«Все формулы мира». Астрофизик Сергей Попов объясняет в новой книге, зачем на самом деле нужна математика
«Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы»
Deus ex machina: как компьютеры ищут Бога
Инфляция космических масштабов
Пыль кометных дорог
Главы | Поиск внеземного разума
В курсе дела: эволюция
Исправленная редакция
Российский генетик хочет изменить ДНК ребенка. Будущее или скандал?
Как еда влияет на культуру и наше настроение? Интервью с наркологом и биохимиком Яковом Маршаком
Илон Маск показал имплантат для связи мозга с компьютером. Насколько далеко он зашел?
Не голова, а компьютер
Мозг в колбе и киборг с сердцем: что известные ученые думают об искусственном интеллекте
Квантовый компьютер: ускользающая машина будущего
«Ни один из вдохов не похож на другой»: как мозг регулирует работу легких
«Вообще ЧУМА! История болезней от лихорадки до Паркинсона»
Что такое «Шнобелевская» премия?
Кому и за что дают Игнобелевскую премию?
В России не осталось дурных ученых
---------------------
«Все формулы мира». Астрофизик Сергей Попов объясняет в новой книге, зачем на самом деле нужна математика
Meduza
15 сентября 2019
В октябре в издательстве «Альпина нон-фикшн» выходит книга Сергея Попова «Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы». Самый известный российский астрофизик и популяризатор науки в своей третьей книге берет на себя нелегкую задачу показать то, чего в популярных книжках широкий читатель так боится - собственно красоту математических формул. Парадоксальным образом автор при этом прекрасно обходится без своих главных героев - по крайней мере во всей основной части текста. Выводы законов расширения Вселенной, расчет горизонта событий черных дыр и формулы, по которым распределяются в космосе экзопланеты, появляются только в приложениях. Однако для тех, кто по-настоящему интересуется астрофизикой, именно эта часть (наряду с многочисленными ссылками) станет главным содержанием книги. «Медуза» публикует фрагмент из главы о мультивселенных.
В становлении математики важным моментом было появление уравнений и методов их решения «в общем виде». Решая детскую задачу про путника, вышедшего из пункта А в пункт Б и двигавшегося с постоянной скоростью, важно понять, что время рассчитывается как расстояние, деленное на скорость. Тогда мы можем подставлять любые разумные значения и будем получать верные ответы. Иногда уравнения дают нефизичные результаты. Например, квадратное уравнение может иметь отрицательные корни. Если задача была про «сколько яблок», то ответ «минус два» может ничему не соответствовать в нашем привычном мире. Однако это не означает, что ответ вообще бессмысленный (скажем, «минус два электрона» может означать две «дырки» в полупроводнике или в другой ситуации - два позитрона). Корни также могут быть мнимыми, но и мнимым числам нашлось применение в физике. Тем не менее возможны ситуации, когда анализ физической теории приводит к множеству возможных ответов, из которых в наблюдаемом мире, как говорят наблюдения, присутствует только один. А что с остальными вариантами?
Самый простой подход - вообще не задаваться таким вопросом. В самом деле, теорию построили? Уравнения решили? Получили ответы, один из которых соответствует данным эксперимента? Чего ж еще желать? Желаем понять, почему так происходит.
Один из вариантов ответа - слабый антропный принцип. Мы живем в мире, где реализовался именно такой набор параметров, потому что другие варианты исключают появление наблюдателей вроде нас. Кое-кого этот ответ устраивает. Но многим этого мало. Во-первых, каков механизм реализации конкретного варианта, какими законами природы это описывается? Во-вторых, можно ли было получить иную реализацию, не исключающую присутствия наблюдателя (допустим, у нас есть такое решение)? В-третьих, а что с другими решениями, есть ли какие-то другие миры, где они реализованы? И как узнать об их существовании?
Сделаем лирическое отступление. Давайте подумаем, что можно было бы поменять в «Гамлете», сохранив не только самую общую идею, но и ход развития сюжета и основные детали антуража. Без проблем можно было бы сделать практически кого угодно из персонажей на год старше или младше. Наверное, можно было бы перенести действие в другую европейскую страну (скажем, в какой-нибудь итальянский город). Не возникло бы затруднений с вливанием яда не в ухо, а в уху. Но что, если мы рассмотрим более радикальные перемены?
Скажем, если вместо принца взять принцессу, то мы столкнемся с ограничениями, диктуемыми укладом эпохи. Принцесса не могла бы поехать в другую страну в университет. Таким образом, Розенкранц и Гильденстерн превращаются в подруг, с которыми, скажем, главная героиня провела вместе время в монастыре в качестве воспитанницы. Офелия, разумеется, должна стать юношей. С этим вроде бы особых проблем нет, а вот финал теперь не может включать дуэль. Кроме того, принцесса вряд ли смогла бы сильно подружиться с бродячей труппой - пришлось бы как-то иначе вводить в действие актеров. В общем, со сменой главного героя произведение меняется очень сильно.
С другой стороны, мы могли бы перенести действие пьесы в наши дни, и все было бы в порядке. И с университетом, и с поединком, и с артистами. Иначе говоря, мы можем разыграть весь сюжет с героиней вместо героя, но не в эпоху Шекспира, а в наше время (но не в любой стране - остались еще островки Средневековья и в современном мире, кроме того, в некоторых случаях семью монархов пришлось бы заменить, скажем, на семью магнатов). Иначе говоря, даже воображаемые события не во всех «воображаемых мирах» возможны. Теперь вернемся к физике и математике.
Математика сама по себе, а также математика в физике (физические модели и теории) описывает не только наш мир, но и «возможные миры». Физик-теоретик чаще всего занят работой с моделями (гипотезами, идеями), которые не реализованы в нашем мире. Так происходит, потому что нельзя всегда сразу выбрать верный путь из множества потенциально возможных и, что важно, не противоречащих базовым закономерностям и законам. При этом может быть построена вполне устойчивая модель, и лишь эксперименты или наблюдения покажут, что она не реализована в природе. Примерно такая ситуация возникает в романе «Отягощенные злом, или Сорок лет спустя» братьев Стругацких. Там астрофизик заключает договор с дьяволом, чтобы тот подправил физические константы таким образом, чтобы именно теория этого ученого описывала некоторые реальные процессы.
Наш реальный мир подправлять уже, видимо, поздно. Но не может ли быть так, что теория не работает только в нашей вселенной, а в каких-то других - вполне? Точного ответа мы не знаем, но есть основания полагать, что такое возможно. Это приводит нас к концепции мультиверса, или мультивселенных.
Обсуждается несколько сценариев существования мультивселенных, связанных с разными физическими подходами. Макс Тегмарк в своем обзоре описывает четыре основных варианта. Во-первых, это причинно не связанные области внутри очень большой (или даже бесконечной) единой вселенной. Например, уже в стандартной инфляционной модели наша большая вселенная (наш «пузырек») имеет гигантский объем. Наблюдаемая часть вселенной, ее еще называют Метагалактикой, является ничтожной частью этого пузыря, раздувшегося на стадии инфляции. Мы можем определить наши горизонт частиц и горизонт событий. Первый из них соответствует современному расстоянию до самого далекого объекта, который мы сейчас хотя бы теоретически могли бы увидеть. А второй - расстоянию, отделяющему нас сейчас от самого далекого объекта, до которого сможет дойти посылаемый нами сигнал. Внутри каждой такой метагалактики, находящейся в огромном объеме, возникшем в ходе инфляции, действуют одни и те же физические законы, а вот начальные условия были различными (можно сказать, «бог по-разному бросил кости»). Но из-за огромного количества галактик, звезд, планет в каждой из мириад метагалактик возможны и очень похожие комбинации параметров. Это необязательно означает, что где-то есть ваша точная копия (если бы мы говорили о бесконечном объеме, то означало бы), тем не менее вполне вероятно, что где-то есть очень похожая на Землю планета, на которой происходят в целом сходные события.
Во-вторых, инфляционная космологическая модель дает нам еще один тип мультивселенных. Кроме нашего крайне раздувшегося «пузырька», должно быть бесчисленное количество других. Вот это уже настоящие другие миры (там бог играет не только в кости, но и где-то в шахматы, а где-то - в лапту). Согласно, например, теории струн, в них могут реализовываться разные физические законы. Современная физика не видит способа путешествовать между такими мирами (вероятнее всего, таких путей и нет). Тем не менее мы можем пытаться строить физические модели для них, основываясь на наших знаниях.
В-третьих, мультивселенные возникают в так называемой эвереттовской интерпретации квантовой механики. В данной модели каждый раз, когда, например, электрон в известном опыте проходит через одну или другую щель, реализуются оба варианта, но лишь один из них - в нашей вселенной. Такую интерпретацию квантовой механики называют многомировой, потому что можно сказать, что в результате мы оказались в мире, где электрон прошел через правую щель. При этом существует и мир, где он прошел через левую. В разных мирах действуют одинаковые законы, и в них одинаковые наборы фундаментальных констант. Просто «мы с разных сторон смотрим на кубики, брошенные богом».
Среди трех перечисленных вариантов первый - самый банальный, последний - самый спорный. Наконец, четвертый из числа обсуждаемых Тегмарком сценариев еще более необычен. Здесь речь идет уже о «другой математике». Его мы отложим до следующей главы.
Из всей троицы вариантов лишь второй соответствует вселенным с разными физическими законами. На настоящий момент наиболее весомую аргументацию для него предоставляет теория струн. Особенностью современных версий этого сценария является великое множество вариантов так называемого ложного вакуума. Именно вакуум конкретной реализации теории определяет базовые свойства мира. Математика, на которой базируется теория струн (многообразия Калаби - Яу), предсказывает гигантское количество возможностей, доходящее до 10 в степени 500. Это невообразимо большое число, если сравнивать хоть с чем-то соразмерным нашему миру. Скажем, если объем видимой части вселенной выразить в планковских единицах, то мы получим «всего лишь» число порядка 10 в степени 186, а количество частиц обычного вещества (протонов, нейтронов, электронов) в ней составляет около 10 в 81-й степени. Таким образом, теория струн (являющаяся пока лишь одной из нескольких конкурирующих моделей) предсказывает гигантское количество возможных вселенных с разными свойствами.
Какие-то из множества мультимиров струнной космологии будут отличаться от нашего не сильно, какие-то - радикально. В каких-то возможна жизнь земного типа, в каких-то она может существовать, лишь будучи принципиально отличной от известной нам, а какие-то вовсе необитаемы. В моделях вечной инфляции все эти варианты могут реализоваться. И если окажется, что теория струн является правильной моделью в нашей вселенной, а кроме того, теория космологической инфляции получит окончательные наблюдательные подтверждения, у нас будут сильные аргументы в пользу существования фантастически большого числа других вселенных, которые мы сможем изучать, скорее всего, лишь теоретически, т. е. лишь решая уравнения и строя компьютерные модели. Наши эксперименты и астрономические наблюдения могут позволить проверить предсказания теории струн и инфляционной модели в пределах метагалактики. Допустим, что и та и другая гипотезы пройдут эту проверку. Таким образом, мы установим, что они верно описывают свойства нашего мира. Из правильности этих двух теорий автоматически должно следовать существование определенного типа мультивселенных. Математика будет говорить нам об этом. Однако прямые эксперименты или наблюдения других миров могут оказаться невозможными. Значит, мы окажемся в довольно интересном положении: у нас появится уверенность, основанная на теоретических выводах, но не будет возможности провести решающие тесты. Зато деятельность по построению теоретических описаний других вселенных станет более осмысленной и оправданной.
Итак, работа физика-теоретика нередко связана с исследованием гипотетических возможностей, согласующихся в первую очередь с математическими правилами. Чаще всего обсуждаются вероятные свойства нашего мира. Хотя в некоторых случаях речь идет о том, как в принципе могут быть устроены разные вселенные. Возникает образ нашей Метагалактики, являющейся крохотной частью гигантской (не исключено, что и бесконечной) структуры возможных миров. Теоретические физические модели иногда выглядят как «одежда для несуществующих существ» в кодексе Серафини. Это одежда, сделанная если не из той же ткани, то по крайней мере из тех же нитей, что и наша. А можем ли мы представить себе другие нити?
--------------------
«Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы»
«N + 1»
02 Окт. 2019 / Математика, Книжная полка
Математический анализ помогает совершать естественно-научные открытия. С математическими расчетами сопряжено создание любой сложной конструкции. Весь наш мир вполне успешно можно описать с помощью математических методов. Как перестать бояться формул и полюбить математику? Почему она так эффективна в естественных науках? На эти и другие вопросы в книге «Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы» (издательство Альпина нон-фикшн) пробует ответить астрофизик и популяризатор науки Сергей Попов. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, рассказывающим о том, что такое антропный принцип, в чем разница между его слабой и сильной разновидностями, а также почему для науки важно создавать модели, не имеющие отношения к наблюдаемой реальности.
Сергей Попов «Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы»
---Снежинки теорий
Снежинки являются символом уникальности. Любопытно, что это разнообразие форм существует, невзирая на строгие законы, связанные со свойствами молекул воды. Более 400 лет назад Иоганн Кеплер написал небольшой трактат «О шестиугольных снежинках». Наука того времени не располагала возможностью достаточно полно объяснить правила, определяющие вид этих объектов. Однако многие считают, что именно эта работа лежит в основе современной кристаллографии, поскольку в ней впервые на достаточно хорошем уровне была сделана попытка объяснить свойства кристаллов, используя не только качественные рассуждения, но и математику. Кеплер, разумеется, ничего не знал о молекулах воды, поэтому было бы удивительно, если бы он смог найти полностью правильный ответ на вопрос о форме снежинок. Тем не менее в его книге изложено много любопытных идей, причем не только о кристаллах. Это очень интересный (и доступный, практически научно-популярный) пример того, как логика и математика помогали работать с гипотезами о свойствах природных явлений на заре возникновения современной физики.
Представим цивилизацию, обитающую на планете, где в естественных условиях снежинки не образуются, к тому же пусть вообще жизнь на этой планете основана не на воде. Межпланетная станция исследовала холодный спутник близкой планеты и прислала фотографию снежинки. Теперь ученые в лаборатории пытаются воспроизвести ее форму. Поняв, что снежинка состоит из молекул воды, они довольно быстро научатся делать самые разнообразные снежинки, которые будут похожи на оригинал, но не будут в точности его воспроизводить. Ученые установят, что существуют различные типы снежинок, возникающие при разных комбинациях параметров (влажность, температура и т. д.), но воссоздать их точную форму можно будет только путем манипулирования с отдельными молекулами, а не воспроизводя естественные условия: слишком много вариантов. Важно, что исследователи поймут, почему снежинки шестиугольные (и не бывает пяти- или семиугольных). Может быть, им удастся установить, что снежинки из других видов льда (неводяного) будут иметь другую симметрию, но опять-таки не всё возможно. И вероятно, в течение долгого времени нерешенным останется вопрос о деталях происхождения воды на этом небесном теле.
Такая ситуация похожа на то, как физики-теоретики пытаются понять мир. Физическая реальность - некая уникальная реализация множества физических параметров, но она подчинена каким-то единым физическим законам, которые в полной мере нам пока неизвестны. Однако мы знаем уже довольно много. Это позволяет строить все более реалистичные модели. Некоторые из них ухватывают глобальные черты «снежинки», а некоторые пытаются точно воспроизвести отдельные «лучики».
Здесь хочется сделать один важный комментарий. Занимаясь конструированием «снежинок», не совпадающих с оригиналом, ученый не работает впустую. Хотя он и не изучает непосредственно исходную «снежинку» (реальный мир), но он исследует снег, воду, взаимодействие молекул. Иными словами, даже создавая модели, явно не имеющие отношения к наблюдаемой реальности, теоретик может заниматься важной, осмысленной деятельностью, связанной с изучением физики (и, возможно, математики). Таким образом, потенциальные возможности физики в некотором смысле превосходят конкретную реализацию в виде нашей наблюдаемой части вселенной.
В фильме «В ожидании волн и частиц» Сергей Троицкий, физик-теоретик из Института ядерных исследований в Москве, высказывает интересную мысль: «Теоретик должен заниматься тем, что не существует, но что могло бы существовать. То, что существует, экспериментаторы и так откроют». Разумеется, это высказывание отчасти шуточное. Но лишь отчасти! Изучение нереализованных в природе возможностей (проводимое в соответствии с довольно строгими правилами и ограничениями, о которых мы говорили выше) - важная составляющая исследовательской работы.
Почему же мы наблюдаем некоторую реализацию из ряда возможностей? Почему именно эту? С одной стороны, мы можем надеяться найти прямой и детальный ответ на этот вопрос. Правда, сделать это будет нелегко, так как почти наверняка для достоверности результата нам придется научиться исследовать другие варианты не только теоретически, но и экспериментально (или убедительно доказать, что наша наблюдаемая вселенная - единственная). Но часть вариантов мы можем отбросить, используя довольно оригинальный подход, наиболее четко впервые сформулированный Брендоном Картером вначале в препринте, опубликованном в 1967 г., а затем в докладе на симпозиуме Международного астрономического союза в 1973 г., проходившем в Польше и посвященном 500-летию со дня рождения Коперника. На основании этих идей Картером была написана классическая статья, опубликованная в 1974 г. в журнале Classical and Quantum Gravity. Именно на симпозиуме в Кракове им был предложен и прижившийся термин «антропный принцип».
В самой простой формулировке принцип звучит так: мы наблюдаем такой мир, потому что в других (сильно отличающихся) мирах нет наблюдателей, подобных нам. Разумеется, в той или иной степени подобные мысли возникали задолго до рубежа 60-х и 70-х гг. XX века у разных людей. Но эти идеи не выстраивались в некую целостную концепцию, которую можно развивать и пытаться приложить к объяснению реальных данных. Развитие происходит на стыке физики и философии, что накладывает свой отпечаток. На сегодняшний день существует несколько вариантов формулировки антропного принципа.
В первую очередь важно разделение на так называемые слабый и сильный антропные принципы. Приведенная выше формулировка в большей степени относится к слабому. Его идея до некоторой степени даже банальна. В самом деле, мы знаем довольно много, для того чтобы утверждать, что не при всех комбинациях физических параметров может существовать жизнь в высокоразвитой форме (а для появления разумного наблюдателя это необходимо; исключим из рассмотрения так называемый больцмановский мозг). Жизнь вряд ли появится в мирах с двумя или четырьмя пространственными измерениями (здесь речь о макроскопических, т. е. некомпактифицированных*, измерениях. Таким образом, пространство может быть и 10-, и 11-мерным, но дополнительные измерения «свернуты» и в макромире не проявляются непосредственно: например, орбитальное движение планет или даже движение электронов в атоме происходят в трехмерии).
(*Во многих современных теориях (в том числе в теории струн) существуют дополнительные пространственные измерения, однако их роль начинает проявляться лишь на очень малых масштабах, поскольку глобальная топология пространства такова, что дополнительные измерения оказываются «свернутыми» или, как говорят, «компактифицированными». Популярное изложение этих идей можно найти, например, в книге Лизы Рэндалл «Закрученные пассажи: проникая в тайны скрытых размерностей пространства» (М.: Либроком, 2011).)
Если жизнь в гипотетическом мире основана на наборе частиц, похожем на наш (протоны, нейтроны, электроны), то возникает ряд ограничений на их свойства, например на соотношения масс. Есть и более тонкие «настройки». Известен пример с энергией одного из уровней возбуждения ядра атома углерода, предсказанный Фредом Хойлом. Если бы энергии частиц в так называемой тройной альфа-реакции (синтез ядра углерода из трех альфа-частиц, т. е. ядер гелия*) не были особым образом согласованы, то термоядерный синтез в звездах практически не приводил бы к образованию углерода. А без него не могла бы существовать наша форма жизни. Оттолкнувшись от факта ее существования, Хойл предсказал наличие такого согласования параметров. Таким образом, если мы представим себе мир, где массы протонов и нейтронов чуть-чуть отличаются от наших, то там такого совпадения не будет, а значит, там нет и большого количества углерода, т. е. отсутствует жизнь, подобная земной. Отметим, что в нашей вселенной углерод занимает четвертое место по распространенности, а в первую тройку, напомним, кроме гелия, входят водород и кислород, составляющие вместе воду. Иначе говоря, углерод и вода - основа нашей жизни - чрезвычайно распространены.
(*Тройная альфа-реакция происходит в ядрах достаточно массивных звезд после исчерпания водорода в качестве термоядерного горючего в их недрах. Наше Солнце примерно через 5-6 млрд лет (после своего превращения в красный гигант) перейдет на стадию горения гелия в ядре. Столкновение сразу трех частиц крайне маловероятно, поэтому для эффективного протекания реакции нужно согласование параметров ядер гелия, бериллия и углерода. Бериллий образуется на промежуточной стадии в результате слияния двух альфа-частиц. За счет того что вступающие в реакцию ядра бериллия и гелия имеют энергию, крайне близкую к энергии возбужденного ядра углерода, вероятность всей реакции резко повышается.)
История с возбужденным уровнем ядра углерода считается примером успешного применения антропного принципа: исходя из факта нашего существования, удалось предсказать реальные свойства физических объектов. Правда, это не только наиболее яркий пример, но и практически единственный*. Тем не менее и этого достаточно, чтобы более серьезно отнестись к идее, на первый взгляд кажущейся слишком банальной или слишком философской.
(*Другой интересный пример можно найти в статье Эндрю Гулда. Речь идет о свойствах ядра трития в сравнении с гелием-3.)
Итак, слабый антропный принцип говорит нам, что сам факт нашего существования требует отбросить такие варианты устройства вселенной, при реализации которых нас бы не было. Заметим, что это не дает никакого ответа на вопрос о том, «почему же все-таки так получилось». Поэтому многие ученые не считают антропный принцип частью науки. Иными словами, все равно важно искать ответы на вопросы, почему измерений именно три, почему массы частиц именно такие и т. д. Ведь в физике мы всегда стремимся добраться до сути, понять механизмы явлений.
