыток компьютеростроения Экерт знал наизусть. И горел желанием разработать собственный компьютер. Этой идеей Экерт заразил пришедшего учиться в Университет Пенсильвании Джона Мочли.
Экерт и Мочли
Тем более что задача, для которой требовался компьютер, была весьма актуальна: военному ведомству США нужна была машина для автоматизации расчётов таблиц стрельбы. В 1943 году Экерт и Мочли предлагают министерству обороны архитектуру компьютера ENIAC. Особенностью этой вычислительной машины было использование десятичной системы исчисления. Реализован ENIAC был в Лаборатории баллистических испытаний. Позже, в 1946 году, к тандему Экерта и Мочли присоединяется Джон фон Нейман, именем которого чуть позже назовут архитектуру компьютеров с хранимыми в памяти программами и данными - основу практически всех современных ЭВМ. Их совместным детищем стал компьютер EDVAC, разработка которого также финансировалась военными.
Накопив бесценный опыт создания компьютеров на благо обороноспособности Родины, Экерт и Мочли решают начать пожинать плоды трудов своих на полях частного бизнеса. Основанная ими в 1946 году Electronic Control Company чуть позже переименовывается в фирму имени себя любимых - Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC). Напористый Экерт успешно находит первого крупного клиента - Бюро переписи населения США. Он убеждает работающих по старинке переписчиков в острой необходимости автоматизации их работы (на носу перепись 1950 года) и получает заказ на EDVAC II. Переманив много талантливых инженеров из школы Мура, Экерт и Мочли берутся за дело.
Сотрудники EMCC в 1949 году
Результатом их работы становится UNIVAC I, который в 1951 году и приобрело Бюро переписи. В UNIVAC Экерт развивает идеи фон Неймана о хранимой в памяти программе. В качестве долговременного запоминающего устройства в UNIVAC I используются бобины со стальной лентой. А вот для организации оперативной памяти изобретательный Экерт применяет свою давешнюю разработку - ртутную линию задержки. Как же устройство из радара попало в компьютер?
UNIVAC I представлял собой целый комплекс оборудования, занимающий отдельный этаж здания. Саркофаг слева - контейнер для хранения памяти на ртутных линиях задержки
Стоит отметить, что идея использования ртутной линии задержки, изобретённой Экертом в качестве оперативной памяти, принадлежала вовсе не ему. Впервые такой подход применили в 1949 году разработчики британского компьютера EDSAC. Вдохновленный идеей машины фон Неймана, заложенной в экертовский EDVAC, Морис Вилкес из математической лаборатории Кембриджского Университета вместе с командой единомышленников создает Electronic Delay Storage Automatic Calculator, в самом названии которого (Delay Storage) сквозит идея физической организации устройства хранения. Компьютер EDSAC во многих смыслах был экспериментальным. И именно в нём была впервые реализована идея превращения ртутной линии задержки в оперативную память.
Идея эта брала начало из простого вопроса: что, если в линии задержки выходной сигнал снова завернуть на вход? Электрические импульсы, соответствующие двоичной единице, превращённые в акустические волны, распространяемые по ртути, будут бесконечно циркулировать внутри линии задержки. Таким образом, она превращается в ячейку памяти. Только вот хранится в такой ячейке не один бит, а сразу несколько. Ведь пьезоэлемент на входе линии задержки может создать сразу несколько акустических волн, двигающихся друг за другом к детектору.
Для считывания конкретного бита из линии задержки Экерт предложил использовать тактовый генератор - метроном, синхронизированный с частотой распространения акустических волн. Электрический сигнал, полученный из определённой акустической волны, в нужный такт параллельно с движением на вход линии задержки считывался и усиливался, попадая в регистр арифметико-логического устройства.
Общая память компьютера состояла из множества линий задержки, объединённых в регистры. И память эта была воистину оперативной. Без подачи электричества на пьезокристаллы и выходной усилитель акустические волны внутри ртутной трубки затухали.
Идея памяти на ртутных линиях задержки, апробированная в британском EDSAC, была тщательно доработана Экертом в его коммерческом UNIVAC I.
Суммарно память компьютера Экерта состояла из тысячи слов, которые непрерывно циркулировали в ста ртутных линиях задержки, каждая из которых поддерживала хранение десяти слов.
Всего же в UNIVAC I было реализовано сто двадцать шесть ртутных линий задержки, объединённых в семь контейнеров по восемнадцать ртутных трубок в каждом. Сто из этих трубок были оперативной памятью UNIVAC. Двенадцать использовались для промежуточного хранения данных ввода-вывода. Ещё шесть были резервными.
Семь специально выделенных линий задержки использовались в качестве регистров схемы термостатов, подключённых к семи контейнерам со ртутными трубками.
Последняя сто двадцать шестая ртутная трубка использовалась в качестве регистра Y для организации косвенной адресации.
Семь контейнеров модуля памяти UNIVAC I содержали сто двадцать шесть ртутных линий задержки
Разрабатывая коммерческий вариант памяти на ртутных линиях задержки, Экерт столкнулся с массой проблем. Наиболее важными из них были задачи: точного позиционирования входных и выходных пьезокристаллов для исключения отражения акустических волн от стенок трубки, приводящих к интерференции, и поддержания постоянной и достаточно высокой (около сорока градусов Цельсия) температуры ртути. Именно при этой температуре акустическое сопротивление ртути было "созвучно" сопротивлению пьезокристаллов. Как результат контейнер с ртутными трубками представлял собой сложное инженерное устройство с массой винтов для калибровки положения ртутных трубок, расширительным бачком для излишков ртути и термостатом, автоматически управляющим её температурой.
Контейнер с ртутными линиями задержки
Тот же контейнер с теплоизолирующим корпусом, готовый к установке в "дом памяти" UNIVAC
Разработчик небезызвестной "машины" Алан Тьюринг, узнав о конструкции памяти на ртутных линиях задержки, в шутку предложил заменить в ней ртуть джином. По крайней мере, с этой жидкостью головная боль разработчиков памяти стала бы более приятной.
Техник, занятый калибровкой ртутных трубок в контейнерах памяти UNIVAC
Семь контейнеров акустической памяти UNIVAC размещались внутри его внушительного корпуса, чем-то напоминающего нынешние малометражные квартиры. Из-за излучаемого ими тепла находиться внутри долго было невозможно. Не спасали даже вмонтированные в пол кондиционеры.
Контейнер памяти чем-то напоминает противолодочную мину
"Дом памяти" UNIVAC изнутри
Между тем после точной калибровки ртутных трубок память UNIVAC I работала без сбоев. Доказательством тому служит успешный подсчёт переписи населения 1950 года и точный прогноз выборов президента США в 1952 году.
Применение линий задержки на основе ртутных трубок в качестве оперативной памяти имело одно существенное ограничение. Габариты. Ёмкость каждого регистра-трубки напрямую зависела от её длины. Да и ртуть, используемая в качестве носителя акустических волн, являлась не самым удобным в эксплуатации компонентом. Скажем прямо, работать с нею было вредно.
Поделиться книгой: