Методы шифрования: наука секретов

С кодами работают не только шпионы и тайные агенты, но и многие ученые

Все, что для этого требуется, – заинтересованность в нахождении повторяющихся фрагментов, скрытой информации и необычных решений.

Ученые расшифровывали информацию о мире в течение многих столетий. Мы представим вам два активно изучаемых мира кодов, и с каждым из них работают своим, уникальным способом.

Послания с помощью микробов

Химик Университета Тафтса Дэвид Уолт всегда искал новые способы применения химии для решения биологических проблем. Он изобрел умные датчики, которые могут определять, что включает или выключает в организме определенный ген. Также он изобрел инструменты, способные обнаруживать в клетках отдельные белки, которые слишком малы для обычных микроскопов.

Химик Университета Тафтса Дэвид Уолт (слева) и кандидат в научные сотрудники Мэел Манесс проверяют сообщение, закодированное колониями светящихся бактерий E.coli. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Недавно Уолт занялся другой проблемой. Вместо того чтобы пытаться расшифровать внутреннюю работу клеток, он использовал сами клетки для кодировки посланий.

Это исследование в будущем поможет американской армии, поскольку она ищет новые способы передачи секретных сообщений. Уолт и его коллеги обсудили новую идею – использовать ярко светящихся бактерий для зашифровки секретных данных.

Но обыкновенные микробы не могут светиться. Для решения этой проблемы команда Уолта использовала ген, который ученые обнаружили в 1990-е. Этот ген, присутствующий в медузе под названием Aequorea Victoria, позволяет ей светиться зелено-синим светом.

Затем ученые внедрили этот ген в семь различных штаммов бактерии E.coli. Ученые заставили каждый штамм бактерий светиться под люминесцентной лампой одним из семи цветов, например, красным, голубым или зеленым.

Эта чашка Петри содержит различные типы и цвета бактерий E.coli, которые используются для кодировки сообщений. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Но чтобы закодировать все 26 букв английского алфавита, а также числа от 0 до 9 и различные символы, включая «?», «!» и «@», семи цветов было мало. Поэтому ученые присвоили каждому символу различные двухцветные комбинации: например, две желтых точки рядом означали букву «T».

Чтобы написать тестовые сообщения, буква за буквой, группа Уолта поместила небольшое количество своих бактерий на специальную бумагу. Чтобы расшифровать сообщение, сначала надо опустить бумагу в блюдо с агаром (студенистое вещество, в котором легко растут бактерии). Как только бактерии умножатся в количестве, люминесцентная лампа делает видимыми двухцветные комбинации, закодированные микробами. И, наконец, шифр или ключ помогает понять значение сообщения.

Требуется несколько дней, чтобы бактериальные сообщения Уолта стали видимыми, так как бактерии должны сначала достаточно размножиться, чтобы их флуоресцентное свечение можно было увидеть.

Сообщение получено? Светящиеся бактерии передают с помощью кода следующее секретное сообщение: «Это – биозакодированное сообщение из лаборатории @ Университет Тафтса 2010». Фото с сайта sciencenewsforkids.org

«Ди» – это опасность

Биология или саксофон? Крис Темплетон не мог выбрать, что же изучать в колледже, и поэтому стал заниматься и тем, и тем.

Случайная прогулка по парку убедила Темплетона, что он сделал правильный выбор. Во время этой прогулки он услышал выразительные звуки черношапочной синицы-гаички. Чем дольше Темплетон слушал, тем яснее он понимал, что птица каждый раз издавала разные звуки.

Крис Темплетон аккуратно держит синицу-гаичку, пойманную в паутинную сеть, которая видна на заднем плане. Фото с сайта sciencenewsforkids.org

Студент начал изучать песни различных птиц. Когда птицы меняют свои звуки, означает ли это изменение смысла каждого сообщения?

Он начал всестороннее изучение использования животными звуков для общения. Он сосредоточился на предупредительных сигналах синицы-гаички.

Когда кошка, ласка или другой хищник угрожают синице-гаичке, эта небольшая птица издает характерный звук – что-то типа «чик-а-ди-ди-ди».

Иногда птицы меняли свои «песни». Ученый захотел узнать, почему. Он решил показать стае синиц-гаичек несколько опасных животных. Первым животным было чучело маленького сокола кречета, который охотится на синиц-гаичек. Маленькие птицы сначала проявили беспокойство, а затем собрались вместе и набросились на хищника.

Две недели спустя Темплетон показал поддельного сокола той же самой стае синиц-гаичек. На сей раз птицы остались спокойными и тихими. Они знали, что чучело кречета не представляет для них угрозы.

Затем Темплетон позаимствовал несколько живых хищных птиц в организации по спасению птиц. Один за другим биолог разместил привязанных хищников так, чтобы синицы могли их видеть. Даже несмотря на то, что каждая птица была ограничена в передвижении, их присутствие все равно взволновало синиц-гаичек. То же самое произошло, когда Темплетон показал им других хищников, включая лис.

Когда Темплетон чередовал хищников, он понял, что синицы-гаички меняли свои сигналы тревоги. Он начал записывать эти сигналы. Затем он использовал компьютер для анализа их голосовых ответов. И взломал их код.

Компьютер превратил каждый зов в сонограмму – визуальное волнообразное представление записанных звуков. Сонограммы отображали звуки и колебания, слишком тонкие даже для ушей Темплетона. Изменения, казалось, отражали степень опасности, которой подвергалась каждая птица.

Синицы-гаички используют репертуар из приблизительно 14 различных звуковых сигналов. Каждый из них содержит большую информацию. Птицы выбирают особый сигнал в зависимости от того, что они хотят сообщить.

Для земных хищников синицы-гаички используют свой сигнал «чик-а-ди-ди-ди». Он привлекает внимание соседних синиц-гаичек, чтобы они могли собраться и «напасть на хищника – выгнать его из своей области и сделать так, чтобы он не смог напасть на них позже», объясняет Темплетон. Чем опаснее хищник, тем больше «ди» добавляют в конце своей «песни» эти маленькие птицы. Если хищник летит сверху, то синицы-гаички издают пронзительный, высокий крик. Этот вопль заставляет других синиц спрятаться или замереть на месте. Интересно также, что другие птицы также обращают внимание на этот сигнал.

Теперь Темплетон начал изучать тропических корольков, которые поют в парах. Он хочет выяснить, как эти птицы согласуют свои дуэты. В конце концов, он может даже расшифровать их сообщения.