Сильный антропный принцип выглядит несколько более странно и является куда как более спорным утверждением. Одна из формулировок гласит: «Свойства вселенной должны быть таковы, чтобы в ней могла появиться разумная жизнь». Звучит вполне как тезис какой-нибудь религии. Для многих так оно и есть. Существуют и более наукообразные формулировки, например связанные с некоторыми вариантами интерпретации квантовой механики: «Наблюдатели необходимы, чтобы вселенная реально существовала». В таком подходе в отсутствие наблюдателя «нет реальности» (дерево в лесу падает беззвучно, если этого никто не слышит). Наконец, еще один вариант связан с возможностью существования мультивселенных. В этой формулировке под словом «Вселенная» понимается вся совокупность миров: «Рано или поздно во Вселенной появляется разумный наблюдатель». Если верен сильный принцип, то автоматически верен и слабый.
Аргументы в пользу сильного антропного принципа очень косвенные и часто скорее «философские», даже если они связаны с интерпретацией квантовой механики. Зато такой подход потенциально претендует на объяснение исключительности набора физических параметров в нашей вселенной. И слабый, и сильный варианты призваны помочь понять, почему наша «снежинка» именно такая. Однако сами по себе эти подходы похожи не на снежинки, а скорее на капли воды.
Понимание того, что наш мир в принципе мог бы быть другим (пусть в нем не было бы нас самих), дает простор фантазии. Причем фантазировать можно, рассматривая все уровни: газообразный, жидкий и твердый. Иначе говоря, можно сделать конструирование миров предметом искусства, философских рассуждений или даже рассмотрений в рамках теоретической физики. Ведь если мы не могли бы появиться и/или жить в какой-то вселенной, это еще не значит, что мы не можем ее полностью описать с помощью формул.
Мы можем наслаждаться созданием «снежинки» - теории и ее конкретной формой - как творением человеческого разума, вдохновленного реальными вопросами устройства мира. С определенной точки зрения это «игра в бисер», но важно помнить, что методы и задачи теоретической физики не являются отвлеченными от актуальных вопросов науки, включая и прикладные. Скорее уж это похоже на проектирование фантастических городов, которые никогда не будут построены, но архитектура и инфраструктура которых просчитываются достаточно детально.
В последние десятилетия появились научные аргументы в пользу осмысленности такого подхода, а также возможность подвести основу под антропный принцип. В частности, некоторые из них связаны с теорией струн и так называемым струнным ландшафтом, о которых мы поговорим в следующей главе.
--------------------
Deus ex machina: как компьютеры ищут Бога
Журнал «Нож»
Михаил Петров
7 мая 2018 / Популярное
Средневековые философы-схоласты доказывали существование Бога путем логических рассуждений. С тех пор прошло много лет, наука и религия, кажется, навсегда разошлись в разные стороны. Ученым доказательства Ансельма Кентерберийского или Блаженного Августина теперь кажутся наивными и некорректными, а священникам — неуместными. Но сегодня вычислительная теология, новая дисциплина на границе математики и теоретической физики, пытается помирить разум и веру. Физик Михаил Петров рассказывает, как компьютер проверяет доказательства существования Бога и вычисляет другие Вселенные.
Теорема о четырех красках
В 1852 году Фрэнсис Гатри, молодой английский математик, увлекся, казалось бы, детской забавой. Вооружившись карандашами, он разукрашивает карту графств Британии так, чтобы на ней не оказалось граничащих областей одного цвета. После многих попыток математик понимает, что для этого всегда хватает четырех красок, и даже обобщает свой вывод, утверждая, что данное правило применимо ко всем возможным картам.
Гатри пытается найти доказательство, но безуспешно. Вскоре он рассылает письмо со своей догадкой знакомым математикам и отплывает в Южную Африку. Там он становится адвокатом, увлекается ботаникой, а потом снова возвращается к математике. Фрэнсис Гатри умирает в 1899 году, навсегда увековечив свое имя лишь в названии описанного им вида вереска Erica guthriei. Теорема о четырех красках будет доказана только спустя сто с лишним лет.
Нельзя сказать, что все эти годы математики бездействовали: появлялось много ошибочных и неполных доказательств или успешных работ для разных частных случаев. Так, в 1890 году лектор Дурхэмского университета Перси Джон Хивуд доказал, что для подходящего оформления любой карты всегда хватит пяти красок. А уже в XX веке было доказано, что достаточно и четырех, но только для карт с 25, 26, 35 или даже 39 областями.
Компьютерные доказательства в математике
Полное непротиворечивое доказательство появилось только в 90-х годах прошлого века. Американские математики Аппель и Хаккен на нескольких сотнях страниц свели всю задачу к перебору тысячи конфигураций: если получится разукрасить эти карты четырьмя красками, то это автоматически означает верность теоремы для всех возможных карт.
Нудный перебор этих частных случаев отдали на откуп компьютеру, который успешно справился со своей миссией. Так задача о четырех красках стала одним из самых ярких примеров успешного доказательства-на-чипе.
Компьютерные доказательства уже не редкость в современной математике. Ведь что такое доказательство? Из ограниченного и непротиворечивого набора утверждений нужно, руководствуясь установленными правилами логики, получить утверждение конечное. Пройти путь, например, от аксиом Евклидовой геометрии («От всякой точки до всякой точки можно провести прямую» и т. д.) до теоремы Пифагора («В прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов»).
Справиться с такой формальной задачей вполне может и компьютер. Правда, сделает он это по-своему, бездумно: из начальных положений и логических правил машина просто будет постепенно фабриковать все не противоречащие им утверждения. И если исследователю повезет, среди прочего корректного, но бесполезного мусора она в конце выдаст теорему Пифагора еще до того, как его правнуки переселятся на Марс.
Ансельм Кентерберийский и компьютер
Ансельм Кентерберийский, средневековый философ и богослов XI–XII веков, за свою жизнь сформулировал множество доказательств существования Бога. Два утверждения, от которых отталкивается одно из них, упрощенно можно сформулировать так:
1. Бог — это самое совершенное из всех явлений.
2. Идея Бога заложена в нашем сознании.
Но, говорит Ансельм Кентерберийский, идея и одновременное физическое существование гораздо более совершенно, чем просто идея. А значит, Бог как самое совершенное существо реален, а не только обитает в нашем разуме.
Позднее многие критиковали это доказательство, что для обычного человека совсем не удивительно: существование Творца здесь, получается, выводится из самой идеи о Нем. Впрочем, компьютер, как показала работа Поля Оппенгеймера и Эдварда Залта из Стэнфорда, в этой логической цепочке противоречий и изъянов не увидел.
Для проверки положений Ансельма Кентерберийского исследователи использовали систему автоматического доказательства теорем Prover9. В качестве своеобразных аксиом они загрузили в систему два исходных утверждения средневекового философа. После вычислений компьютер выдал свой вердикт: все корректно.
Доказательство Ансельма работает. Более того, система смогла упростить и сделать более прозрачными формулировки исходных аксиом. Вот что пишут об этом сами исследователи: «Онтологическое доказательство Ансельма было подвергнуто критике сразу после своего появления. Но мы считаем, что такой фокус на поиске недостатков может препятствовать прогрессу в представлении этого доказательства в более элегантной форме. Мы надеемся показать, что вычислительная техника может дать новый взгляд на доказательство Ансельма и раскрыть присущую его логике красоту».
Вычисляющая Вселенная
«Для человека с молотком все похоже на гвоздь, для человека с компьютером — на вычисление», — заявил в своем выступлении на TEDx немецкий ученый Юрген Шмидхубер и показал маленький листочек с записанными на нем законами физики, по которым вычисляется наша Вселенная.
Шмидхубер тоже занимается вычислительной теологией, только делает это немного по-другому.
В 1967 году немецкий инженер Конрад Цузе впервые сформулировал гипотезу, согласно которой наша Вселенная есть лишь гигантское вычисление, запущенное кем-то неизвестным со времен Большого взрыва. Идея пришлась по вкусу многим ученым. Так, Сет Ллойд, американский физик из Массачусетского технологического института, недавно даже выпустил книгу «Вычисляющая Вселенная». В ней весь наш мир представляется гигантским квантовым компьютером, ведущим свои вычисления по фундаментальным законам физики — своеобразным аналогам правил логики, по которым тот же Prover9 пытается доказать математическую теорему.
Вселенные без нас
Один взмах крыла бабочки миллионы лет назад способен поменять очень многое: динозавры доживут до наших дней, Барак Обама не станет президентом США, в Москве выпадет майский снег. Рэй Брэдбери в своем рассказе «И грянул гром» придумал одну из самых запоминающихся метафор современной науки.
Так, даже небольшие изменения в начальных условиях для вычисления Вселенной, которые аналогичны тем самым исходным утверждениям для компьютерных доказательств теорем, могут привести нас в совершенно другие миры. Что определяет эти условия, пока непонятно. Случайности. Крохотные флуктуации в распределении энергии по Вселенной сразу после Большого взрыва: будь они хоть чуть-чуть другими — мы сразу получим какой-нибудь необитаемый мир с антигравитацией.
Эти фокусы, по мысли Шмидхубера, должны поменять наш взгляд на случайности. Возьмем, к примеру, число пи — отношение длины любой окружности к длине ее диаметра. Десятичная дробь, выражающая эту константу, больше всего похожа на бесконечное нагромождение цифр. Но есть не одна и не две формулы, с помощью которых можно вычислить каждую из этих, казалось бы, случайных цифр. (Правда, чем больше мы захотим узнать, тем больше времени нам потребуется.)
Выходит, можно написать программу, которая по несложной формуле, из рациональных предпосылок будет однозначно определять весь хаос числа пи. А значит, и программа Вселенной (начальные условия плюс фундаментальные законы физики) может однозначно вычислить весь наш мир от первой его секунды и до настоящего момента.
Рождение Солнца, появление земной атмосферы, ваш вчерашний завтрак — все это неминуемо было заложено в программе Вселенной. И никого из нас оттуда не выкинуть, как не выкинуть ни одну из бесконечных цифр числа пи. Без нас Вселенная невозможна. Во всяком случае, так считают некоторые компьютерные теологи.
---------------------
Инфляция космических масштабов
«N + 1»
28 декабря 2015 / Наука, Космос, Космические дневники
Как появилась и к чему пришла космологическая инфляционная модель
Один из ведущих мировых космологов, Андрей Линде, недавно опубликовал обзор, в котором кратко описывает возникновение и развитие теории инфляционной вселенной, дающей новое объяснение Большому взрыву и предсказывающей существование наряду с нашей множества других вселенных.
Космология в некотором роде сродни философии. Во-первых, по обширности своего предмета исследования — им является вся Вселенная в целом. Во-вторых, по тому, что некоторые посылки в ней принимаются учеными в качестве допустимых без возможности провести какой-либо проверочный эксперимент. В-третьих, предсказательная сила многих космологических теорий заработает, только если мы сможем попасть в другие вселенные — чего ожидать не приходится.
Однако из этого всего вовсе не следует, что современная космология — это такая рукомахательная и не совсем научная область, где можно, подобно древним грекам, лежать в тени дерев и гипотетизировать о количестве измерений пространства-времени — десять их или одиннадцать? Космологические модели базируются на наблюдательных данных астрономии, и чем больше этих данных, тем больше материала для космологических моделей — которые должны эти данные связывать и согласовывать между собой. Сложность в том, что в космологии затрагиваются фундаментальные вопросы, требующие некоторых изначальных предположений, которые выбираются авторами моделей исходя из их личных представлений о гармонии мироздания. В этом вообще-то нет ничего исключительного: при построении всякой теории нужно брать какие-то опорные точки. Просто для космологии, которая оперирует самыми большими масштабами пространства и времени, их выбрать особенно трудно.
Для начала несколько важных определений.
Космология — наука, изучающая свойства нашей Вселенной как единого целого. Однако в ней пока нет какой-то единой теории, которая бы описывала все происходящее и когда-либо произошедшее. Сейчас существуют четыре основных космологических модели, которые пытаются описать происхождение и эволюцию вселенной, и каждая из них имеет свои плюсы и минусы, своих адептов и противников. Модель Лямбда-CDM считается наиболее авторитетной, хотя и не бесспорной. Важно понимать, что космологические модели не обязательно соперничают друг с другом. Просто они могут описывать принципиально разные этапы эволюции. Например, Лябмда-CDM вообще не рассматривает вопрос Большого взрыва, хотя прекрасно объясняет все, что произошло после него.
Антропный принцип — это подход, который позволяет решить проблему «тонкой» настройки фундаментальных физических констант в нашей вселенной наличием в ней наблюдателя. Дело в том, что любое, казалось бы, незначительное изменение физических законов делает невозможным появление мира, каким мы его видим. Увеличение массы протона на 0,2 процента, например, приведет к его нестабильности, и во вселенной не будет элементов сложнее нейтрона. Если же увеличить массу нейтрона на те же 0,2 процента, то он становится нестабильным в составе ядер и будет превращаться в протон. В этом случае ядра, состоящие только из протонов, будут распадаться из-за электрического отталкивания — мы снова получаем скучный и однообразный мир, где нет элементов тяжелее водорода. Примерно такая же «точная настройка» есть и у четырех фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного). То есть создается впечатление, что все параметры подобраны таким образом, чтобы мы как наблюдатели могли существовать.
Антропный принцип существует в двух формах: сильной и слабой. Слабый антропный принцип заключается в том, что значения всех физических и космологических величин не равновероятны, но должны быть совместимы с существованием наблюдателя. Именно в этом значении антропный принцип употребляют в космологии (да и в биологии тоже). Сильный антропный принцип налагает на вселенную условие долженствования (вселенная должна быть такой, чтобы появился наблюдатель) и, таким образом, уже выходит за пределы науки. Различие довольно тонкое, так что неудивительно, что космологи довольно долго избегали антропной аргументации.
Квантовая гравитация — еще не законченная физическая модель, которая должна одновременно описывать поведение частиц на квантовом (микро) уровне и в обычных (макро) условиях, где основную роль играет гравитация. Одним из подходов, чтобы «поженить» гравитацию и квантовую механику, является теория струн.
А теперь - к статье.
Зачем вообще понадобилась новая, инфляционная модель Вселенной? Результаты космологических исследований и анализа уже существующих моделей, а также компьютерное моделирование образования скоплений и галактик отлично совпадало с результатами астрономических наблюдений. Казалось бы, в чем же проблема?
Дело в том, что существующие модели описывают только последствия Большого взрыва, не задаваясь вопросом о его возникновении. А это вопрос не праздный хотя бы потому, что энергия Большого взрыва, оказывается, весьма необычна (а сейчас она посчитана с огромной точностью). Если бы взрыв был чуть сильнее или чуть слабее, то вселенная должна была либо коллапсировать, очень быстро снова сжимаясь в огненный шар, либо разлететься столь стремительно, что звезды и галактики не могли бы иметь шансов на образование. Цитируя отличную книгу Александра Виленкина «Мир многих миров»: «Космология Большого взрыва просто постулирует, что огненный шар обладал требуемыми свойствами».
До конца 1970-х годов почти никто из ученых не брался за объяснение причин образования Большого взрыва и таких необычных его свойств. Первый серьезный интерес к этой области связан с именем американского астрофизика Алана Гута, который предпринял попытку решить эту задачу, введя отталкивающее тяготение (не путать с антигравитацией), приводящее к раздуванию пространства. Оно объясняло резкое увеличение размеров вселенной в первые моменты ее существования. Этот процесс был назван инфляцией.
Суть Модели инфляционной космологии в том, что изначально вселенная не была бесконечно малой. Это очень важно, потому что убирает сингулярность, где не работают законы физики. Кроме того, она постулирует существование нескольких типов вакуума. Тот, который заполняет космос (его называют истинным вакуумом) — самый низкоэнергетичный. Кроме него существуют как минимум электрослабый вакуум и вакуум Великого объединения. В рамках модели Гута считается, что это их энергия привела к началу инфляции и к появлению вселенной (фактически считается, что вместо Большого взрыва был период инфляции). Наконец, последним важным пунктом модели является введение в расчеты некоего скалярного поля, инфлатона, который и является источником энергии вакуума (пример скалярного поля — значение температуры в каждой точке комнаты).
Любая новая физическая модель сначала рассматривает самую простую версию какого-нибудь явления. Не учитываются частные случаи, взаимодействия высоких порядков, исключения — если их сразу принять во внимание, недоработанная теория может не выдержать большого количества противоречий и рассыпаться. Дальше, если теория прошла первоначальную проверку, она обрастает «мясом», ее физические модели усложняются, она становится более гибкой и устойчивой к объяснению различных наблюдений. Поэтому в предложенной Гутом модели важная и существенная идея первоначально не могла похвастать проработанным физическим аппаратом и на многие вопросы (которые Гуту задали прямо на его первом выступлении с этой моделью в Стенфорде зимой 1980 года) еще не было ответов.
Инфляционная модель не стала ни популярной, ни известной сразу после публикации, однако ряд физиков, среди которых были Алексей Старобинский, Андрей Линде и Вячеслав Муханов, поверили в нее и продолжили творчески развивать изначальные идеи Гута.
По мере развития инфляционной модели ее положения привели к отрицанию одного из основных принципов, незыблемых со времен Ньютона — принципа однородности и изотропности Вселенной. Все остальные модели принимают, что точка, с которой мы смотрим по сторонам, ничем не лучше и не хуже любой другой, а также то, что на больших масштабах вселенная заполнена веществом равномерно (что уже противоречит современным данным). Основная идея инфляционной космологии состоит в том, что наша часть вселенной более-менее однородна потому, что изначальные неоднородности — квантовые флуктуации — сильно растянулись и увеличились со временем и явные «дефекты», такие как монополи или границы вселенной, находятся от нас за горизонтом событий и мы не имеем возможности узнать про них. При этом менее значимые неоднородности со временем привели к образованию галактик.
Работы Линде, начатые через два года после первого доклада Гута, привели к появлению следующего утверждения: возможно существование других частей вселенной, каждая из которых из-за инфляции стала локально однородной и настолько большой, что ее обитатели (гипотетические) также не увидят другие части общей вселенной. В такой вселенной (которой придумали название Мультивселенная, или multiverse) каждая обособленная область может иметь совершенно особые свойства, физические законы и даже размерность пространства. Более продвинутая версия инфляционной модели, разработанная к 1987 году, описывает наш мир как вечно расширяющийся самовоспроизводящийся фрактал, который состоит из множества отдельных частей (в статье Линде называет их мини-вселенными). Таким образом, это не вселенная создана для нас, а это мы появились в той ее части, что пригодна для (нашей) жизни.
В обзоре Андрей Линде иронично отмечает: «первые десять лет моего путешествия сквозь мультивселенную были крайне интересными, но уж слишком одинокими». Очень мало людей интересовались этой теорией и почти все статьи ему приходилось писать без соавторов. По словам Линде, ситуация изменилась в 1990-х благодаря нескольким факторам.
Во-первых, после запуска ресурса arxiv.org ученые смогли выкладывать препринты своих статей в открытый доступ, даже если журналы не были готовы их печатать. Это ускорило распространение информации среди астрофизиков и позволило им знакомиться даже со спорными идеями, которые отказывались публиковать журналы вроде Astrophysical Journal.
Во-вторых, работы Артура Межлумяна, Хуана Гарсия-Беллидо, Дмитрия Линде и вернувшегося к идее инфляционной модели Александра Виленкина помогли разрешить часть противоречий, существующих в модели вечно расширяющейся инфляционной вселенной.
Поворотным моментом в истории инфляционной модели стало открытие темной энергии в 1998 году группами Адама Риса, Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта. Оно заставило многих ученых изменить свое отношение к проблеме космологической константы. Эта константа была введена Эйнштейном в Общей Теории Относительности еще в 1915 году из математических соображений и долгое время никакого физического смысла не несла. Более того, около полувека ученые предпринимали попытки доказать, что она равна нулю и, хотя строго математически и должна стоять в уравнении, но вообще ни на что не влияет. Результаты Риса, Перлмуттера и Шмидта показали, что эта постоянная не просто не ноль, но она еще и совпадает по значению с плотностью обычной материи. Здесь невозможно не вспомнить прекрасную цитату из повести Стругацких «За миллиард лет до конца света»: «А интегральчик-то не ноль! То есть он до такой степени не ноль, мой интегральчик, что величина вовсе существенно положительная…»
Удивительно в этом то, что космологическая постоянная (то есть энергия вакуума) не изменяется во времени по мере расширения вселенной, в то время как плотность вещества как раз меняется совершенно предсказуемо и зависит от объема пространства. Получается, что в ранней вселенной плотность вещества намного превосходила плотность вакуума, в будущем по мере разлета галактик плотность вещества будет уменьшаться. Так почему же именно сейчас, когда мы можем измерить их, они так близки по значению друг к другу?
Объяснить такое невероятное совпадение, не привлекая какие-то ненаучные гипотезы, можно единственным известным способом - только с помощью антропного принципа и инфляционной модели: то есть из множества существующих вселенных жизнь зародилась в той, где космологическая постоянная в данный момент времени оказалась равна плотности материи. Это в свою очередь определяет время, прошедшее с начала инфляции, и дает как раз достаточно времени для формирования галактик, образования тяжелых элементов и развития жизни.
Еще одним поворотным моментом в развитии инфляционной модели был выход в 2000 году статьи Буссо и Полчински, в которой они предложили использовать теорию струн для объяснения большого набора разных типов вакуума, в каждом из которых космологическая постоянная могла принимать свои значения. А когда в работу над объединением теории струн и инфляционной модели включился один из создателей самой теории струн, Леонард Сасскинд, это не только помогло составить более законченную картину, которую сейчас называют «антропным ландшафтом теории струн», но и в некотором роде добавило вес всей модели в научном мире. Число статей по инфляции увеличилось за год с четырех до тридцати двух.
Инфляционная модель претендует на то, чтобы не просто объяснить тонкую настройку фундаментальных констант, но и помочь обнаружить некоторые фундаментальные параметры, которые определяют величину этих констант. Дело в том, что в Стандартной модели сегодня 26 параметров (космологическая постоянная стала последним из открытых), которые определяют величину всех констант, с которыми вы когда-либо сталкивались в курсе физики. Это достаточно много, и уже Эйнштейн считал, что их количество можно уменьшить. Он предложил теорему, которая, по его словам, не может в настоящее время быть более чем верой, - о том, что в мире нет произвольных констант: он так мудро устроен, что должны быть какие-то логические связи между казалось бы совсем разными величинами. В инфляционной модели эти константы могут быть всего лишь параметром окружающей среды, который кажется нам локально неизменным из-за эффекта инфляции, хотя будет совершенно иным в другой части вселенной и определяется еще не выявленными, но наверняка существующими истинно фундаментальными параметрами.
В заключении статьи Линде пишет, что критика инфляционной модели часто основана на том, что мы не сможем в обозримом будущем проникнуть в другие вселенные. Поэтому проверить теорию невозможно и у нас до сих пор нет ответов на самые базовые вопросы: Почему вселенная такая большая? Почему она однородна? Почему она изотропна и не вращается, как наша галактика? Однако, если взглянуть на эти вопросы под другим углом, то оказывается, что и без путешествия в другие мини-вселенные у нас есть множество экспериментальных данных. Таких как размер, плоскость, изотропность, однородность, значение космологической постоянной, соотношение масс протона и нейтрона и так далее. И единственное на сегодняшний день разумное объяснение этим и многим другим экспериментальным данным дается в рамках теории мультиверсов и, следовательно, модели инфляционной космологии.
Марат Мусин
---------------------
Пыль кометных дорог
«N + 1»
11 Авг. 2018 / Астрономия
Рассказываем, откуда берутся метеорные потоки
По прогнозам астрономов, 12-13 августа ожидается пик активности Персеид — самого известного метеорного потока и одного из самых мощных. Редакция N + 1 решила напомнить, как возникают метеорные потоки и как за ними наблюдать, если вам повезет и вы окажетесь в удачных условиях для наблюдений.
Что такое метеоры?
Это частицы космической пыли, которые постоянно попадают в верхние слои атмосферы Земли, раскаляются, начинают светиться и сгорают. В день на нашу планету попадает, по разным оценкам, от 5 до 300 тонн космической пыли — и ученые находят микрометеориты размером в сотни микрон просто на городских крышах.
Метеорные частицы — метеороиды (у этого термина нет точного определения, но так принято называть космические тела размером от нескольких миллиметров до сотен метров, более крупные объекты могут называть уже астероидами) — влетают в земную атмосферу со скоростью более 11 километров в секунду, поэтому они мгновенно раскаляются и начинают светить, затем очень быстро сгорают и гаснут. Очень яркие метеоры — с блеском ярче Венеры — принято называть болидами, они возникают, когда в атмосферу попадает тело метровых размеров и больше. Метеоры на небе можно увидеть в любой момент, поскольку частицы пыли в Солнечной системе разбросаны везде. Такие метеоры называют спорадическими. Но главные источники метеоров — кометы, они путешествуют по Солнечной системе, оставляя за собой длинные газопылевые хвосты, которые постепенно создают пылевой след вдоль всей орбиты кометы. И именно они порождают метеорные потоки.
Фабриками космической пыли кометы делает само их устройство — согласно современным представлениям, ядра кометы состоят из водяного льда и замерзших газов, покрытых сверху коркой из минеральных частиц. Когда комета оказывается во внутренних районах Солнечной системы, летучие вещества начинают испаряться, взламывают оболочку и начинают фонтанировать подобно гейзерам. Возникает газопылевая оболочка кометы — кома — и ее длинный хвост. Приближаясь к Солнцу, кометы начинают интенсивно терять массу, порождая при этом большое количество пыли. Например, комета Галлея во время приближения к Солнцу могла терять до 10 тонн в секунду. Многие кометы, несколько раз пройдя рядом с Солнцем, полностью распадаются, оставив только сгустки пыли.
Эта кометная пыль и порождает «звездопады». Когда Земля проходит через пылевой след, оставленный разрушившейся или еще существующей кометой, на небе возникают десятки и сотни метеоров. Все они летят, как нам кажется, из одной точки на небе, которая называется радиантом. На самом деле они двигаются относительно Земли примерно параллельно, но нам кажется, что их траектории расходятся, подобно тому как, с нашей точки зрения, расходятся рельсы от горизонта. Сегодня ученым известно около 40 визуально наблюдаемых метеорных потоков (кроме них есть еще «дневные» метеорные потоки, которые наблюдают с помощью радаров). Их активность меняется — например, относительно спокойный метеорный поток Геминиды в 2000-е и 2010-е годы резко увеличил свою «мощность», став самым ярким метеорным потоком среди других.
История Персеид
Метеорный поток Персеиды стал вторым по счету в списке открытых метеорных потоков. Ученые обратили внимание на метеоры совсем недавно — в начале XIX века. В ночь с 12 на 13 ноября 1833 года жители Западного полушария наблюдали настоящий звездный шторм — с неба падали десятки тысяч метеоров в час. Это зрелище было настолько впечатляющим, что многие жители Штатов решили, что утром наступит Судный день. Не исключено, что это событие сыграло свою роль в религиозном возрождении и появлении множества сект и деноминаций в США в 1830-е годы.
До этого момента астрономы не были уверены в том, что падающие звезды, которые время от времени наблюдались на небе, имеют какое-то отношение к «настоящим» звездам, их считали атмосферным явлением. Однако звездный шторм 1833 года со всей ясностью показал их внеземное происхождение: все свидетельства указывали, что метеоры летели из одной точки в созвездии Льва, причем радиант смещался вместе с движением самого созвездия, то есть был привязан к небесной сфере. В течение недели после события математик из Йеля Денисон Олмстед показал, что появление радианта связано с эффектом перспективы и в действительности метеоры летят параллельно друг другу. Астрономы дали этим метеорам название Леониды, и с тех пор изучение метеорных потоков стало частью астрономии.
Персеиды были открыты на пять лет позже, примерно одновременно по обе стороны Атлантики. В 1837 году Эдвард Херрик, книжный червь, неудачливый совладелец книжной лавки в Нью-Хейвене, к тому же страдавший хроническим воспалением глаз, в ночь на 10 августа обратил внимание на необычно большое число метеоров на небе. Тогда память о ноябрьской ночи 1833 года была еще свежа, кроме того, Олмстед нередко общался с Херриком в его книжной лавке. Услышав от тех, кто задержался на улице еще дольше, что к полуночи метеоров стало больше, Херрик начал рыться в книгах и обнаружил еще семь упоминаний о большом числе метеоров в эти же дни — от 1029 года в Египте до 1833 года в Англии.
В январе 1838 года Херрик опубликовал статью в American Journal of Science and Arts, в которой предположил, что, кроме Леонид, есть еще один ежегодный метеорный поток, чье время наступает в августе, и попросил присылать ему свидетельства очевидцев. В следующей статье он несколько скорректировал свои выводы и написал, что метеорный поток сохраняет активность в течение примерно трех дней около 9 августа, а также предположил, что метеорная активность связана с кометами.
По другую сторону океана звездный шторм 1833 года тоже вызвал всеобщий интерес. Бельгийский статистик, директор и основатель Брюссельской обсерватории Адольф Кетле решил выяснить, сколько метеоров можно увидеть на небе в обычную ночь, когда нет «шторма». О своих подсчетах он рассказал на собрании Королевской академии наук и искусств в Брюсселе в декабре 1836 года: по его наблюдениям выходило, что за час на небе можно увидеть до восьми спорадических метеоров (это не слишком отличается от современных данных). В конце доклада он вскользь заметил, что наблюдал необычно большое число метеоров в период с 8 по 15 августа. На следующий год он обнаружил в своей обсерватории записи об августовском всплеске метеорной активности в 1834 и 1835 году, и по его предложению члены академии провели наблюдения за Персеидами в 1837 году.
Комета-источник Персеид была открыта через 30 лет, в 1862 году, независимо друг от друга Льюисом Свифтом и Хорасом Таттлом (в другой огласовке — Горацием Туттлем), а затем оказалась потеряна: возвращения этой кометы ждали в период между 1979 и 1983 годом, но она не появилась. Только в 1992 году, через 130 лет после открытия, ее вновь обнаружил японский астроном Цурухико Киучи. Комета Свифта-Туттля (109P/Swift—Tuttle) относится к числу объектов, сближающихся с Землей, ее орбита проходит мимо земной на дистанции 130 тысяч километров, но следующее сближение состоится в августе 2126 года. Связь этой кометы с Персеидами впервые установил в 1866 году Джованни Скиапарелли (больше известный как первооткрыватель каналов на Марсе). К тому моменту было установлено, что активность метеорного потока Леониды достигает максимума примерно каждые 33 года. Скиапарелли проанализировал исторические данные и пришел к выводу, что цикл активности Персеид составляет 108 лет. Он вычислил и другие параметры орбиты, и они достаточно близко совпали с параметрами орбиты кометы Свифта-Туттля, что и позволило Скиапарелли сделать вывод об их связи. Он же впервые назвал этот метеорный поток Персеидами, до этого их называли просто «августовскими метеорами».
Куда смотреть и что можно увидеть?
Метеорные частицы потока Персеиды входят в земную атмосферу со скоростью примерно 80 километров в секунду, число метеоров может сильно варьироваться от года к году. Если в 1970–80-е годы в период пика активности оно редко достигало 100 метеоров в час, то в 1991-1992 годах, когда комета Свифта-Туттля приблизилась к Солнцу, на небе можно было видеть до 450 метеоров. Первые метеоры потока могут появляться уже в начале августа, постепенно их число растет, к 10-13 числу достигает максимума, а потом быстро спадает. Самые яркие метеоры могут достигать звездной величины -4, почти достигая яркости Венеры (-4,4), но большинство светят как звезды 2-4 звездной величины. Большая часть метеорных частиц имеют размеры от 1 миллиметра до 1 сантиметра. Хотя российские астрономы выяснили, что в составе метеорных потоков могут быть объекты и десятиметрового размера, эти «валуны», как правило, «промахиваются» мимо Земли. Некоторые метеоры могут светиться с зеленоватым, желтоватым или красноватым оттенком — это происходит из-за испарения и свечения атомов металлов (натрия, магния, железа), входящих в их состав.
Наблюдать за метеорным потоком лучше как можно дальше от города и других источников светового загрязнения — чем темнее ночь, тем больше метеоров вы увидите. В этом году нам всем невероятно привезло: пик активности Персеид пришелся на новолуние, небо будет безлунным. Прогноз гласит, что зенитное часовое число метеоров (ZHR) может достичь 110. Значение ZHR рассчитывается для условий идеально темной ночи и исходя из предположения, что радиант метеорного потока находится точно у нас над головой.
Астроном Дмитрий Клыков сказал в беседе с N + 1, что на практике наблюдаемое число метеоров примерно вдвое меньше ZHR, поэтому можно рассчитывать на 40-50 метеоров в час. Сейчас число ZHR достигло примерно 20, следить за тем, как оно растет, можно на сайте Международной метеорной организации.
По словам Дмитрия Клыкова, телескоп при наблюдении за метеорами скорее мешает, чем помогает. «Поле зрения любительского телескопа или бинокля составляет обычно не более 5 градусов. Большинство метеоров просто не попадут в такое небольшое поле зрения, а навести инструмент в доли секунды на «падающую звезду» невозможно. Поле зрения глаза составляет около 100 градусов и позволяет обозревать большую часть небосклона», — говорит он.
Наилучшее время для наблюдений — около четырех часов утра. «Земля движется по орбите вперед «утренней» стороной, поэтому наибольшее число метеоров появляется именно под утро», — объясняет Дмитрий Клыков.
Радиант метеорного потока находится в верхней части созвездия Персея, найти его можно, если смотреть чуть ниже созвездия Кассиопеи. «Но непосредственно на радиант (находящийся приблизительно над востоком) смотреть менее предпочтительно, потому что метеоры будут видны не длинными и более слабые из них могут быть пропущены», — говорит Клыков.
Фотографам журнал Sky & Telescope советует запастись широкоугольным объективом с фокусным расстоянием 16 миллиметров, навести ручной фокус на яркую звезду, использовать чувствительность ISO 1600 и поэкспериментировать с ручной выдержкой 10-15 секунд.
Желаем вам успешных наблюдений!
Сергей Кузнецов
---------------------
Главы | Поиск внеземного разума
«ПостНаука»
21 September 2018
Отрывок из книги Карла Сагана «Мозг Брока» о том, сколько цивилизаций может существовать во Вселенной, как ищут сигналы из космоса и почему нам так важно найти инопланетян
Совместно с издательством «Альпина-нон-фикшн» публикуем отрывок из книги астрофизика Карла Сагана «Мозг Брока. О науке, космосе и человеке» о романтике и ответственности, рисках и перспективах науки. Перевод с английского Анастасии Науменко.
Поиск внеземного разума
Но у сирен есть оружие более страшное, чем пение, а именно - молчание… Можно представить себе, что от их пения кто-то и спасся, но уж от их молчания наверняка не спасся никто.
Франц Кафка
Всю нашу историю мы думали о звездах и гадали, уникально ли человечество или где-то еще в темноте ночного неба живут другие существа, которые способны, как и мы, размышлять и задаваться вопросами, братья по разуму в космосе. Такие существа могут оценивать себя и Вселенную иначе, чем мы. Где-то еще могут существовать в высшей степени экзотичные живые организмы, и технологии, и общества. В космосе, столь безбрежном и столь давно существующем, что это выходит за границы обычного человеческого понимания, мы немного одиноки, и мы задумываемся о конечном предназначении, если оно есть, нашей крошечной, но изумительной голубой планеты. Поиск внеземного разума - это поиск приемлемого космического контекста для человеческого вида в целом. В самом глубоком смысле поиск внеземного разума - это поиск самих себя.
За последние несколько лет - за одну миллионную продолжительности жизни нашего вида на этой планете - мы достигли выдающегося технического уровня, который позволяет нам искать невообразимо далекие цивилизации, даже если они не более развитые, чем мы. Это средство для поиска называется радиоастрономией и включает одиночные радиотелескопы, систему или комплекс радиотелескопов, чувствительные радиоприемники, новейшие компьютеры для обработки полученных данных, а также воображение и навыки преданных своему делу ученых. Радиоастрономия за последнее десятилетие открыла новое окно в физическую Вселенную. Она может также, если мы приложим усилия, пролить свет и на биологическую Вселенную.
Некоторые ученые, работающие над вопросом внеземного разума, и я среди них, попытались оценить количество продвинутых технических цивилизаций, которые мы определили как общества, использующие радиотелескопы, в галактике Млечный Путь. Такая оценка не лучше догадок. Для этого нужно количественно оценить множество величин - число и возраст звезд, количество планетных систем и вероятность зарождения жизни (которую оценить гораздо сложнее), а также вероятность эволюции разумной жизни и продолжительность жизни технических цивилизаций, о чем мы на самом деле почти ничего не знаем.
Когда мы делаем арифметические подсчеты, мы получаем обычно порядка миллиона технических цивилизаций. Миллион цивилизаций - невероятно большое количество, и так волнительно представлять разнообразие, стиль жизни и коммерческую деятельность этого миллиона миров. Но галактика Млечный Путь содержит около 250 млрд звезд, и даже с миллионом цивилизаций в лучшем случае лишь одна звезда из 200 000 имела бы планету, населенную продвинутой цивилизацией. Поскольку мы не имеем представления, какие звезды являются потенциальными кандидатами, мы будем вынуждены изучать огромное количество звезд. Такие расчеты указывают на то, что поиск внеземного разума может потребовать значительных усилий.
Несмотря на рассказы о древних астронавтах и неопознанных летающих объектах, убедительных доказательств посещений Земли другими цивилизациями в прошлом нет. Наши возможности сводятся к регистрации сигналов из космоса, и среди технических средств дальнего действия, которые доступны на нашем техническом уровне, радио намного превосходит все остальные. Радиотелескопы относительно недороги, радиосигналы распространяются со скоростью света, быстрее и быть не может, и использование радиопосланий для межзвездной связи нельзя счесть недальновидностью или антропоцентризмом. К радиоволнам относится большая часть электромагнитного спектра, и любая техническая цивилизация где бы то ни было в галактике уже должна была открыть радио - так же, как за последние несколько столетий мы исследовали весь электромагнитный спектр - от коротких гамма-лучей до очень длинных радиоволн. Продвинутые цивилизации могут также использовать и какие-то другие средства коммуникации для связи с цивилизациями такого же технического уровня. Но, если они хотят общаться с более отсталыми или недавно появившимися цивилизациями, существует только несколько очевидных методов, главный из которых - радиоволны.
Первая серьезная попытка услышать возможные радиосигналы от других цивилизаций была предпринята в Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, в 1959 и 1960 гг. Она была подготовлена Фрэнком Дрейком, который сейчас работает в Корнельском университете, и была названа проектом «Озма» в честь принцессы Страны Оз, места очень экзотического, очень далекого и очень труднодоступного. Дрейк изучал две ближайшие звезды - Эпсилон Эридана и Тау Кита - в течение нескольких недель, и результаты оказались отрицательными. Положительные результаты стали бы неожиданностью, потому что, как мы убедились, даже довольно оптимистическая оценка количества технических цивилизаций в галактике показывает, что для того, чтобы добиться успеха, нужно посредством случайного выбора изучить несколько сотен тысяч звезд.
С момента создания проекта «Озма» в Соединенных Штатах, Канаде и Советском Союзе было проведено шесть или восемь аналогичных программ довольно скромного уровня. Все результаты были отрицательными. Общее количество звезд, изученных на данный момент таким образом, составляет менее 1000. Мы выполнили около одной десятой доли процента поставленной задачи.
Однако все указывает на то, что в относительно близком будущем могут потребоваться гораздо более серьезные усилия.
До настоящего момента программы наблюдения лишь изредка выполнялись с помощью больших телескопов, большую же часть времени для этого использовались очень маленькие радиотелескопы. Всестороннее изучение этой проблемы недавно провел комитет НАСА под руководством Филипа Моррисона из Массачусетского технологического института. Комитет рассмотрел широкий ряд вариантов, включая новые (и дорогие) огромные наземные радиотелескопы и радиотелескопы космического базирования. Он также указал на то, что можно достичь прогресса и с меньшими затратами, разработав более чувствительные радиоприемники и компьютеризированные системы обработки данных. В Советском Союзе есть государственная комиссия, которая занимается организацией поиска внеземного разума, и недавно установленный большой радиотелескоп РАТАН-600 на Кавказе предназначен в том числе и для этого.
Наряду с последними выдающимися достижениями в области радиотехники в научных кругах и у широкой публики резко возрос интерес ко всей теме внеземной жизни. Явным признаком нового отношения стали миссии «Викинга» на Марс, которые в значительной степени посвящены поиску жизни на другой планете.
Но с началом серьезного поиска появились и негативные мнения, тем не менее представляющие интерес. Некоторые ученые в последнее время задают любопытный вопрос: если внеземной разум существует, почему мы еще не видели его проявлений? Подумайте о достижениях нашей технической цивилизации за последние 10 000 лет и представьте, что такой прогресс продолжается в течение миллионов или миллиардов лет. Если даже крошечная часть цивилизаций на миллионы или миллиарды лет более продвинута, чем наша, почему они не создали артефакты, устройства или хотя бы не вызвали промышленное загрязнение такой интенсивности, что мы бы их заметили? Почему они не переделали для своего удобства всю Галактику? Скептики также спрашивают, почему нет четких доказательств инопланетных визитов на Землю. Мы уже запустили медленный и скромный межзвездный космический корабль.
Общество, более развитое, чем наше, должно иметь возможность легко и непринужденно совершать межзвездные перелеты. За миллионы лет такие общества должны были основать колонии, которые могли бы сами запускать межзвездные экспедиции. Почему их здесь нет? Хочется сделать вывод, что существует в лучшем случае несколько продвинутых внеземных цивилизаций - или потому что по статистике мы одна из первых технических цивилизаций, или потому что судьба всех таких цивилизаций - уничтожить себя прежде, чем они продвинутся гораздо дальше, чем мы.
Мне кажется, что отчаиваться совершенно преждевременно. Все такие аргументы зависят от того, сможем ли мы правильно предсказать намерения существ, намного более развитых, чем мы, и, если изучить эти аргументы более внимательно, я думаю, мы увидим в них проявление человеческого тщеславия. Почему мы рассчитываем, что будет легко распознать признаки очень продвинутых цивилизаций? Разве наша ситуация не близка к положению членов изолированного общества, скажем, в бассейне Амазонки, у которых нет устройств, чтобы уловить мощные сигналы международных радио- и телепередач, которые окружают их со всех сторон? Также в астрономии есть широкий ряд не до конца понятых явлений. Могут ли модуляция сигнала пульсаров или источник энергии квазаров, например, иметь технологическое происхождение? Или, возможно, существует галактическая этика невмешательства в отсталые или находящиеся в стадии становления цивилизации. Возможно, считается правильным выждать какое-то время, прежде чем идти на контакт, чтобы сначала дать нам беспристрастную возможность уничтожить себя, если мы к этому склонны. Возможно, все общества, значительно более развитые, чем наше, достигли эффективного личного бессмертия и потеряли мотивацию совершать межзвездные путешествия, которая может, насколько мы знаем, быть типичной потребностью только молодой цивилизации. Возможно, зрелые цивилизации не хотят загрязнять космос. Таких «возможно» очень длинный список, и только несколько из них мы можем оценить хоть с какой-то долей уверенности.
Вопрос о внеземных цивилизациях кажется мне полностью открытым. Лично я думаю, что гораздо сложнее понять Вселенную, в которой мы являемся единственной технической цивилизацией или одной из очень немногих, чем постигать космос, наполненный разумной жизнью. Многие аспекты этой проблемы, к счастью, можно проверить экспериментальным путем.
Мы можем поискать планеты у других звезд, искать простые формы жизни на таких ближайших планетах, как Марс, и провести более глубокие лабораторные исследования в области химических основ возникновения жизни. Мы можем глубже исследовать эволюцию организмов и обществ. Эта проблема требует долгосрочного, непредвзятого, систематического поиска, где природа будет единственным судьей того, что вероятно, а что нет.
Если в галактике Млечный Путь миллион технических цивилизаций, среднее расстояние между цивилизациями составляет около 300 световых лет. Поскольку световой год - это расстояние, которое проходит свет за один год (почти 9,6 трлн км), это означает, что время передачи сообщения в один конец для межзвездной коммуникации от ближайшей цивилизации составляет около 300 лет. Время вопроса и ответа составит 600 лет. Поэтому межзвездные диалоги гораздо менее вероятны - особенно во время первого контакта, - чем монологи.
На первый взгляд, кажется самоотверженностью, что цивилизация передает радиосообщения без надежды узнать, по крайней мере в непосредственном будущем, получены ли они и каким может быть на них ответ. Но люди часто делают то же самое: например, закапывают капсулы с посланием, чтобы их нашли будущие поколения, или даже пишут книги, сочиняют музыку и создают предметы искусства для последующих поколений. Цивилизация, которой в прошлом помогло такое сообщение, может также выразить желание принести пользу другим зарождающимся техническим обществам.
Чтобы программа радиопоиска принесла положительные результаты, Земля должна находиться среди таких обществ.
Если бы передающая сигнал цивилизация была только немногим более развита, чем наша, она бы обладала достаточной радиомощностью для осуществления межзвездной связи - возможно, настолько большой, что передачу могли бы поручить относительно небольшим группам радиолюбителей и сторонников примитивных цивилизаций. Если бы правительства всех планет или союз миров осуществляли этот проект, можно было бы передать сигнал очень большому количеству звезд, настолько большому, что сообщение отразилось бы и в нашу сторону, даже если бы не было причин обращать особое внимание на нашу область неба.
Очевидно, что коммуникация возможна даже без предварительного соглашения или контакта между передающей и принимающей цивилизациями. Несложно представить межзвездное радиосообщение, источником которого однозначно является разумная жизнь. Модулированный сигнал (бип, бип-бип, бип-бип-бип…), составляющий числа 1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31 - первую дюжину простых чисел, может иметь только биологическое происхождение. Для объяснения этого не требуется никакого предварительного соглашения между цивилизациями и никаких предосторожностей, направленных против земного шовинизма.
Такое сообщение служило бы объявлением или сигналом, указывающим на присутствие продвинутой цивилизации, но мало что говорило бы о ее природе. Радиомаяк мог бы также обозначать особую частоту, на которой можно поймать главное сообщение, или мог бы указывать на то, что главное сообщение можно поймать при более высоком временном разрешении на частоте радиомаяка. Передача довольно сложной информации не представляет особой трудности даже для цивилизаций совершенно разной биологической природы и с различными общественными нормами. Можно передавать арифметические уравнения, и истинные, и ложные, сопровождая каждое соответствующим кодовым словом (с помощью тире и точек, например), которые будут обозначать истинные и ложные понятия, концепции, которые многие люди могут посчитать чрезвычайно сложными для передачи в таком контексте.
Но, несомненно, самый многообещающий метод - посылать картинки. Повторяющееся сообщение, которое представляет собой произведение двух простых чисел, явно будет декодировано как двумерный массив или растр, то есть картинка. Произведением трех простых чисел могут быть трехмерная картинка или один кадр двумерного фильма. В качестве примера такого сообщения рассмотрим ряд нулей и единиц, которые могут быть обозначены длинными и короткими звуковыми сигналами, или тонами на двух соседних частотах, или тонами разных амплитуд, или даже сигналами с разной поляризацией. В 1974 г. такое сообщение было передано в космос с 305-метровой антенны в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, где исследования проводятся Корнельским университетом в кооперации с Национальным научным фондом США.
Это произошло во время церемонии, посвященной обновлению покрытия тарелки Аресибо, самого большого радиотелескопа на планете Земля. Сигнал послали к звездному скоплению под названием М13, шаровому скоплению, состоящему из миллиона отдельных звезд, которые находились над головой у собравшихся во время церемонии. Поскольку М13 находится на расстоянии 24 000 световых лет, сообщение дойдет туда через 24 000 лет. Если какое-либо способное ответить живое существо нас слушает, пройдет 48 000 лет, прежде чем мы получим ответ. Сообщение, отправленное с Аресибо, безусловно, не представляло собой серьезной попытки межзвездной связи, а являлось демонстрацией выдающихся достижений земных радиотехнологий.
В декодированном сообщении сказано примерно следующее: «Вот как мы считаем от одного до десяти. Вот атомные числа пяти химических элементов - водорода, углерода, азота, кислорода и фосфора, - которые для нас интересны и важны. Вот как эти атомы связаны друг с другом: молекулы аденина, тимина, гуанина и цитозина, присоединенные к цепи, состоящей из чередующихся молекул сахаров и фосфатов. Эти молекулярные строительные блоки, в свою очередь, формируют длинную молекулу ДНК, состоящую примерно из 4 млрд звеньев в цепочке. Эта молекула представляет собой двойную спираль. В некотором роде эта молекула важна для неуклюжего создания, которое составило это сообщение. Это создание ростом 14 длин радиоволн, или около 176 см. Таких существ около 4 млрд на третьей планете от нашей звезды. Планет всего девять - четыре малых во внутренней части системы, четыре больших - во внешней ее части и одна малая с краю. Это сообщение отправлено вам с благосклонной помощью радиотелескопа, чей диаметр - 2430 длин волн, или 306 м. Искренне ваши».
Вполне вероятно, что посредством множества похожих графических сообщений, каждое из которых соответствует остальным и подтверждает их, можно установить почти однозначную межзвездную радиосвязь даже между двумя цивилизациями, которые никогда не встречались. Наша непосредственная цель заключается не в том, чтобы послать такие сообщения, потому что мы еще очень молоды и неразвиты, а в том, чтобы услышать что-нибудь.
Распознание разумных радиосигналов из глубин космоса приблизило бы нас к пониманию со всей научной объективностью многих самых глубоких вопросов, которые занимали ученых и философов с доисторических времен.
Такой сигнал показал бы, что происхождение жизни - это не какое-то необычное, сложное или невероятное событие. Он означал бы, что за миллиарды лет естественного отбора простые формы жизни в основном эволюционируют в сложные и разумные формы, как на Земле, и что такие разумные формы жизни обычно создают развитые технологии, как и случилось здесь. Но вряд ли передачи, которые мы получим, будут от общества нашего уровня технологий. У общества, лишь немного отстающего от нашего, вообще нет радиоастрономии. Вероятнее всего, сообщение будет получено от цивилизации, находящейся на уровне нашего далекого технологического будущего. Таким образом, даже прежде, чем мы расшифруем такое сообщение, мы получим бесценное знание о том, что можно избежать опасности того периода истории, через который мы сейчас проходим.
Кое-кто, рассматривая наши глобальные проблемы здесь, на Земле, - широко распространенные противостояния между государствами, ядерные арсеналы, увеличение численности населения, неравенство между бедными и богатыми, недостаток еды и других ресурсов и неосторожное изменение окружающей среды - приходит к выводу, что мы живем в системе, которая внезапно стала нестабильной и обречена на скорое разрушение. Другие считают, что наши проблемы решаемы, что человечество все еще находится в детском возрасте, что однажды и вскоре мы повзрослеем. Получив одно-единственное сообщение из космоса, мы бы узнали, что можно пережить эту техническую юность: ведь цивилизация, отправившая это послание, выжила. Такое знание, мне кажется, дорогого стоит.
Еще одним возможным последствием межзвездного послания может быть укрепление связей между людьми и другими живыми существами на нашей планете. Несомненно, эволюция учит нас тому, что в других местах живые организмы могут пойти совершенно иным эволюционным путем, что их химия и биология и, скорее всего, социальная организация будут абсолютно несхожи с земными. Вполне может оказаться, что мы будем способны общаться с ними, потому что мы делим общую Вселенную - потому что законы физики, химии и астрономии универсальны. Но они всегда могут в глубочайшем смысле отличаться от нас. И на фоне этих отличий вражда, которая разделяет людей на Земле, может показаться ничтожной. Различия между отдельными расами и национальностями, религиями и полами, вероятно, окажутся незначительными по сравнению с различиями между людьми и всеми внеземными разумными существами.
Если сообщение придет с помощью радиосигналов, передающую и принимающую цивилизацию будет объединять по крайней мере общее знание радиофизики. В силу общности физических наук многие ученые ожидают, что сообщения от внеземных цивилизаций можно будет расшифровать - вероятно, медленно и неточно, но тем не менее недвусмысленно. Никто не способен детально предсказать, какими будут последствия такой дешифровки, потому что никто не знает заранее, какова будет природа подобного сообщения. Поскольку передача, скорее всего, будет от цивилизации намного более развитой, чем мы, можно ждать поразительных открытий в области физики, биологии и социологии с необычной точки зрения совершенно иного разума. Но дешифровка, вероятно, займет несколько десятилетий.
Некоторые волнуются, что сообщение от более развитого общества может привести к тому, что мы потеряем веру в наше собственное, отбить у нас желание делать новые открытия, если окажется, что эти открытия уже кем-то сделаны, или иметь другие негативные последствия. Это все равно как если бы ученик бросил школу, потому что его учителя и учебники обладают более глубокими знаниями, чем он. Мы вольны игнорировать межзвездное сообщение, если посчитаем его оскорбительным. Если мы решим не отвечать, отправившая послание цивилизация никак не определит, что ее сообщение было получено и понято на крошечной далекой планете Земля. Перевод радиосообщения из глубин космоса, к которому мы можем подходить со всей желаемой нами неторопливостью и настороженностью, похоже, не представляет собой особой угрозы для человечества, но зато может таить в себе величайшие практические и философские перспективы.
В частности, в первых строчках такого сообщения могут быть подробные указания, как избежать техногенной катастрофы при переходе от юности к зрелости. Возможно, в посланиях от более продвинутых цивилизаций будет описано, какие пути культурной эволюции приведут к стабильности и долговечности разумного вида и какие пути ведут к застою, вырождению или катастрофе. Конечно, нет никакой гарантии, что межзвездное сообщение будет иметь такое содержание, но было бы безрассудством игнорировать такую возможность. Вероятно, существуют все еще не раскрытые на Земле простые решения проблем нехватки пищи, роста населения, энергоснабжения, истощения ресурсов, загрязнения и войн.
Хотя между цивилизациями, безусловно, будут различия, могут существовать законы развития, которые невозможно понять, пока не окажется доступной информация об эволюции многих цивилизаций. Из-за нашей изоляции от остального космоса мы обладаем информацией об эволюции только одной цивилизации - нашей собственной. И самый важный аспект этой эволюции - будущее - остается для нас закрытым. Может, это маловероятно, но все же вполне возможно, что будущее человеческой цивилизации зависит от получения и расшифровки межзвездных сообщений от внеземных цивилизаций.
А что если мы посвятим много времени поиску внеземного разума и не получим никаких результатов? Даже в таком случае мы не потратим наше время зря. Мы разработаем важную технологию, которую наша собственная цивилизация может применять для других целей. Мы значительно пополним наши знания о физической Вселенной. И мы проверим значимость и уникальность нашего вида, нашей цивилизации и нашей планеты.
Ведь если разумная жизнь встречается редко или вовсе больше нигде не встречается, мы узнаем кое-что важное о редкости и ценности нашей культуры и нашего биологического наследия, прошедшего шаг за шагом более 4,6 млрд лет мучительной истории эволюции. Такое открытие подчеркнет, как не смогло бы, возможно, ничто другое, нашу ответственность за вызовы нашего времени: наиболее вероятное объяснение отрицательных результатов после всеобъемлющего и изобретательного поиска заключается в том, что общества, как правило, уничтожают сами себя, прежде чем достигнут уровня, необходимого для установления высокомощной радиосвязи. Интересно, что организация поиска межзвездных радиосообщений, независимо от результата, может оказать объединяющее и конструктивное влияние на условия существования людей в целом.
Но мы не узнаем результата такого поиска, тем более содержания сообщений от межзвездных цивилизаций, если не предпримем серьезные попытки услышать сигналы. Возможно, цивилизации делятся на два больших класса: на тех, что предпринимают такие попытки, добиваются контакта и становятся новыми членами свободно связанной федерации галактических сообществ, и тех, которые не могут или предпочитают не предпринимать таких попыток или которым не хватает на это воображения и вследствие этого они вскоре приходят в упадок и исчезают.
Сложно придумать другой проект в пределах наших возможностей и при этом относительно недорогой, который был бы столь же многообещающим для будущего человечества.
Карл Саган
---------------------
В курсе дела: эволюция
Newtonew: новости сетевого образования
Роман Лаас
Продолжаем рубрику «В курсе дела», расставляющую точки над «i» в вопросах, которые по сей день почему-то остаются спорными. Сегодня - краткий справочник вопросов, связанных с эволюцией.
Несмотря на то, что каждый год появляется множество публикаций и новых интересных исследований, посвящённых эволюции видов, а учёные стремятся просвещать народ (например, устраивают конференции, на которых развенчивают научные заблуждения), копья вокруг этой темы продолжают ломаться.
О том, что такое эволюция, какие распространённые заблуждения с ней связаны и какие особенности наших тел напоминают о постоянно идущих процессах адаптации, расскажет Роман Лаас, преподаватель физики и основатель проекта «Постоянная Планка», где создают нескучные образовательные курсы для школьников и взрослых.
1. Что такое эволюция?
2. Почему она называется теорией?
3. Какие у теории эволюции есть доказательства?
4. Все найденные доказательства - фальшивка!
5. Почему мы не наблюдаем эволюцию сейчас?
6. Сам Дарвин отрёкся от своего труда - почему мы должны в это верить?
7. Почему теория эволюции не может объяснить происхождение жизни?
8. Но если всё это правда и люди действительно произошли от обезьян, почему обезьяны существуют?
9. Так что же, мы все результат великого рандома?
1. Что такое эволюция?
Эволюция - естественный процесс развития живой природы. Важно сразу кое с чем определиться: сама эволюция - неопровержимый факт. Нет на свете образованных людей, которые бы отрицали эволюцию в целом. Даже сторонники теории разумного замысла считают, что Бог не создавал все возможные породы собак на Земле. Он создал волка, а уже из него в процессе эволюции возникли остальные породы.
Отрицать эволюцию - это как отрицать гравитацию. Вы можете, конечно, этим заняться, но не ожидайте, что мир будет воспринимать вас всерьёз.
2. Почему она называется теорией?
Чтобы ответить на этот вопрос, важно определиться с тем, как работает наука. Учёные всего мира наблюдают за природой и происходящими в ней процессами, а затем выдвигают гипотезы. Гипотезы проверяются на основании экспериментов и дальнейших наблюдений. Если гипотезы оказались верны и предсказали именно те результаты, которые и были в итоге получены, на их основании строится теория.
А затем учёные и скептики всего мира пытаются эту теорию опровергнуть, потому что на её основании можно создать сколько угодно проверяемых предположений. Если теорию можно проверить в принципе, такая теория считается научной, если нет - ненаучной.
Теории - это сложные комплексные объяснения существующих фактов, на основании которых можно делать проверяемые предсказания.
Обратите внимание, что многие другие понятия, в которых мы не сомневаемся, тоже содержат слово «теория» - скажем, теория вероятности, общая теория относительности, атомная теория, квантовая теория. Однако почему-то проблемы возникают только с эволюцией.
3. Какие у теории эволюции есть доказательства?
Собственно, чтобы искать доказательства, давайте сначала определимся с самой теорией. Эволюция - факт, это мы уже поняли, но как она происходит? Вот её ход, друзья мои, и есть теория эволюции. В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов», в которой описывалась следующая идея:
1. в популяции рожается больше особей, чем может выжить;
2. существуют различия между особями в популяции, влияющие на их выживаемость;
3. эти различия передаются по наследству.
Наиболее приспособленные особи выживут, передав свои гены потомству, а значит, следующее поколение будет более приспособленным, чем предыдущее.
Этот механизм Дарвин назвал естественным отбором и признал его основной движущей силой эволюции. Главным доказательством эволюции, естественно, является палеонтологическая летопись, а именно - ископаемые, которые мы находим.
4. Все найденные доказательства - фальшивка!
А вот это уже просто неправда. Да, конечно, в истории были случаи, когда недобросовестные археологи-палеонтологи пытались выдать фальшивку за настоящие ископаемые. Но для этого и существует научное сообщество, учёные постоянно проверяют и перепроверяют друг друга. Даже сто лет назад подлинность таких «ископаемых» ставилась под сомнение в течение года, сегодня же подделки элементарно можно выявить при помощи современных методов анализа.
Однако противники теории эволюции припоминают именно казусы начала двадцатого столетия. На сегодняшний день найдено огромное количество останков древних видов жизни, причём не только фрагментов костей, но и практически полностью сохранившихся скелетов. Знакомьтесь, это Сью. Точнее, это 90% реальных костей Сью.
(Тираннозавр Сью, она же - экспонат FMNH PR2081 Музея естественной истории им. Филда, США.)
Доказательство того, что это фальшивка, сделало бы учёного известным на весь мир, но никто так и не смог опровергнуть тот факт, что Сью - настоящая. Мы не только смогли подтвердить, что костям Сью более 65 миллионов лет, но и выяснили, что она умерла в 28 лет, ломала ребро и руку, страдала от артрита. Правда, не можем точно выяснить, она это или всё же он, но размер заставляет нас предполагать, что это она: есть основания думать, что самки были крупнее.
5. Почему мы не наблюдаем эволюцию сейчас?
Во-первых, вы наблюдаете. У эволюции есть несколько механизмов, некоторые работают вполне быстро. Например, половой отбор. Грубо говоря, если придёт мода на высоких людей, средний рост населения может измениться за 2-3 поколения.
Но, скорее всего, вы имели в виду не это. Тогда вопрос стоит переформулировать так: почему мы не наблюдаем естественный отбор сейчас? Удивительно, но ответ тот же: наблюдаете. Дело в том, что для проявления действительно новых особенностей и функций в популяции должно пройти очень много времени.
Однако мы можем наблюдать за организмами, жизнь которых гораздо короче нашей, - бактериями. Существуют лабораторные бактериальные культуры, цикл жизни которых меньше часа. За месяц можно наблюдать смену тысячи поколений, чем учёные и занимаются.
Именно поэтому, если вы пьёте курс антибиотиков, принимать их надо до конца: в процессе из-за естественного отбора рождаются штаммы бактерий, устойчивые к тем или иным антибиотикам.
6. Сам Дарвин отрёкся от своего труда - почему мы должны в это верить?
Для начала: вам сам Дарвин сказал, что он отрекается, или вы слышали об этом в телепередаче сомнительного качества? Важно понимать следующее: Дарвин был учёным. А это значит, что истина для него была всегда важнее всего, и он прекрасно понимал, что ещё многого не знает. Учёные как раз всегда готовы отказаться от своих идей в случае, если кто-то найдёт опровержение.
Главным ночным кошмаром Чарльза Дарвина было время: исходя из его теории естественного отбора, эволюция должна была занять огромное количество времени, миллиарды лет. Однако, по научным представлениям того времени, Земле было всего несколько сотен миллионов лет (уже тогда понимали, что не 6 000).
Другой великий учёный, Лорд Кельвин, рассчитал этот возраст, исходя из того, что Земля постепенно остывает, как и любое другое тело. Зная её температуру сегодня, можно предсказать момент её создания. Виноват ли Дарвин в том, что его современники-физики не знали, что ядерные реакции могут разогревать Землю и ей 4,5 миллиарда лет? Конечно, нет. Сомневался ли он в своей правоте? Конечно, да! Как и любой другой нормальный учёный, который ищет ответы, максимально приближенные к истине.
7. Почему теория эволюции не может объяснить происхождение жизни?
А почему теория вероятности не может объяснить происхождение чисел? Теория эволюции описывает механизмы постепенного превращения одноклеточных организмов в разнообразие жизненных форм сегодня, она и не ставила перед собой целью объяснить происхождение жизни.
Обвинять учёных в том, что они не могут объяснить жизнь - бесполезное занятие. О существовании проблем и загадок они знают гораздо лучше вас и постоянно ищут ответы. Основы молекулярной биохимии уже заложены учёными, которые смогли показать, как относительно простые аминокислоты могут формировать стабильные структурные единицы, способные к самокопированию. То, что мы смогли выяснить сегодня - лишь малая часть удивительного мира биохимии.
Сейчас доминирующей теорией является теория панспермии - базовые компоненты жизни могли быть занесены кометой.
Дело в том, что все компоненты органических молекул присутствуют в космосе, и пролетающая комета вполне могла их зацепить и принести с собой. Уже обнаружены простейшие организмы, способные жить в экстремально высоких температурах. Это подтверждает, что жизнь в некоторой протоформе могла зародиться, ещё когда наша планета совсем не была похожа на сегодняшний милый голубой шарик.
8. Но если всё это правда и люди действительно произошли от обезьян, почему обезьяны существуют?
Тут сразу несколько важных моментов. Продолжим эту мысль: а почему существуют крысы, деревья, грибы, бактерии, рыбы? Такая мысль может возникнуть только у тех, кто верит в свою исключительность, кто считает, что человек - венец творения, и всё рано или поздно должно свестись к нему. Но вот только у нас нет основания так считать.
Не факт, что чем сложнее жизненная форма, тем она более приспособлена. Нашему виду, homo sapiens, по самым смелым оценкам 200 000 лет. Знакомьтесь: это латимерия, рыба, которая считалась вымершей, пока её случайно не поймали африканские рыбаки. Латимериям как минимум 100 миллионов лет.
Этот малыш называется «щитень». И он очень похож на своего дедушку, жившего 230 миллионов лет назад.
Обратите внимание, динозавры тогда только начинали появляться. Но есть ещё один хороший пример - медузы. 98% воды, ни нервной системы, ни сложных органов. 700 миллионов лет живут без изменений, куда более успешный вид с точки зрения эволюции, чем мы. Так что сойдёмся на том, что не каждый организм стремится стать человеком разумным, и пойдём дальше.
Мы не эволюционировали из современных обезьян. Наши ближайшие «родственники» шимпанзе и бонобо - точно такой же продукт эволюции от одного далёкого предка.
По разным оценкам, он жил около 8 миллионов лет назад. Важно понимать, что точную информацию получить трудно - чему-либо сложно сохраниться в течение 8 миллионов лет. Для такого нужно, например, очень удачно упасть в болото. В итоге разные популяции оказывались в разных условиях, отсюда разные признаки оказывались более полезными. Постепенно признаки накопились так, что получились и мы, и шимпанзе. Факт того, что мы сосуществуем сегодня, показывает, что с точки зрения эволюции они не менее успешны, чем мы.
9. Так что же, мы все результат великого рандома?
Я бы так не сказал. Для начала подумайте вот о чём: тот факт, что вы сейчас сидите и читаете эту статью, означает, что каждый ваш предок, начиная от первого одноклеточного организма, был достаточно успешен, чтобы выжить. Это значит, что ваше тело - результат мудрости природы и содержит в себе знания о том, как выживать в течение 3 миллиардов лет (а именно столько существует жизнь на Земле).
Эволюция спрятала в вас удивительные функции, о которых вы и не задумывались. Скажем, ваша кровь запекается на ране, не позволяя вам умереть от любой царапины, ваша кожа, отмирая, образует плотный покров, который защищает вас от альфа- и бета-радиации, а гамма-радиация несёт вред только при очень больших дозах, потому что в ДНК две нити и каждая способна восстанавливаться, копируя другую при повреждении.
Наши тела имеют встроенную систему кондиционирования, поэтому мы потеем, если нам жарко.
Наши пальцы на руках и ногах под водой набухают, чтобы увеличить трение и не дать нам соскользнуть. Наконец, наш мозг настолько развит, что мы научились использовать орудия труда, делать одежду и развили язык. Последнее стало возможным благодаря тому, что у нас опустилась гортань, и теперь тысячи людей ежегодно умирают, когда разговаривают с набитым ртом.
У нас нет хвоста, но есть копчик, на который больно падать. Мы видим и слышим только крохотную часть спектра звука и света, в отличие от тех же собак и кошек, к тому же у нас есть «слепое пятно» - место, где пучок нервов крепится к глазу. Если не знали - погуглите, как его найти, вам понравится.
Когда-то давно у наших предков повредился ген, ответственный за синтез витамина C, но они этого не заметили, потому что питались фруктами. В итоге мы и шимпанзе болеем цингой, а другие животные нет. Развитие умственных способностей привело к росту головы детей и в итоге их стало очень сложно рожать. Из-за этого пришлось делать «откат» - дети стали рождаться с несросшимся черепом, чтобы он не ломался при рождении, а время, когда детёныш становится самостоятельным, значительно отодвинулось.
---------------------
Исправленная редакция
«N + 1»
29 Ноября 2018 / Медицина, Биология, Генетика
Чего ждать миру от появления генно-модифицированных людей
Китайский ученый Цзянькуй Хэ в понедельник объявил, что первые в истории генно-модифицированные люди уже живут среди нас: речь идет о рождении девочек-близнецов, у которых с помощью технологии CRISPR был искусственно изменен ген, отвечающий за восприимчивость к ВИЧ. В этой сенсационной истории пока много неясного. В первую очередь, о самом эксперименте автор объявил не общепринятым способом - с помощью публикации в научном журнале, а в видеоролике на YouTube. Университет, где работал Цзянькуй Хэ, открестился от этого проекта, коллеги осудили экспериментатора, а китайские власти начали расследование. N + 1 попросил ученых рассказать, насколько реалистичной выглядит история, рассказанная китайским ученым, насколько доступен метод генной модификации человеческих эмбрионов, какие риски и опасности могут возникать в таких экспериментах, почему в большинстве западных стран такие эксперименты запрещены и можем ли мы в скором будущем ждать генно-модифицированных спортсменов, интеллектуалов или «служебных людей».
---Что произошло?
Если очень коротко: Цзянькуй Хэ из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне отредактировал методом CRISPR/Cas9 зиготу, полученную в результате оплодотворения яйцеклетки матери сперматозоидом ВИЧ-инфицированного отца (с неопределяемым уровнем вирусной нагрузки), модифицировав в ней ген CCR5. Эта мутация делает человека маловосприимчивым к риску заражения ВИЧ. Затем эмбрион был подсажен матери с помощью стандартных методов, используемых при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО), и в результате родились девочки-близнецы - Лулу и Нана.
Хэ заявляет, что еще одна женщина сейчас беременна генно-модифицированным ребенком, а семь других пар участвуют в эксперименте, в настоящее время, впрочем, приостановленном «в связи с текущей ситуацией».
---Что такое CRISPR-Cas
История систем CRISPR-Cas далека от человека - в природе они найдены у организмов, очень сильно отличающихся от нас: бактерий и архей. В этих сравнительно простых клетках CRISPR-Cas представляет собой аналог адаптивного иммунитета. Непосредственно CRISPR - это аббревиатура, описывающая участок бактериального генома, где записана информация о тех вирусах, с которыми встречались предки этой клетки. Эти данные хранятся в виде библиотеки коротких кусочков вирусной ДНК, которую бактерия получает по наследству и может пополнять самостоятельно.
Если бактерия сталкивается с вирусом, информация о котором записана в CRISPR-библиотеке, Cas-белки могут распознать и уничтожить «непрошенного гостя». Для этого необходимо представить данные из библиотеки в виде молекулы РНК. Комплекс Cas-РНК сканирует ДНК и ищет соответствия, а при совпадении - режет.
Причем же здесь генетические болезни человека? Ключевое здесь - умение Cas-белков резать ДНК в четко заданном участке. Идея заключается в следующем: вместо того, чтобы считывать РНК с CRISPR-библиотеки, ученые просто берут нужную короткую молекулу РНК (она называется гидовой, или направляющей), соответствующую определенному месту в геноме. В комплексе с белком Cas (из всего природного разнообразия CRISPR-Cas-систем для работы с животными клетками чаще всего используется белок Cas9 из стрептококка) направляющую РНК вводят в клетки. Там Cas9 находит нужный участок, например, содержащий мутацию, и вносит разрез.
Однако это еще не все. Чтобы исправить вредную мутацию, кроме комплекса белка Cas9 с РНК, в клетку нужно добавить еще «заплатку», содержащую нужную последовательность ДНК. Используя ее, системы репарации клетки «починят» порезанную ДНК и вместо мутации на этом месте появится другая, «нормальная» последовательность.
Нужно это не только и не столько для лечения.
Технология редактирования генома открывает новые горизонты для его исследователей. Возможность варьировать последовательность ДНК живых организмов существовала и раньше, но по сравнению с генно-инженерными методами, существовавшими до «эпохи CRISPR-Cas» (которая, к слову, началась всего шесть лет назад), предлагаемый механизм достаточно прост и эффективен. Он помогает быстро создавать модельные системы для самого разного класса задач, как из области фундаментальной генетики, так и в прикладной медицине, и уже стал своеобразным must have во многих биологических лабораториях.
Подробнее об этом методе можно прочесть в нашем материале «Запомните эти буквы».
---Почему в результатах Хэ сомневаются?
Сомнения возникли из-за того, в какой форме было объявлено о новом результате. Во-первых, Хэ не опубликовал свою работу в научном журнале, нарушив обычную процедуру для объявления о результатах экспериментов. Статью в журнале перед публикацией обычно читают и оценивают несколько рецензентов и редактор.
Вместо этого Хэ записал ролик на YouTube, в котором объявил не только об успехе, но и о том, что родившихся девочек увидеть нельзя, а данные об их семье засекречены. Масла в огонь добавил Южный университет, где формально числится ученый, - там заявили, что он уже полгода находится в неоплачиваемом отпуске и об этой работе им ничего неизвестно.
Во-вторых, есть и сомнения более общего рода: почему, задается вопросом известный научный журналист Леонид Шнайдер, для столь эпохального эксперимента был выбран именно ВИЧ, а не какая-нибудь врожденная смертельная генетическая болезнь?
Со Шнайдером солидарен и Пауль Калиниченко - профессор Московского государственного юридического университета имени Кутафина (МГЮА), исследующий мировые практики законодательного регулирования генетических экспериментов. «Это очень странный пример. ВИЧ - это не генетическое заболевание, то есть при редактировании генома происходит не лечение, а лишь снижение риска заражения. Зато ВИЧ - заболевание очень известное. Потому что пороки сердца или гемофилия - редкие, они не так будоражат людей, многие о них вообще не слышали. С ними сенсации не создать, а с ВИЧ - можно, это пандемия, некая трибуна. Я из-за этого и усомнился в достоверности [заявлений Хэ]», - говорит Калиниченко.
---А рождение генно-модифицированных людей вообще возможно?
Да, вполне - и с практической возможностью подобной работы согласны большинство экспертов. Более того, Хэ находится в одном из лучших мест для проведения таких исследований.
«Проверить сказанное сложно, но, оценивая гипотетическую возможность, мы можем опираться на историю предыдущих лет. И мы знаем, что первыми геном эмбриона человека отредактировали именно китайские ученые - этот эксперимент был проведен еще в 2015 году. Там речь шла о нежизнеспособных зиготах, то есть эмбрион не подсаживали матери. Годом позднее наш знаменитый соотечественник Шухрат Миталипов, работающий сейчас в Университете здоровья и наук Орегона, развил и закрепил этот опыт», - рассказывает Павел Волчков, заведующий лабораторией геномной инженерии Московского физико-технического института (МФТИ).
Миталипов по всем канонам опубликовал свою статью в Nature. В ней доказывается возможность редактирования генома человека на стадии эмбриона с целью избежать проявления генетического заболевания - гипертрофической кардиомиопатии, для которой сегодня существует только симптоматическое лечение. Препарат, редактирующий ген, вводили в зиготу - эмбрион на стадии его одноклеточного развития. Затем зиготе давали развиться до бластоцисты - первой многоклеточной стадии. Путем анализа генома клеток было показано, что редактирование состоялось. На этом эксперимент прервался.
«Как видно, все основополагающие работы были сделаны, оставалось только подсадить эту бластоцисту обратно матери - то есть проделать совершенно рутинную операцию, обычную при ЭКО, которым пользуются женщины, допустим, с непроходимостью маточных труб. Почему ранее эксперимент всегда прерывали? Чтобы не проводить незаконный эксперимент на человеке. Дело в том, что эксперименты на эмбрионах законны, так как в разных странах его до определенного возраста человеком не считают. Вот до этого оговоренного в законе возраста и доращивали многоклеточную стадию», - поясняет Волчков.
---Насколько это сложно?
Судя по всему, вывести генно-модифицированных людей не очень сложно - конечно, в условиях современной лаборатории, занимающейся редактированием генома и, желательно, работающей при большой репродуктивной клинике.
«Технология микроинъекции в оплодотворенную зиготу, с помощью которой проводится редактирование генома, - это несложно, - говорит Павел Волчков. - А Хэ работал в лаборатории, где делают ЭКО. В такой лаборатории всегда под руками имеется большое количество оплодотворенных яйцеклеток от родителей, которые пытаются родить, - обычно для ЭКО забирают больше яйцеклеток, чем необходимо, на случай неудач, и они остаются в клинике. Значит, там постоянно есть возможность закалывать инструменты генетического редактирования в зиготы, давать им развиваться до определенной стадии и оценивать эффективность этой процедуры».
«Методика состоит из нескольких процедур. Эмбриологические процедуры - работа с эмбрионом, с зиготой, с микроманипулятором, инъекция - могут варьироваться от лаборатории к лаборатории. Хэ, по крайней мере, по его словам в ролике, осуществлял их тем же способом, что и мы в нашей работе», - говорит генетик, проректор Российского национального исследовательского медицинского университета (РНИМУ) имени Пирогова, заведующий лабораторией редактирования генома научного центра имени Кулакова Денис Ребриков. Ранее научная группа под его руководством провела практически такой же эксперимент с человеческими эмбрионами, с той только разницей, что отредактированные яйцеклетки не были подсажены матери.
По словам Ребрикова, речь идет о стандартной процедуре лечения мужского бесплодия по протоколу ИКСИ (ICSI, Intracellular Sperm Injection Protocol), применяемой в том случае, когда сперматозоиды слишком неподвижны для зачатия: «Одновременно со сперматозоидом мы микроманипулятором вносим в яйцеклетку смесь для генного редактирования, получая тем самым зиготу», - говорит ученый.
«Для редактирования обычно используют стандартные покупные ферменты типа Cas9. Вариантов ферментов на сегодня довольно много, поэтому нельзя сказать, какой именно фермент использовал Хэ. А вот остальные компоненты реакционной смеси: направляющую фермент гидовую РНК, олигонуклеотиды и специальную “ДНК-заплатку” (фрагмент ДНК, выступающий в качестве шаблона в процессе зашивания) - как правило в каждой лаборатории делают самостоятельно», - продолжает объяснять Ребриков.
Мутация, которую вносили в эмбрионы, также не является совершенно новой. Более того, она не является и искусственной - около одного процента жителей Европы врожденным образом устойчивы к ВИЧ, то есть несут два аллеля этого мутантного гена, а 10 процентов несут один аллель.
«Эта модификация соответствует присутствующему в популяции варианту гена, который представляет собой возникший в процессе эволюции аллель, вариант гена без 32 букв. И в этом есть некое этическое облегчение ситуации, потому что мы не говорим, что мы создали новый аллель, новый вариант гена, который не встречается у людей. Тысячи людей совершенно естественным путем родились и живут именно с таким вариантом гена», - подчеркивает Ребриков.
---Насколько это опасно?
Методика уже опробована, но переход из лаборатории к клинической практике - совсем другое дело, и у фармацевтических компаний на это уходят годы, если не десятки лет. С чисто технической стороны дела, для обеспечения безопасности нужно быть уверенным в двух вещах: метод эффективно редактирует целевой участок ДНК, причем это происходит на статистически значимой выборке с малым процентом отказов (редактирование таргетного локуса), и при этом редактированию не подвергаются другие участки генома (нередактирование неспецифичного локуса).
«Учитывая масштабы центра, с которым работал Хэ, эту методику, скорее всего, отрабатывали три-четыре года. Набрали информацию на эмбрионах и, исходя из своих статистических данных, разрешили себе поставить подобного рода эксперимент», - предполагает Волчков.
Сама по себе генетическая терапия ВИЧ - тоже не абсолютная новость. Компания Songamo тестирует этот метод для лечения вируса, но только на соматических, «обычных» клетках, а не стволовых клетках эмбрионов. Дело дошло до клинических испытаний, а это значит, что по проблеме накоплено очень много данных. Это и данные компании, и открытые данные в научных публикациях.
«Этот ген и система таргетирования - они хорошо изучены, китайцы не вслепую это делали, они лишь перенесли эту технологию на редактирование эмбриона, а не соматических клеток», - замечает Волчков.
Однако и он не уверен в стопроцентной правильности проделанной процедуры.
«Что бы я хотел увидеть, чтобы убедиться в корректности работы? Прежде всего, это предварительные эксперименты на клеточных линиях (эмбриональных стволовых клеток). Статистически значимое количество экспериментов на эмбрионах с прерванным развитием - допустим, 25-50 случаев, где четко показывается, что редактируется таргетный ген и отсутствует или почти отсутствует неспецифическое таргетирование других аллелей, которые могли бы дать негативный вклад в состояние будущего человека. Лишь после этого можно было бы переходить к следующей фазе», - говорит Волчков.
Но, по его словам, тут возникает вопрос о правовом регулировании подобных экспериментов. «Только регулятор, в данном случае китайский аналог FDA, может установить критерий этого „почти отсутствует“. Пока нет критерия, сложно рассуждать, что допустимо, а что недопустимо», - рассуждает ученый.
«Но представим, что этот этап пройден. Дальше я бы хотел видеть испытания на животной модели. Самая близкородственная человеку модель - это человекообразная обезьяна. Если бы генетическое редактирование продемонстрировали сначала на них, а не на человеческих близнецах, это было бы более правильно, - продолжает Волчков. - Тем более, что работы в этой области уже ведутся: в этом году у китайских же ученых вышла статья в Nautre о том, что они клонировали макаку (нечеловекообразную обезьяну), и еще одна - о том, что они отредактировали ее геном».
А вот Хэ и его группа, по-видимому, не хотят тратить время на опыты над обезьянами. «То, что они пропустили эту важную стадию и перешли к экспериментам на людях, говорит не в их пользу», - заключает Волчков.
Вместе с тем, эмбриогенез человека - это высоко саморегулирующаяся система, и если в ней что-то идет не так, то эмбриональное развитие терминируется (происходит выкидыш на той или иной стадии беременности). Впрочем, этот механизм, к сожалению, работает не всегда, замечает ученый. Но если положиться на высокую вероятность его работы, это значит, что сам факт появления девочек на свет подтверждает неповрежденность их генома.
Профессор Сколтеха и университета Ратгерса Константин Северинов отмечает, что выводы о безопасности, строго говоря, можно будет делать, только доведя эксперимент до логического конца: после генетической манипуляции с яйцеклеткой должен родиться ребенок, повзрослеть, произвести на свет собственных детей, прожить более или менее нормальную жизнь. «Так было с овечкой Долли. Успех эксперимента с ней, в частности, заключался в том, что она произвела на свет еще одну овечку. Но у людей срок жизни сравним со сроком жизни исследователей. В этом смысле очень сложно поставить эксперимент, чтобы он соответствовал тому уровню доказательности, который хочется иметь перед тем, как использовать процедуру», - сказал ученый.
---Что именно сделано
28 ноября Цзянькуй Хэ выступил с докладом на GeneEdit Summit в Гонконге, где извинился за досрочную «утечку информации» и рассказал про технические детали своей работы (транскрипт доклада и слайды презентации посетители конференции выложили в Твиттере).
Итак, целью работы было внесение в жизнеспособные человеческие эмбрионы природной мутации CCR5-delta32, то есть делеции в 32 нуклеотида, которая нарушает работу гена и защищает ее носителей от заражения ВИЧ.
По словам Хэ, прежде чем редактировать человеческие эмбрионы для трансплантации, они тщательно подобрали направляющую РНК и проверили ее на нежизнеспособных эмбрионах и эмбриональных клеточных линиях. Кроме того, используя подобранную «затравку», сотрудники Хэ вырастили макаку с нужной мутацией в геноме.
Самой важной частью доклада Хэ стал анализ ДНК отредактированных близняшек. После рождения из пуповинной крови девочек выделили ДНК и полностью отсеквенировали их геномы. Кроме того, ДНК была выделена из нескольких других тканей. В результате секвенирования нецелевой активности Cas9 обнаружено не было.
Была ли достигнута заявленная цель? Последовательности белка CCR5 у обеих девочек действительно не совпадают с белком «дикого типа». Однако, судя по всему, нужной мутации (дельта-32) у них тоже нет. На представленном слайде видно, что у одной из девочек в одной копии гена появилась делеция в 15 нуклеотидов, то есть в пять аминокислот, а другая копия осталась нетронутой. Таким образом, белок CCR5 лишился небольшого кусочка, но все еще может быть функциональным.
У ее сестры оказались затронуты обе копии гена - в одной из них небольшая делеция в четыре нуклеотида, а в другой однонуклеотидная вставка. Белок в обоих случаях будет укороченным, но как это повлияет на устойчивость к вирусу, непонятно.
Последовательности CCR5 девочек указывают на то, что редактирование достигло цели лишь частично - направляющая РНК сработала, белок Cas9 внес разрез, но клеточные системы репарации, вместо того чтобы воспользоваться нужной «заплаткой», залечили разрез без всякого разбора. Кроме того, обе девочки, судя по всему, получились «мозаиками», то есть некоторая часть клеток у них осталась неотредактированной.
С этими проблемами ученые сталкивались во всех опубликованных статьях, посвященных редактированию человеческих эмбрионов, и результат первого эксперимента на людях подтверждает: как бы ни было интересно проверить прорывную технологию «в бою», для свершения революции она все же еще недостаточно отработана.
---А это этично?
Эксперты считают, что нет. Причем сразу по нескольким причинам.
По словам доцента кафедры культурологии и социальной коммуникации Российской академии народного хозяйства и государственной службы (РАНХиГС) Оксаны Мороз, существуют два подхода, обосновывающие моральность тех или иных поступков, - деонтология и консеквенциализм.
«Деонтология предлагает принимать решение о моральности на основе принятых в обществе правил. Если мы следуем правилам, то поступаем морально, если нет - то безнравственно. Вся история о том, что экспериментировать с эмбрионами и не уничтожать их после определенного срока - это безнравственный поступок, хорошо укладывается в рамки деонтологического подхода. Консеквенциализм осуществляет оценку моральности действия через его результат. Если последствия хорошие, полезные - значит, это хорошо. И именно к этому подходу апеллирует китайский ученый. Неважно, как бы говорит он, что я исходил из моральных предпосылок, принимаемых не всеми. Важно, что последствия моих действий будут замечательные», - поясняет рамку обсуждения Оксана Мороз.
Но вопрос о глобальных последствиях в данном случае выходит за рамки беспокойства о здоровье конкретных людей. Речь идет о целостности генетической базы человеческой популяции, отмечает ученый.
«Когда мы редактируем геном и как бы конструируем нового человека, мы не можем быть уверены, что отредактировали именно то, что нуждалось в ремонте, и не повредили чего-то другого, важного в долгосрочной перспективе. На первый взгляд, вреда от таких манипуляций вроде бы нет, но поскольку лонгитьюдные данные отсутствуют, мы не можем судить, насколько наше вмешательство в геном помогает только лишь излечивать и не наносит никакой отложенный вред. Ведь в будущем эти генетически модифицированные люди попадут в объем генетического материала человечества, сами станут родителями. И не исключено, что наше вторжение в общее генетическое пространство может иметь отложенный эффект», - отмечает Мороз.
Кроме того, есть еще вопрос об информированном согласии родителей. Сам Хэ уже заявил, что люди, которых он подверг этому эксперименту (родители близняшек), знали, на что идут. Но и на этот счет есть сомнения. «На бумаге у него зафиксировано, что он проводит эксперимент по терапии ВИЧ, и только в устном порядке он сказал родителям, что именно планирует делать. И большой вопрос, насколько люди, далекие от генетики, могли понять суть его действий», - говорит ученый.
Беспокойство вызывает и потенциальная проблема элитизма.
«Мы можем исходить из того, что мы вылечим всех - еще на стадии эмбрионального развития, когда будущие люди еще ничего не чувствуют и не страдают. Но если наша технология будет внедрена и выпущена на рынок, то, скорее всего, она будет доступна не всем. И тогда в обществе появятся некие X-men, возникнет новый тип неравенства - не социального и не физиологического, доставшегося от рождения, а неравенство на основе искусственно сделанной физиологии, - рассуждает Оксана Мороз. - И не очень понятно, как мы будем с этим справляться, ведь мы уже сейчас с трудом справляемся с тем, что есть гендерное разнообразие и третий пол. Насколько общество готово к появлению персонажей с особенностями такого типа?»
Наконец, это эксперимент на людях.
«Ученый хочет похвалы, но не думает о том, что в результате его действий на свет появятся живые люди, которые будут думать, и чувствовать, и понимать, что они родились в результате эксперимента. Это история про чудищ Франкенштейна, которые создаются, а потом мучаются тем, что они плод гордыни человеческой. Тут переплетаются религиозные и нравственные факторы, которые ставят под вопрос легитимность таких действий. Не случайно китайские институции дистанцировались от этой работы», - отмечает эксперт.
Впрочем, Денис Ребриков из РНИМУ говорит, что о проблеме появления в результате генетического редактирования «сверхлюдей» думать еще рано. Пока во всех случаях генетическая модификация эмбрионов ограничивалась только теми генетическими вариантами, которые уже есть в популяции. «Мы знаем, что есть люди с делецией в гене CCR5, их довольно много в Северной Европе, что это не та мутация, которая влечет за собой тяжелые последствия. Никто пока не собирается вставлять в человеческий геном какие-то буквы, которых в нем не бывает», - пояснил он.
Ребриков подчеркивает, что в подобных экспериментах должно проводиться секвенирование геномов обоих родителей и генома получившегося эмбриона до его переноса будущей матери. В этом случае можно быть уверенным, что были изменены только запланированные участки ДНК и никакие другие генетические изменения не произошли.
---Это запрещено?
Здесь мы переходим к деонтологическому подходу обеспечения моральности.
«Речь идет о сфере со слабо развитым правовым регулированием. Оно аккумулируется вокруг запретов и ограничений, однако нормы процедурного характера, позволяющие позитивно решать те или иные вопросы, минимальны», - считает Пауль Калиниченко из МГЮА.
Именно поэтому такие эксперименты в большей степени возможны в странах Юго-Восточной Азии, где регулирование в этой сфере слабее, чем в Европе или в США. В Европе этические барьеры глубоко внедрены в правовую практику, поэтому рассматриваемый кейс попадает в более широкую категорию - «опыты над людьми». Они категорически запрещены, и это исторически предопределено. «В Европе это относится к евгеническим исследованиям, а в ЕС евгеника запрещена вообще, даже позитивная евгеника. Поэтому там такие работы невозможны», - заключает эксперт.
Особняком в этом ряду стоит Великобритания. Там работы по редактированию генома эмбрионов были разрешены в 2016 году вслед за Китаем - конечно, под надзором этических и исследовательских комиссий.
«В США ситуация помягче, но и она не говорит о том, что американцы прямо сейчас могут позволить себе подобные эксперименты. Там закон разнится от штата к штату, и все равно правовое регулирование до конца не сложилось. Кроме того, американский подход - он, скажем так, практикоориентированный. Некий пробел в законодательстве закладывается специально, чтобы не препятствовать работе индустрии там, где есть коммерческий потенциал. Полноценное регулирование отложено на потом: если что-то пойдет не так, то они этим займутся. А пока все безобидно, пусть развивается», - поясняет Калиниченко.
Этот подход можно усмотреть и в нормах регулирования работ с эмбриональными стволовыми клетками: ограничения распространяются только на исследования, получающие федеральное финансирование.
«Китай - государство неправовое, поэтому смысл и цели политики государства понять до конца невозможно. Она утилитарна по своим целям и задачам, то есть подчиняется задачам КПК. Но что важно - китайские власти поддерживают научные исследования, выделяют гигантские деньги, чтобы перекупить ученых, создать условия для их деятельности. Видимо, для них важен результат и этим может объясняться некая либеральность законодательства. То есть те послабления, которые делают китайцы, служат целям науки, а не бизнеса. Если дело дойдет до клинической практики, либерализация законов может быстро смениться жестким регулированием», - отмечает ученый.
В России же регулирование в этой области спущено на локальный уровень. Многое здесь определяется на основании существующей практики и норм конкретных учреждений, не подчиняется никаким жестким циркулярам. Оценить, хорошо это или плохо, эксперт не берется, но призывает к усовершенствованию российской правовой действительности на основе объективного анализа потребностей в том числе научной работы.
---Скоро ли подобные операции станут обыденными?
Судя по всему, не так и важно, родились ли генетически отредактированные младенцы именно сейчас. Если этого еще и не произошло, то может произойти в любой момент, причем произойдет обязательно.
«То, что это будет сделано, - лишь вопрос времени. Будет ли это Хэ или кто-то другой, неважно. Есть такое выражение: it’s not a question of if, but when, - „вопрос не в том, случится ли это, вопрос в том, когда это произойдет“. Я думаю, человеку, который это сделает первым и добьется успеха, поначалу придется очень трудно. Но потом его будут носить на руках», - заключает Константин Северинов.
Александра Борисова, Дарья Спасская
---------------------
Российский генетик хочет изменить ДНК ребенка. Будущее или скандал?
Радио Свобода
Сергей Добрынин
28 Июнь 2019 / Общество
Российский генетик Денис Ребриков заявил, что готов провести опасный эксперимент: создать ребенка с искусственно отредактированными генами, которые будут передаваться из поколения в поколение. Предыдущий опыт такого рода провел китайский ученый Хэ Цзянкуй, нарушив тем самым неформальный общемировой мораторий и моментально став персоной нон грата в научном мире. Ребрикова это не пугает, он считает, что человечество все равно придет к генетически модифицированным детям, а сам он "достаточно сумасшедший", чтобы сделать этот шаг уже сейчас. В мире разгорается новый скандал: может быть, Россия - такой же научный "Дикий Запад", как и Китай, и от нее можно ждать чего угодно? Впрочем, остается надежда, что Денис Ребриков просто блефует.
---Лулу и Нана
В конце ноября 2018 года стало известно о событии, которого человечество ждало уже несколько десятков лет, некоторые - с надеждой, но большинство - с ужасом. В Китае родились первые в истории дети с искусственно измененным генетическим кодом, девочки-близнецы, известные только под псевдонимами - Лулу и Нана. Об их родителях известно только одно: отец девочек имеет положительный ВИЧ-статус, теоретически инфекция могла передаться детям во время зачатия вместе с зараженной спермой. Генетик Хэ Цзянкуй с помощью метода генной инженерии CRISPR-Cas9 отредактировал в оплодотворенных в пробирке яйцеклетках ген CCR5 - он отвечает за производство белка, который позволяет вирусу проникать в клетку. Таким образом, Хэ гипотетически сделал будущих Лулу и Нану устойчивыми к ВИЧ.
Технология CRISPR-Cas9 совершила революцию в генетике в середине 2010-х: относительно недорогой и сравнительно точный инструмент фактически поставил генетические модификации на поток - впрочем, в основном в исследовательских целях и применительно к бактериям, растениям и животным. CRISPR-Cas9 позволяет найти в нити ДНК нужное место по шаблону и сделать там разрез - затем молекула снова срастется благодаря биологическому механизму "починки". Это позволяет редактировать геном практически побуквенно, впрочем, нужно иметь в виду, что, во-первых, далеко не каждая попытка заканчивается успехом, во-вторых, CRISPR не исключает случайных изменений генетического кода в других местах (это называется off-target-мутациями) и незапланированных изменений внутри целевого участка (это называется on-target-мутациями). В последнее время у ученых возникает все больше сомнений, что CRISP-Cas9 так уж хорош.
Представьте, что вы редактируете текст на компьютере: вам нужно исправить одну букву в одной очень важной фамилии на десятой странице, возможно, это вопрос жизни и смерти, но одновременно вы случайно меняете несколько букв в словах на 3-й, 7-й странице (off-target), а в нужной фамилии меняются не одна буква, а две (on-target). А потом этот текст с новыми ошибками печатают тиражом в десятки триллионов экземпляров (получается организм), более того, через несколько лет часть текста копируется в новый текст, который вновь размножается - и ошибки передаются из поколения в поколение. Не слишком ли высокая цена за исправление ошибки в одной фамилии, пусть и очень важной?
И все-таки CRISPR как инструмент генетического редактирования намного точнее всего, что было известно человечеству до этого. Off-target во многих случаях не так уж важны (далеко не весь текст генома существенным образом влияет на биологические свойства организма), а on-target-ошибки можно вовремя заметить и не печатать тираж. При этом потенциальная возможность исправить в геноме участки, приводящие к опасным наследственным болезням или к повышенному риску заболеть уже при жизни, очень привлекательна. Очевидно, Хэ не сумел справиться с соблазном применить инструмент не к лабораторным мышам и бактериям, а к человеку, несмотря на существующий в мире консенсус, что время для этого еще не пришло, технологии недостаточно совершенны, а биологические и этические риски несоразмерны непосредственной пользе.
Лулу и Нана могли родиться совершенно здоровыми и без генетического вмешательства. Во-первых, инфекция отца передается плоду в очень редких случаях, во-вторых, если воспользоваться процедурой ЭКО, то сперму перед зачатием можно "очистить" от вирусов, и тогда риск становится нулевым. С другой стороны, редактирование гена CCR5 не гарантирует устойчивости к ВИЧ: вирус способен попасть в клетку и через другие рецепторы. Наконец, как признал сам Хэ, Лулу и Нана родились с так называемым мозаицизмом, то есть только часть их клеток несут отредактированные копии гена, тогда как остальные обладают геномом без всяких изменений. Другими словами, эксперимент Хэ: (1) не был необходим по медицинским показателям ни родителям девочек, ни другим парам в такой же ситуации, (2) в любом случае не гарантировал защиту детей от ВИЧ и (3) прошел неудачно, хотя, если верить Хэ, и без вреда здоровью близнецов. На другой чаше весов - (а) неизвестные последствия возможных off-target-мутаций Лулу и Наны, которые могут проявиться в любой момент их жизни и передаться по наследству их родственникам, и (б) открытый ящик Пандоры.
---"Я никого не боюсь"
Незадолго до сообщения о рождении Лулу и Наны, в октябре 2018 года, в "Вестнике Российского государственного медицинского университета (РГМУ)", далеко не самом престижном научном журнале, вышла небольшая заметка. Речь в ней шла об эксперименте, очень похожем на работу доктора Хэ: о делеции (удалении) участка гена CCR5 с помощью технологии CRISPR-Cas9 в эмбрионах человека. На статью не обратили большого внимания: модификация человеческих оплодотворенных яйцеклеток без дальнейшей подсадки матери и развития плода - дело достаточно обычное (и этически сомнительное, хотя в работе и подчеркивается, что выбранные для опыта яйцеклетки были непригодны для ЭКО), да и уровень журнала сыграл свою роль.
Бомба разорвалась семь месяцев спустя, когда ключевой автор статьи, проректор РГМУ и научный сотрудник Центра акушерства и гинекологии им. Кулакова Денис Ребриков заявил журналу Nature, что планирует пойти в своем эксперименте дальше - создать генетически модифицированных детей, может быть, уже к концу 2019 года. Хэ Цзянкуй держал свои опыты в строжайшем секрете даже от собственного университетского начальства и рассказал о них только после "успеха" - рождения Лулу и Наны. Ребриков открыто анонсирует если не конкретный план, то готовность вмешаться в геном человека, который будет передаваться из поколения в поколение. Российский ученый знает об остракизме, которому подвергся Хэ, и считает, что "хайп" вокруг спорной темы даже поможет работе, например, привлечет интерес авторитетных научных журналов к дальнейшим публикациям научной группы. "Я никого не боюсь", - сказал Ребриков в интервью Радио Свобода.
---Полезно нулю пациентов
Критика Хэ - а он фактически превратился в объект остракизма, сложно назвать хотя бы одного ученого в мире, в том числе в Китае, который бы отозвался положительно о его эксперименте, - обусловлена не только самим фактом вмешательства в "зародышевую линию", то есть передающийся по наследству генетический код человека, но и тем, что в его действиях не было никакой медицинской пользы.
Хэ искал потенциальных участников эксперимента через группу помощи ВИЧ-инфицированным под названием Baihualin (BHL) China League и за очень короткое время сумел рекрутировать более 200 пар - так что поиски пришлось свернуть даже раньше, чем планировалось. Однако есть важное обстоятельство, которое нужно учитывать: процедура ЭКО - оплодотворения "в пробирке", которое широко применяется для пар, которые испытывают проблемы с зачатием естественным путем, - малодоступна в Китае. На 7,5 миллиона человек там приходится всего одна ЭКО-клиника, стоимость процедуры составляет в среднем порядка 16 тысяч долларов (в России она доступна по ОМС, но даже в платной московской клинике обходится примерно в 2-3 тысячи долларов), "очистка" спермы - еще 20 тысяч долларов. Кроме того, если верить китайскому изданию Caixin Global, вич-положительным гражданам КНР вообще запрещено использовать ЭКО.
Возможно, многие пары, согласившиеся на эксперимент Хэ, видели в этом единственную возможность зачать ребенка в принципе. Из примерно двухсот пар по медицинским показаниям были выбраны восемь, и одна из них в итоге отказалась от участия. Мужчина из этой пары рассказал журналистам, что они с женой толком не понимали условия эксперимента и изначально согласились главным образом потому, что не могли позволить себе процедуру ЭКО.
Денис Ребриков подчеркивает, что идея его эксперимента - иначе говоря, клинической модели, - хотя и связана с модификацией того же гена, но во многом отличается. Он планирует найти пару, в которой мужчина не инфицирован, а женщина имеет положительный ВИЧ-статус и к тому же не реагирует на антивирусную терапию (АВТ). Передача инфекции от матери к плоду намного более вероятна, чем от отца, но при хорошей реакции на терапию этот риск практически исключается - по словам Ребрикова, он составляет от 0,5 до 0,8 процента. А вот если есть резистентность к терапии, вероятность заражения ребенка возрастает. Проблема в том, что таких женщин очень мало.
По данным Ребрикова, в России в среднем одна ВИЧ-положительная женщина из 30-50 тысяч пациентов слабо реагирует на АВТ, то есть всего в стране таких может быть порядка 30 человек. Но этого мало: "Должно совпасть много факторов: женщина должна быть в репродуктивном возрасте, должна хотеть ребенка, причем не хочет использовать суррогатное материнство, которое решило бы для нее проблему. Плюс она должна вообще успешно пройти через ЭКО, потому что для ВИЧ-инфицированных ЭКО идет хуже, чем в среднем". Останется в лучшем случае всего несколько человек, а среди них еще нужно найти согласного на неоднозначный и рискованный эксперимент. Ребриков соглашается, что число потенциальных участников исследования "близко к нулю", но почему-то настроен оптимистично. Возможно, у него уже просто есть давшая согласие пара? Исследователь отмахивается: "Мы работаем над этим". Возможно, российский ученый просто блефует и всерьез не надеется создавать генетически модифицированных детей.
Очевидно, клиническая модель Ребрикова не так уж превосходит модель Хэ: потенциальных благополучателей - единицы. Почему не взять для эксперимента людей, у которых высок риск передать детям опасное для жизни наследственное заболевание, которое обусловлено мутацией в одном гене (чем меньше придется редактировать, тем меньше риск наделать ошибок)? Ведь спасение жизни даже с помощью рискованной технологии выглядит намного убедительнее. Ученый приводит два аргумента. Во-первых, носителей орфанных (редких) наследственных болезней очень мало. Во-вторых, даже если оба родителя являются носителями опасной мутации, среди их оплодотворенных яйцеклеток могут быть нормальные. "Мы на ЭКО делаем ПГС - преимплантационный генетический скрининг. И на этом анализе отбираем здоровый эмбрион. Все! Проблем нет! Даже внутри научного сообщества некоторые люди недопонимают, что технология геномного редактирования в данном случае вообще не нужна", - говорит Ребриков.
Этот метод не сработает только в одном случае - когда оба родителя имеют мутацию одного и того же гена на обеих аллелях (то есть в двух копиях), тогда и все их дети будут носителями этой же мутации и тоже на обеих аллелях. Такая ситуация встречается достаточно редко, как минимум потому, что оба родителя, страдающие от одного и того же тяжелого наследственного заболевания, должны дожить до репродуктивного возраста и пожелать завести детей друг с другом.
Ребриков говорит, что его команда ищет такие кейсы, например, через Всероссийское общество глухих - в некоторых случаях глухота определяется одним геном, при этом неслышащие люди часто заводят семьи внутри своего сообщества, так что у ученых есть шанс найти среди них пару, которой генетическое редактирование предоставит единственную возможность родить ребенка с нормальным слухом. Но поиски пока успехом не увенчались. "Идеальный кейс для меня - это когда есть достаточно серьезная "моногенка" с тяжелыми последствиями для качества жизни, к которым безусловно относится глухота, и при этом мы точно понимаем, что у этих людей дети, 100 процентов эмбрионов будут с нарушениями, нет вероятности отобрать здорового на скрининге никакой! Но таких мы не нашли".
Российский исследователь откровенно признает, что его клиническая модель - пара из здорового мужчины и ВИЧ-положительной женщины, не реагирующей на АВТ, - "единственный кейс, [который] можно хоть как-то за уши притянуть к целесообразности применения такого редактирования".
---Пять вопросов
Предположим, уникальная женщина, то есть ВИЧ-инфицированная, не отвечающая на АВТ, способная и готовая иметь детей, но не согласная на суррогатное материнство, найдется. Какие вопросы и сомнения должны возникнуть у этой женщины - да и у всего человечества?
1) Если генетическая модификация пройдет успешно и родится здоровый ребенок (дети) с отредактированной копией гена CCR5 на обеих аллелях, будут ли они защищены от ВИЧ?
Не обязательно. Ребриков предполагает удалить из гена CCR5 определенную последовательность из 32 "букв" - нуклеотидов, это мутация, которая встречается естественным образом, особенно часто у евреев-ашкеназов и венгерских цыган, хотя, вообще говоря, в любой популяции. Исследования показали, что мутация в обеих копиях CCR5 снижает риск заразиться в 17 раз, но все-таки не до нуля. Дело в том, что некоторые формы вируса ВИЧ могут попасть в клетку без помощи белка, который кодирует CCR5, - есть еще один открывающий инфекции дорогу рецептор, за работу которого отвечает ген, имеющий другие важные функции в организме, то есть “отключить” еще и его нельзя.
2) Ген CCR5 вряд ли нужен только для того, чтобы помогать ВИЧ проникать в клетку. Если его "испортить", не испортится ли в организме что-то еще?
И да, и нет. Носители двух дефектных копий CCR5 хуже переносят лихорадку Западного Нила, у них выше смертность при гриппе. В то же время есть исследования, которые связывают мутацию CCR5 с улучшением когнитивных способностей, возможно, она также отчасти защищает от некоторых редких аутоиммунных болезней. Наконец, статистика, собранная более чем на 400 тысячах добровольцев, показала, что у носителей двух дефектных копий генов на 20 процентов меньше шансов дожить до 76 лет.
Генетик Гаэтан Бурджио из Австралийского национального университета, один из ведущих специалистов в мире по генетическим модификациям и CRISPR-Cas9, написал в комментарии для Радио Свобода, что не видит никакой медицинской пользы в создании искусственных мутаций в зародышевой линии гена CCR5. "Это может защитить от ВИЧ, но одновременно повышает риск других инфекций. К тому же, хотя мы знаем достаточно много о роли CCR5 в проникновении ВИЧ в клетку, нам известно очень мало о том, как его мутация влияет на метаболизм, фертильность и так далее, то есть все эти функции могут оказаться под ударом".
3) Насколько велики шансы, что редактирование генома пройдет с ошибкой и это выяснится только после рождения ребенка, может быть, через много лет?
Этот вопрос, конечно, самый важный. Начать стоит с того, что на 100 процентов удостовериться, что редактирование прошло успешно, до рождения ребенка невозможно. После того, как оплодотворенная яйцеклетка подвергается модификации с помощью CRISPR-Cas9, ей, прежде чем подсаживать матери, дают вырасти в пробирке в эмбриона, состоящего примерно из 250 клеток. От него без особой угрозы для здоровья плода можно "отщипнуть" только небольшой кусочек из нескольких клеток, секвенировать, то есть расшифровать их ДНК и убедиться, что изменения произошли в правильных местах и только в них. Но при использовании CRISPR нередко возникает так называемый генетический мозаицизм (как это произошло в эксперименте Хэ). Система CRISPR-Cas9, а фактически это специально подготовленное вещество, которым обрабатывают клетку, не успевает "подействовать" на нее до первого деления или действует только частично, например, только на одну аллель. В итоге часть клеток эмбриона несут одну генетическую информацию, часть - другую. Проверенный кусочек, взятый при биопсии, может состоять из "правильных" клеток, а все остальное - из неправильных, в которых модификация не сработала, сработала не полностью или, что еще хуже, сработала не так, как надо.
Ребриков соглашается, что исключить эти риски невозможно: "Я не спорю, мы никогда не гарантируем, что мы все проверили. У нас, к сожалению, метод [полной] проверки убивает объект исследования". Сейчас его лаборатория ведет опыты с человеческими эмбрионами без дальнейшего развития плода - и их по достижении размера в 250 клеток можно секвенировать и проверить полностью. Ученый утверждает, что процент успеха - то есть тех эмбрионов, в которых нет мозаицизма, произошла корректная модификация обеих копий CCR5 во всех клетках и нет других попутных мутаций, - чуть больше половины. Улучшая компоненты системы CRISPR-Cas9 и накапливая опыт, Ребриков надеется этот процент значительно улучшить - и только потом переходить к клиническому исследованию.
"Грубо говоря, когда я пойду получать разрешение на клиническое применение, я должен предоставить документы, из которых следует, что в таких экспериментальных проверках у меня, например, 90 процентов успеха", - рассуждает он. Но почему 90, а не 99 или 99,99999, кто это определяет? "Никто", - отвечает Ребриков. Никаких официальных регламентов для этого в России не существует, их придется разрабатывать, возможно, специально под Ребрикова, не исключено, что при его активном участии. И даже самый строгий регламент не сможет гарантировать, что при реальном клиническом эксперименте модифицированный плод не будет иметь мозаицизма, on-target и off-target-мутаций, которые достанутся и будущим поколениям.
"Насколько я знаю, метод, который Ребриков предлагает для проверки off-target-мутаций, нельзя назвать новым или более совершенным по сравнению с теми, что уже существуют, - считает Гаэтан Бурджио. - Даже если вы сравниваете результат с геномами родителей и экспериментируете на большом количестве яйцеклеток, это повышает шансы обнаружить off-target-мутации, но какие-то можно пропустить все равно. Другая проблема в том, что избежать мозаицизма и on-target мутаций еще сложнее. Когда мы экспериментируем на мышах, это не так страшно, но прежде, чем переходить к экспериментам на людях, мы должны тщательно проверить, что технология эффективна и безопасна".
Бурджио ставит под сомнение, что Ребрикову действительно удалось достичь успеха более чем в половине экспериментов над человеческими эмбрионами и что показатель в 90 процентов достижим в ближайшее время. По его словам, метод, который группа российского ученого использовала для проверки, недостаточно эффективно определяет on-target-мутации и мозаицизм. "Моя лаборатория имеет огромный опыт редактирования генов, отвечающих за различные заболевания мышей. Нам никогда не удавалось достичь такого уровня успеха [выше 50 процентов], и, судя по проведенному нами обзору опубликованных результатов исследований более чем 20 лабораторий со всего мира, процент успеха при генетической модификации мышей колеблется между 5 и 30 процентами. Так что я сильно сомневаюсь, что уровень в 90 процентов сегодня достижим, и поставил бы под серьезное сомнение методологию обнаружения неудачных случаев", - настаивает Бурджио.
4) Что делать, если ребенок родится с генетическими нарушениями?
Этот же вопрос задавала исследователям из группы доктора Хэ китайская семья, в итоге отказавшаяся от участия в эксперименте. Ученые, как утверждает мужчина из этой пары, на словах заявили, что "помогут решить проблему", причем в китайском языке была использована формулировка, которая может читаться и как "помогут избавиться от проблемы". При этом в тексте так называемого информированного согласия - подробного документа, имеющего юридическую силу, который подписывают участники медицинских экспериментов, - было указано, что ни Хэ, ни связанные с ним институции никакой ответственности не несут.
Денис Ребриков пока текст будущего информированного согласия не составлял, но говорит, что и в нем будет сходная формулировка. "Такие вещи, как кто несет ответственность, должны быть прописаны в законе, - считает он. - А клинике зачем брать на себя лишнее обременение? Это в принципе давно придумано: вот существует определенный процент "побочек" у таблеток, индивидуальных реакций на препарат. Это тот же самый юридический кейс. Вот аспирин прошел множество проверок, но может быть такое, что человек его принял и умер. Здесь то же самое".
5) Насколько это легально?
Хэ проводил свой эксперимент втайне от руководства университета и клиники, во всяком случае так говорят их представители. Он нарушил существующий в Китае с 2003 года регламент, ограничивающий генетические модификации человеческих эмбрионов, но нарушение не предполагает никакого наказания. Законодательство в этой области в КНР еще не полностью отрегулировано - как, например, и в России. Только в мае 2019 года китайские власти начали рассматривать пакет законов, который обяжет исследователей, ведущих эксперименты с генетическим редактированием человеческих эмбрионов и людей, нести полную ответственность за последствия. Видимо, как раз такого рода закон и имеет в виду Ребриков, рассуждая об информированном согласии.
В российских законах нет прямого запрета на генетическую модификацию зародышевой линии, хотя генетические эксперименты в принципе находятся под серьезными ограничениями. Ребриков не планирует пользоваться "слепым пятном" в регуляциях: он собирается обратиться за прямым разрешением на эксперимент в Минздрав РФ и другие инстанции и надеется, что рассмотрение вопроса может занять несколько месяцев и окончиться положительным с точки зрения ученого решением. "Россия сейчас, мне кажется, - хорошее место для экспериментов такого рода. Она не очень свободна в политическом смысле, но очень свободна в научном", - заявил Денис Ребриков в интервью журналу Science.
"Наверное, мой месседж [заявление в журнале Nature о готовности создать генетически модифицированных детей] был направлен даже не столько американцам, им мне нечего сказать, сколько нашим - и людям, и руководству. Что мы, в принципе, готовы к тому, чтобы такие технологии применять. Ведь как устроено сознание российского руководства, не всегда, но отчасти? Что они впереди планеты всей, этот Запад, - а мы тут что-то, наверное, где-то не умеем делать, как они. На самом деле - умеем", - сказал Ребриков Радио Свобода.
Даже если российский ученый добьется формального разрешения от российских властей, своим экспериментом он нарушит договоренность, достигнутую мировым научным сообществом. В 2015 году организационный комитет Международного саммита по модификации человеческих генов выпустил заявление, которому предшествовало бурное обсуждение, продлившееся три дня. В тексте указан ряд критериев, которые должны быть выполнены, прежде чем ученые смогут перейти к модификации зародышевой линии, то есть генов будущих поколений. Это безусловная уверенность в отсутствии долговременных рисков применения технологии и достижение общественного консенсуса по этичности и уместности генетического редактирования детей. Ученые отметили, что пока ни один из этих критериев не достигнут.
---Будущее или безответственность?
С Денисом Ребриковым мы разговариваем в его проректорском (вход, как полагается, через комнату секретаря) кабинете в здании РГМУ на юго-западе Москвы. Ему недавно исполнилось 43 года, кроме биохимического образования и докторской степени по генетике, он получил степень MBA в Высшей школе экономики и много лет занимается не только наукой и преподаванием, но и с 2003 года работает директором по науке в биохимической компании "ДНК Технологии". Возможно, именно благодаря "стартаперскому" опыту Ребриков легко соглашается на интервью, хотя и говорит, что "немного устал в последнее время от журналистов", - и умеет продать свою идею. Соседний с РГМУ комплекс зданий - Центр акушерства и гинекологии имени Кулакова, в который входит одна из крупнейших в России клиник ЭКО (проводит более 10 тысяч процедур в год) и крупный родильный дом, в котором, кстати, недавно родила мальчиков-близнецов Алина Кабаева.
Ребриков считает, что находится в уникальной ситуации: пациенты клиники ЭКО очень часто готовы предоставить "лишние" яйцеклетки и сперму для научных целей, с готовностью подписывая документы о согласии. Во многих случаях исследователям удается получить и секвенированный геном обоих родителей, а это позволяет сравнить ДНК модифицированного эмбриона с тем, каким он должен был бы получиться без внешнего вмешательства, причем сравнить, утверждает Ребриков, точнее, чем способны другие лаборатории. "У нас сложилась уникальная ситуация: мы можем работать с богатым отказным биоматериалом, у нас есть технологии для того, чтобы секвенировать полный геном, технологии, чтобы вносить изменения, и проверка хорошо налажена, то есть совпал набор инструментов, который в данном конкретном месте, на стыке науки и медицины выглядит неплохо". Звучит убедительно: если есть уникальное богатство материала для того, чтобы проводить пробирочные эксперименты (причем именно на человеческих эмбрионах), набираться опыта, оттачивать инструменты - может быть, это действительно основа для перехода к клиническим исследованиям? Впрочем, пока группа Ребрикова провела не тысячи и даже не сотни опытов in vitro, а всего пятьдесят.
Екатерина Померанцева, врач-генетик и медицинский директор ЦГРМ "Генетико", в интервью изданию Forbes предположила, что заявления Дениса Ребрикова в Nature о намерении довести эксперименты над эмбрионами до клинических испытаний "сделаны ради хайпа" (Ребриков в комментарии Радио Свобода заявил, что не является инициатором заметки в Nature). Она отметила неубедительность предложенной клинической модели и предположила, что российские ученые вряд ли занимают ведущие позиции в мире по поиску незапланированных мутаций. "Технология не готова, клинической модели, не вызывающей нареканий, нет - так зачем? И знаете, что самое обидное? Технология "будет готова" вот уже совсем скоро, но из-за таких торопливых, хайповых публикаций может быть введен полный запрет на редактирование клеток зародышевой линии. Снять такой запрет потом будет очень нелегко, и все исследования прервутся на многие годы", - сказала Померанцева Forbes.
Ребриков заявил Радио Свобода, что не стремится к известности: "Если мы покажем безопасность подхода, то я бы очень даже был не против сделать такой эксперимент. Технологию надо продвигать в клиническую практику не чтобы хайпануть (меня такая известность напрягает), не чтобы показать, что наша страна впереди планеты всей, а чтобы эта технология быстрее двигалась к практическому применению в здравоохранении, в медицине". Он приводит пример с ЭКО: несколько десятков лет идея оплодотворения “в пробирке” вызывала много вопросов, но постепенно вошла в широкую практику и стала казаться обыденной. "Так происходит с любой новой технологией. Когда появились микроволновки, говорили: "Не покупайте, будет рак мозга". Появились телефоны: "Не покупайте, будет рак мозга". Народ консервативен - и это правильно. Популяция должна быть консервативной. Мы потихонечку будем двигаться в этом направлении. Через какое-то время люди скажут: "Ну да, хорошо работает. Нормально", - надеется Ребриков.
Потенциал у генетических модификаций зародышевой линии действительно есть. Он может быть связан не только с лечением наследственных моногенетических заболеваний (где почти всегда можно найти другие, более консервативные методы), но и, например, со снижением у детей риска развития онкологических заболеваний, который нередко определяется наследственностью. "Со временем редактирование зародышевой линии может принести медицине пользу - в тех случаях, когда нельзя использовать уже существующие методы. Но сегодня таких случаев просто нет, - настаивает Гаэтан Бурджио. - Технология CRISPR-Cas9 еще далеко не совершенна и ее рано использовать для модификации людей. Пользы практически нет, а риски очень велики".
Если генетический инжениринг по отношению к людям войдет, как надеется Ребриков, в широкую практику, сложно рассчитывать, что это ограничится только медициной. В мире, где ученые готовы идти на рискованные эксперименты вопреки общим договоренностям, найдутся люди, которые захотят создавать "дизайнерских", то есть генетически улучшенных детей с определенными внешними качествами, повышенными интеллектуальными и генетическими способностями. Такая перспектива пугает даже доктора Хэ. А вот Дениса Ребрикова, кажется, нет: "Вообще-то такой инструмент делает людей более равными. Сегодня генетика - как вышло, так вышло. И все люди разные. Мы такие потому, что в нас такие гены. Я как генетик в это абсолютно верю: все способности, в том числе IQ, определяются в очень существенной степени генетикой. Сейчас люди генетически все разные. Этот инструмент [редактирования генов] - как кольт: он всех уравняет".
В заметке, опубликованной Денисом Ребриковым и группой его соавторов в малоизвестном "Вестнике РГМУ", ничего не говорится о планах рождения генетически модифицированных людей. Эта идея впервые прозвучала в интервью ученого журналу Nature в июне 2019 года. и что стоит за словами Ребрикова - настоящее желание пойти по пути Хэ или погоня за сенсацией, - сказать сложно. Авторитетные мировые генетики, например, одна из создательниц технологии CRISPR-Cas9 Дженнифер Дудна, назвали их безответственными, тревожными и внушающими страх.
"Честно говоря, мне обидно, что эта новость выставляет российскую науку как пример чего-то опасно-неконтролируемого. Если запрета нет, то все дозволено. И так про Россию есть устойчивый миф, будто у нас тут медведи по улицам с балалайками бродят и отнимают водку у грудных младенцев. Так теперь эти младенцы еще и генно-модифицированные", - сказала Елена Померанцева в интервью журналу "Форбс".
Доктор Хэ Цзянкуй уволен из университета, против него ведется расследование, ему могут угрожать уголовные обвинения, он стал персоной нон грата в мировом научном сообществе. У Дениса Ребрикова все еще есть выбор.
---------------------
Как еда влияет на культуру и наше настроение? Интервью с наркологом и биохимиком Яковом Маршаком
Журнал «Нож»
Нестор Пилявский
11 июля 2019 / Популярное
У человека есть зависимости: естественные (например, от еды) и патологические (например, от вредной еды или от наркотиков). О том, как зависимости и инстинкты связаны с биохимией и религией, «Нож» поговорил с Яковом Маршаком - известным наркологом, биохимиком, йогатерапевтом и внуком знаменитого советского писателя Самуила Маршака.
- В прошлом году в России запретили ибогаин - алкалоид африканского растения ибога, который имеет психоделические свойства и, что удивительно, успешно применяется для лечения тяжелых наркотических зависимостей. Пока не очень ясно, как работает это вещество, но ученые зафиксировали, что оно влияет на те области мозга, которые отвечают за зависимость, и оно может препятствовать возникновению абстинентного синдрома. Применяли ли вы ибогаин и что вам известно о таких опытах и исследованиях?
- Я знаю, что в Майами одна врач, Дебора Меш, добилась разрешения у FDA (Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) на применение ибогаина и успешно использует его. Я знаю также, что у нас в России, по крайней мере в одной клинике под Казанью, до запрещения осуществлялась ибогаиновая терапия. У них было порядка десяти успешных опытов. Я бы тоже, конечно, хотел попробовать. Но у меня были определенные опасения, потому что известно, что не для всех этот опыт проходит удачно.
- Ибогаин называют кардиотоксичным. Согласно некоторым данным, он может быть опасен для людей со слабым сердцем.
- Дело тут не в слабости сердечной мышцы, а в регуляции ее активности. Зарегистрированы случаи, когда люди умирали во время сеансов ибогаиновой терапии из-за остановки сердца. И это связано с тем, что у некоторых людей ибогаин очень плохо выводится из организма. Ибогаин метаболизируется одним из печеночных ферментов, который входит в группу цитохром P450. Это фермент P450 2D6, закодированный геном CYP2D6. У данного гена очень много полиморфизмов, то есть возможных вариантов наследования. И среди них встречаются такие варианты, в которых белок, воспроизведенный с этого гена, не работает. То есть данный ген надо подробно типировать, смотреть все его варианты. Это важно для людей, принимающих ибогаиновую терапию.
У нас в России я не нашел лаборатории, которая типирует все варианты названного гена. Но моя старшая дочь в Сан-Диего руководит отделом фармакогенетики, который типирует все полиморфизмы этого гена. И вот был один человек, который очень хотел на себе попробовать ибогаиновую терапию. Он недавно стал трезвым наркоманом и как раз хотел пройти эту процедуру. Я не решался рекомендовать без дополнительного исследования, взял у него буккальный эпителий на анализ и отвез этот материал в лабораторию в Сан-Диего. Оказалось, что это тот самый редкий случай человека, которому противопоказано употребление ибогаина.
- А какова частота таких случаев?
- Едва ли есть точная статистика. Частота в разных популяциях разная, но в среднем это один человек на сотню.
- То, как часто встречаются разные варианты наследования этих генов, может варьироваться в зависимости от популяции. Можно предположить, что в Западной Африке, где ибога не только целебное, но и священное растение - основа культа бвити, эта частота ниже. Впрочем, там, наверное, такой вопрос не изучали. Зато у целителей этого культа, так называемых нганга, есть свои методы, позволяющие понять, безопасна ибога или нет. Они начинают с малых доз и, если человека безостановочно рвет, не дают ему больше зелья, провозглашая, что духи его не приняли.
- Они смотрят симптомы. Когда высок уровень концентрации вещества, то, скорее всего, человека рвет. Здесь всё зависит от скорости усвоения препарата. Когда он метаболизируется, человек рвать перестает. Если же человек не может его метаболизировать, то рвота не прекратится.
- Кроме культурной, духовно-магической обусловленности, которая важна в Камеруне и Габоне, есть, разумеется, биохимическая сторона феномена ибогаиновых исцелений. В Западной Африке верят, что ибога - своего рода панацея от всех болезней. Сейчас туда едут и многие европейцы, в том числе чтобы избавиться от наркотических зависимостей. На чем основано действие алкалоида на личность человека?
- Это пока абсолютно неизвестно, непонятно. Есть, конечно, интересная информация о том, как он влияет на нейрохимические процессы. Дело в том, что не у всех людей одинаково регулируется настроение. Где-то с 2000 года я, занимаясь лечением наркоманов и алкоголиков, стал типировать гены синдрома дефицита удовлетворенности. Этот синдром был провозглашен в 1996 году. Один из его исследователей, американский ученый Дэвид Камингс, возглавлявший центр по лечению детей с синдромом Туретта, написал книгу «Генетическая бомба» (The Gene Bomb). Он показал, как и почему из поколения в поколение всё больше рождается детей с фактической предрасположенностью к наркомании и алкоголизму.
Многие гены, которые вызывают у человека синдром Туретта, вызывают и синдром дефицита удовлетворенности, то есть фактически связаны с эндогенной депрессией.
Генетические основы этих синдромов пересекаются.
Дети с синдромом Туретта раньше встречались гораздо реже, чем сейчас. Это дети, которым свойственно усиленное моргание, локальные и моторные тики, потом - навязчивые движения и навязчивые мысли и дисфория. Много различных неврологических причин у этого явления, но одна из них - усиленная активность печеночного фермента, который называется триптофан-диоксигеназа. Триптофан - это одна из аминокислот, которую мы получаем из белков, участвует в регуляции настроения. Триптофан под действием триптофандиоксигеназы может метаболизироваться в печени до кинуренина. Это вещество нейротоксично. И люди, у которых печеночная активность повышенная, страдают депрессиями и временными изменениями мышления. У них как бы разобщаются разные функциональные участки мозга, то есть мысли перестают быть в правильном контакте с эмоциями, а эмоции перестают быть в хорошем контакте с теми структурами мозга, где рождаются удовлетворенность и основные побудительные мотивы поведения.
- Это связано с питанием?
- Это может быть связано и с ним. Такие люди часто пытаются повысить себе уровень серотонина. Из триптофана в итоге получается серотонин, и способ, которым они пытаются это делать, - это сладкая еда. Сладкая еда на некоторое время, когда повышается глюкоза, понижает активность фермента триптофандиоксигеназы, и тогда большее количество триптофана доступно для мозга, в котором он превращается в том числе в серотонин. Поэтому такие люди едят сладкое, и на двадцать минут - на полчаса у них появляется приятное ощущение. У таких людей разыгрывается гиперинсулизм. То есть они тренируют поджелудочную железу выделять всё больше инсулина.
Сразу после еды выделяется слишком много инсулина, и вместо гипергликемии, когда резко повышается концентрация глюкозы, наступает реактивная гипогликемия. Тогда человек испытывает упадок сил, апатию, а если уровень глюкозы еще ниже падает, может быть гипогликемическая кома и смерть. Всё это обусловлено тем, что для работы коры головного мозга необходим такой источник энергии, как глюкоза. Когда уровень глюкозы падает до критического значения, мозг начинает выделять специальное вещество орексин. В ответ нейроэндокринная железа гипоталамус начинает выделять кортикотропин-рилизинг-фактор, который, в свою очередь, заставляет гипофиз выделять адренокортикотропный гормон, а он уже заставляет надпочечники выбрасывать стрессовые гормоны - адреналин и глюкокортикоиды. Это совместное действие - понижение уровня глюкозы и повышение уровня глюкокортикоидов - заставляет опять активироваться триптофандиоксигеназу печени. Это приводит к тому, что с повышением уровня кинуренина возникает транзиторное сумасшествие и чувство дисфории.
За полчаса эйфории, вызванной сладкоедением, человек расплачивается 3-4 часами дисфории. И это общее место в поведении современных людей с большей или меньшей интенсивностью.
- Людей вообще? То есть речь идет о порочном режиме питания?
- У меня есть догадка о том, каким образом была создана цивилизация. Есть такое замечательное место на Земле, которое раскапывают последние 20 лет и раскопали примерно пятую часть. Это Пузатый холм на востоке Турции. В христианские времена здешняя область называлась Благословенная Эдесса, а в библейские времена - Ур Халдейский. И в Библии написано, что когда-то Господь повелел Аврааму взять своего племянника Лота, они собрали всю семью и из Ура Халдейского пошли в город Харран. Это совсем недалеко, километров 20 или 30. И этот Харран до сих пор существует. И недалеко от этого места есть Пузатый холм - так называемый Гёбекли-тепе.
- Тот знаменитый храмовый комплекс, о котором много пишут археологи и антропологи?
- Да. Племена натуфийской культуры под влиянием религиозного инстинкта в течение тысячелетий строили этот гигантский храмовый комплекс. Нагрузка на окружающую среду была такая, что они съели всё съедобное. А что съедобным тогда было для них? Это исследовано совершенно доподлинно Гордоном Хиллманом, английским ученым, который одновременно был биологом и археологом. Он собрал коллекцию того, чем питались люди в доисторические времена, и нашел то место, где, собственно, началась история, где случилась неолитическая революция (добывание пищи сменилось ее производством).
До нее люди занимались собирательством, рыболовством и охотой. А потом создали собственно сельское хозяйство. Каким образом? Религиозный инстинкт привел к тому, что они, занявшись постройкой огромного храма, съели всё съедобное, но там обильно росло и нечто несъедобное, а именно пшеница-однозернянка и двузернянка. Крахмал под микроскопом - это огромные шары из ковалентно связанных между собой молекул глюкозы, и переварить такое человеческий тракт не может. Грызуны и жвачные могут, а человек нет. Но люди придумали, как это есть. Они изобрели нагревание. Крахмалы при термической обработке распадаются на маленькие фрагменты, которые усваиваются. И это привело к тому, что люди поменяли способ удовлетворения своего пищевого инстинкта. Если раньше они могли питаться, удовлетворяя голод один раз в день, то тут у них началось то, что я выше описал, - подъем настроения после еды, а затем спад.
Перейдя к оседлости, люди распрощались со стимуляторным способом пищевого удовлетворения.
После еды им больше не хотелось активности, а хотелось отдыха, такого сладкого нежно-сонливого состояния, которое довольно быстро сменялось неприятным состоянием, требовавшим снова такой же еды.
Это примерно как с алкоголем. Человек выпил - ему стало хорошо, потом стало плохо, и вот ему надо опохмелиться. Перейдя на пшеницу, люди стали удовлетворять чувство аппетита другим способом, нежели раньше. Они быстро съели все, что там росло, а желание восполнить пищевой ресурс породило активность сельского хозяйства.
Недалеко от Пузатого холма есть холмистое место на левом берегу Евфрата, в котором имеется месторождение обсидиана. Раскопки Гордона Хиллмана показали, что именно в этом месте зародилось сельское хозяйство. Самые примитивные сельскохозяйственные орудия из обсидиана были созданы именно там. Люди отшибали от обсидиана острые клинья. Обсидиан твердый и мог долго служить. А первыми серпами стали ребра больших животных, в которых делали канавки и в них вставляли куски обсидиана. Так жали зерновые культуры. В музеях эти орудия есть.
- В связи с Гёбекли-тепе и неолитической революцией Юваль Ной Харари пишет, что не человек освоил пшеницу, а пшеница поработила человека. Вы с этим согласны?
- Именно поработила. А потом сахарный тростник сделал то же самое в Новой Гвинее. И там независимо от пшеницы тоже возникло земледелие.
- И еще кукуруза в Новом Свете.
- Да. Научный сотрудник Ботанического сада АН, замечательная исследовательница Екатерина Евгеньевна Гогина рассказывала мне, что знает, каким образом жители Америки смогли вырастить кукурузу. Дело в том, что иногда у растения, которое было прародителем культурной кукурузы, бывает редкая мутация. Из него вырастает не защищенный от насекомых початок, и людям надо было изловчиться, когда это рождалось, и начать его культивировать. Вполне возможно, «Песня о Гайавате» - это просто исторический факт.
- Или, можно сказать, селекционерский миф…
- Да… Так - именно пшеница поработила. Так же, как инстинкты управляют людьми, так же, как алкоголь порабощает некоторых людей, - так же цивилизация была порабощена новым способом питания и производства этого питания. Однажды козопасы превратились в оседлых рабов сельского хозяйства.
- А что же с ибогой и другими психоделическими растениями в оптике такой антропологии питания?
- Те племена, которые не возделывали сельскохозяйственные культуры, были гораздо более любознательны и не являлись рабами ежедневного сельскохозяйственного труда. Ими и было сделано много открытий в области энтеогенов. В частности, чукчами и людьми, расселившимися через Берингов пролив по североамериканскому континенту, потом по Центральной Америке и далее.
У предков коренных американцев не было сельского хозяйства. Они исследовали природу. Пробовали то и это и даже различные комбинации, которые вызывали определенные изменения в состоянии сознания. Что ни племя в Америке, то свое сакральное растение. Был замечательный американский нейрохимик Александр Шульгин, с которым мне посчастливилось быть знакомым и беседовать в Сан-Франциско. На грант американского правительства, решившего выяснить, какие вещества содержатся в растениях, используемых племенами индейцев, он провел свои исследования и написал два тома: TiHKAL: A Chemical Love Story и TiHKAL: The Continuation. Эти путешественники, номады, чьи растения изучал Шульгин, были хорошими исследователями, и чего только они не открыли: и аяуаску, и шоколадный напиток, который когда-то Эрнан Кортес попробовал из рук Монтесумы - напиток с тремя составляющими: какао, ванилью и перцем. В этом напитке четыре вещества, синергично повышающих настроение, повышающих доступность дофамина. Этот напиток Монтесума пил перед походом в гарем.
По-видимому, и в Африке не было сельского хозяйства, да и сейчас оно там не особенно развито. Поэтому люди употребляли в пищу разные растения. К примеру, есть ирвингия габоненсис (другое название - дикое манго). Народности в дельте реки Нигер употребляют орехи этого растения. И как только они стали нарушать свой уклад по питанию в связи с глобализацией, то заметили, как многие резко стали сильно прибавлять в весе. Ученые выяснили, что коренное население перестало есть дикое манго.
Клиническое испытание показало, что орехи дикого манго в два раза снижают концентрацию в крови С-реактивного белка, уровень которого является одним из показателей воспалительных процессов. Если он высок, то надо последить за своим здоровьем, поскольку речь может идти даже об онкологии. Ирвингия снижает концентрацию данного белка, делает так, что в два раза возрастает чувствительность к инсулину и к лептину. Лептин - это гормон в жировой ткани, который сдерживает аппетит человека.
Когда коренное население стало питаться, как принято во всем мире, то есть высокогликемической пищей, начался гиперинсулизм и ожирение.
Это исследование, кстати, привело к созданию пищевой добавки, помогающей людям избавиться от излишнего веса.
- Согласно мифам бвити, народности Камеруна и Габона заимствовали ибогу у пигмеев, лесных людей, которые с дикой природой "на ты". Пигмеи ведь до сих пор живут охотой и собирательством. В этом смысле неудивительно, что они оказались знатоками лесной фармакологии и слывут «колдовским народом». И всё же очень интересно понять, как ибогаин действует на людей. Но для этого его надо изучать, а не запрещать.
- Разумеется. Всё это чрезвычайно интересно. Ведь пищевой, религиозный и другие инстинкты - все записаны в геноме. Интересно было бы понять, какие гены ответственны за религиозный инстинкт. Я встречался в реабилитационном центре под Казанью с человеком, который только что прошел ибогаиновый трип. У него был совершенно просветленный и счастливый вид. И он, как положено, встречался со своими прародителями в своем трипе. Ибогаин удивительным образом подправляет те унаследованные механизмы, которые делают человека несчастным. Пациент становится счастливым, а если бы этого не было, то наркотик снова бы брал свое. Происходит глубокая трансформация в ходе видений. Видения эти могут быть разными: все по-своему видят своих предков, но все понимают, что это действительно предки.
- Даже в обычной клинике, без ритуальной обстановки, жрецов и барабанов?
- Да.
- Когда вы рассказывали о своем видении глобального режима питания, мне показалось, что наркотические зависимости предстают в таком свете как концентрированный вид зависимостей пищевых… Но ведь лечат последнее диетологи, а не наркологи.
- На самом деле для наркологии это тоже критически важно. Высокогликемическое питание и перепад гипер- и гипогликемии рождают изменения в тонком внутриклеточном химизме в тех областях мозга, которые отвечают за удовлетворенность и желание удовлетвориться. Работает это так: чем меньше удовлетворенность, тем больше желание употребить тот препарат, которым человек научился удовлетворяться. В итоге у человека пониженное настроение и повышенное вожделение. Что же делать? Надо отучить людей от седативного способа удовлетворения пищевого инстинкта и приучить к стимуляторному. Можно ли это сделать? Можно. При помощи эндогенных стимуляторов, создающихся в мозгу. Надо подобрать специальную пищу, чтобы было не проопиомеланокортиновое, то есть опиатное удовлетворение, запаздывающее и заставляющее человека переедать, а иное - при помощи пептида CART.
Клиника, которую я создал на севере Лос-Анджелеса в Малибу, добилась успехов в этом направлении. К нам поступали американцы с сильным ожирением. И мы создали программу «30 завтраков, 30 обедов, 30 ужинов», а после еды под супервизией консультанта 5 минут пациенты интенсивно танцевали рок-н-ролл. Эта активность убирала тот аппетит, который должен нахлынуть из-за гиперинсулизма. То есть взаимоотношения между восторгом и негой регулировались в нужном ключе. Удавалось прогонять опиатный аппетит, и к концу месяца люди становились стройными. То есть диетологическая проблема может решаться наркологическим методом.
- А в обществе собирателей главенствовала стимуляторная диета?
- Конечно. Источником энергии у них были в основном липиды. А потом уж стали крахмалы. Гордон Хиллман, когда он приехал в Ботанический сад АН, рассказал интересные вещи. Он знал фактуру - что ели до и после неолитической революции, а я понимал - почему, зачем ели это, как получали удовлетворение. Это помогло воссоздать целостную картину.
- Переход к оседлости запустил создание как империй и государств, так и письменности, экономики и других наук. Но, выходит, прогресс одновременно стал развитием зависимостей человека, созиданием биохимической несвободы, дорогой к появлению и распространению эндогенной депрессии?
- Безусловно. Кто является эффективными двигателями цивилизации и культуры? Это небезразличные люди, люди, которым плохо. И они вынуждены искать средства удовлетворения. Среди представителей науки, например среди математиков, а мое первое образование - мехмат, встречались алкоголики. Во всех областях, востребованных современной культурой, ярко проявляют себя небезразличные люди, часто становящиеся зависимыми. Это люди, у которых возник запечатленный инстинкт, запечатленный, а не врожденный.
Книга Харари, упомянутая выше, очень хорошо написана, но там нет мысли о том, что всё движется именно благодаря инстинктам: это либо врожденные инстинкты, а к ним относится и религиозный инстинкт, либо приобретенные. И современное общество, как показывает доктор Камингс, рождает всё чаще несчастных людей, которые вынуждены искать удовлетворения. Вся наша культура со временем стала поиском способов удовлетворения, а передовым отрядом этой культуры - люди, которые движимы такими порывами.
- Вы говорите «религиозный инстинкт». По вашему мнению, религия имеет животное происхождение?
- Люди получают удовлетворение от молитвы. Есть 12-шаговая программа по излечению от зависимостей. Она возникла в одной философско-религиозной американской секте, которая пыталась возродить раннее христианство. Тогда два алкоголика встретились и разработали систему, которая им самим позволила быть трезвыми, а также создать огромную ассоциацию анонимных алкоголиков, помогающую миллионам людей. Ни создатели, ни участники не понимают, каким образом система работает, но она работает. Хотя и не для всех.
У меня была пациентка в США из обеспеченной семьи, которая десять раз проходила реабилитацию в разных центрах. Она психолог, заканчивала колледж, но не могла написать дипломную работу из-за своих срывов. Я спросил ее: «А ты ходишь в группы самопомощи по программе 12 шагов?» Она ответила, что пыталась, но каждый раз уходила, ведь там, по ее словам, сидят какие-то очень недалекие люди, изрекающие всякие трюизмы и заставляющие молиться. «Я атеистка. С какой стати молиться? Я ухожу оттуда разочарованная и иду в бар напиваться», - сказала она. На это я ей ответил: «А ты знаешь, что не только человек религиозен?» И рассказал про этологов, которые провели несколько лет рядом с бабуинами.
Перед рассветом бабуины поворачиваются на восток, а когда солнце поднимается, колотят себя в грудь, кланяются и издают возгласы восхищения. То есть они поклоняются солнцу. Это преклонение перед супериерархом.
По-видимому, первые религии людей тоже были связаны с поклонением солнцу. Во всяком случае, сложные внутрииерархические инстинкты у человека есть. Поэтому когда-то Чарльз Дарвин, наблюдая поведение бабуинов, сказал, что тот, кто поймет отношения внутри стаи бабуинов, сделает больше для натурфилософии, чем сделал философ Локк. В Индии и Египте бабуины неслучайно были священными животными. И есть функциональная томография, которая свидетельствует об активности участков удовлетворенности и вожделения до и после молитвы. Данные о пользе молитвы благодаря этому объективизированы.
Я спросил пациентку, пробовала ли она молиться. Она ответила, что нет. «А знакомо ли тебе ощущение, что всё плохо?» Она говорит: «Это самое знакомое мне ощущение». Я посоветовал ей искренне, истово попросить Всевышнего о помощи. Потом она пришла и сказала: «У меня получилось». И с тех пор реабилитация пошла прекрасно, и девушка закончила свое образование. Да, это включился религиозный инстинкт. Есть и другие инстинкты, которые используются в программе 12 шагов. Просто некоторых людей надо учить ими пользоваться.
---------------------
Илон Маск показал имплантат для связи мозга с компьютером. Насколько далеко он зашел? Интервью нейробиолога Михаила Лебедева, из чьей лаборатории вышли сотрудники компании Маска
Meduza
10 сентября 2019 / истории
Этим летом на большой презентации в Калифорнии Илон Маск показал прототип устройства, которое в течение двух лет за закрытыми дверями разрабатывала основанная предпринимателем компания Neuralink. Это устройство внедряется в мозг и способно передавать информацию о его активности в компьютер и обратно. Маск раскрыл немало технических подробностей, но многое осталось неясным: что по-настоящему нового придумали специалисты, как компания собирается зарабатывать, что получат пациенты с болезнями Паркинсона и Альцгеймера. «Медуза» поговорила об этом с Михаилом Лебедевым - нейробиологом, который не только много лет занимается созданием и исследованием подобных устройств на обезьянах, но и человеком, из лаборатории которого вышли некоторые сотрудники компании Neuralink, даже ее президент Макс Ходак.
В марте 2017 года стало известно, что Илон Маск создал компанию, задачей которой будет «подключение мозга к компьютеру». Подробностей о разработках не было два года. В июле 2019-го Маск организовал большую презентацию в Калифорнийской академии наук, где рассказал о прототипе.
Главная задача, по словам Маска, - превратить сложную операцию по имплантации чипа в мозг во что-то, по последствиям похожее на лазерную коррекцию зрения. Замысел в том, чтобы, как и при лазерной коррекции зрения, пациент уже в день операции мог вернуться к обычной жизни, а через пару недель - вообще забыть о каких-то медицинских ограничениях, связанных с проникновением в мозг.
Собственно говоря, по пользовательским характеристикам новый нейроинтерфейс похож скорее на гораздо более простые аналоги вроде электродов для снятия энцефалограммы - вся внутренняя «обвязка» чипа спрятана под кожу, а питание и обмен данными происходит через беспроводную магнитную катушку. До сих пор инвазивные нейроинтерфейсы выглядели куда более громоздкими.
Упор на легкость и простоту использования нейроинтерфейса связан с желанием Маска превратить его из узкоспециализированного медицинского устройства для тяжелобольных людей в новый гаджет, способный заинтересовать широкую аудиторию. Пока это желание кажется слишком фантастическим, но намерение Маска недвусмысленно направлено именно в эту сторону.
Что касается самого устройства, то оно тоже довольно инновационно: вместо традиционного квадратного чипа в нейроинтерфейсе Маска электроды разделены на 96 гибких нитей, суммарно несущих 3072 отдельных канала, способных как регистрировать, так и стимулировать электрическую активность мозга. Для имплантации нитей используется специально разработанный робот. Он способен вставлять в нервную ткань по три нити в минуту. Предварительная обработка сигнала нейронов еще до поступления в компьютер происходит прямо внутри чипа - на специально созданных для этого микросхемах.
Другие характеристики нового устройства и результаты его тестирования на крысах компания сразу же опубликовала в препринте (подробность которого, кажется, является частью сознательной стратегии на привлечение кадров из академии). Однако, несмотря на внезапную открытость, остается множество вопросов, на которые искать там ответы бессмысленно - например о том, как компания собирается зарабатывать деньги на рынке, где по крайней мере один подобный проект уже, оказывается, провалился.
- Несколько лет Neuralink работали совершенно закрыто и до пресс-конференции никто не знал, чем конкретно они там занимаются. Сейчас они вышли на публику и довольно подробно - что редко для технологической компании - рассказали, какое устройство у них получилось. Что в этом нейроинтерфейсе наиболее прорывное?
- Технических прорывов здесь множество. Они разработали специального робота-«швейную машинку», которая позволяет эффективно имплантировать в мозг нити с электродами. Идея этого действительно хорошая, потому что обычно делают как: пытаются вставить в мозг одновременно под сотню электродов в виде единого чипа. И тогда возникает «эффект Рахметова» - электроды просто механически не входят в нервную ткань. Есть даже методика, по которой их загоняют туда ударом молоточка - но это, как можно догадаться, несколько травматично для мозга.
В Neuralink они делегировали работу по имплантации отдельных тонких электродов роботу, который быстро и эффективно вставляет их по одному, и оператор даже может аккуратно выбирать точки имплантации, чтобы не повреждать кровеносные сосуды. Кроме того, у них есть новые и хорошие усилители, микросхемы для обработки сигнала, система стимуляции.
Если говорить в научном плане, то каких-то сверхновых идей здесь я на самом деле не вижу. Вообще здесь две уже известные главные идеи: первая состоит в том, что для создания по-настоящему революционного устройства нужно записывать не поверхностную электрическую активность, не придумывать какой-то новый ЭЭГ, не заниматься томографией, а надо идти напрямую в мозг - делать инвазивный имплантат. Вторая идея сводится к тому, что новое устройство должно быть как можно более широкополосным в пространственном охвате, иметь как можно больше каналов. Желательно - на порядок больше, чем получалось до сих пор. Однако принципиально прорыва здесь пока не случилось - в нашей лаборатории, например, максимальное достижение было где-то две тысячи электродов, имплантированных в мозг одной обезьяны. Это не сильно отличается от 3072 электродов в новом устройстве.
Важнее то, что благодаря Маску в этой области появилась компания с деньгами, которая хочет и может активно развивать технологическую часть проекта, само устройство. Известно, что там, где появляются новые технологии, со временем неминуемо появляются и научные прорывы.
- Тогда возникает резонный вопрос: как они собираются зарабатывать на этом устройстве деньги? Кому может понадобиться имплантировать себе в мозг такую штуку?
- Это, конечно, очень важный вопрос. Особенно потому, что на самом деле Neuralink - не первая компания, которая решила сделать коммерческий нейроинтерфейс. Очень похожее устройство - с инвазивной записью, с большим количеством электродов, с прицелом на помощь парализованным людям - еще 15 лет назад пыталась делать другая компания - BrainGate, основанная Джоном Донехью из Университета Брауна. И у них дело не пошло: первые деньги довольно быстро кончились, новых привлечь не удалось, клинические испытания, которые уже были начаты, прекратились - и компанию перекупили. Они не обанкротились, но и яркой истории успеха не случилось.
Если смотреть на Neuralink как на бизнес, то главный вопрос сводится к тому, удастся ли им построить жизнеспособную бизнес-модель. Может быть, именно у них это получится. Люди из BrainGate все-таки были просто ученые, которые хотели сделать стартап. Здесь же ситуация иная: Илон Маск неплохо знает, как работает бизнес, и, возможно, лучше всех на планете умеет мыслить стратегически, работать с длинными проектами. Поэтому, возможно, именно у него и получится довести до ума то, что не удалось сделать BrainGate.
Как бы то ни было, я думаю, что первая задача Neuralink будет в том, чтобы захватить рынок оборудования для нейробиологии - все эти электроды, усилители, оборудование для обработки сигнала. Задача не такая уж маленькая, и я думаю, они смогут вытеснить из нее другие компании.
Затем в какой-то момент придется переходить на клинические исследования, и тут действительно будет много трудностей. Прежде всего Neuralink будут заниматься с той небольшой популяцией парализованных людей, которые согласятся имплантировать себе электроды. Это те, кто не могут двинуть ни рукой, ни ногой - именно им участие в клинических исследованиях имплантируемого устройства могло бы быть максимально полезно.
Но число таких людей, конечно, сильно ограничено. Гораздо больше тех, кто страдает от болезни Паркинсона, еще больше - людей, перенесших инсульт. Эта ниша очень большая, но чтобы увидеть, как новое устройство покажет себя в клинике, могут потребоваться десятилетия. Вероятно, в ближайшей перспективе компания Маска будет работать не на медицинские приложения, а на то, чтобы как можно быстрее хоть что-то опубликовать. Поэтому я не думаю, что все мы будем ходить с электродом от Маска в ближайшее время.
- Как машинно-мозговые интерфейсы могут быть полезны людям с болезнью Паркинсона и инсультом?
- Болезнь Паркинсона - это нейродегенеративное заболевание, которое сопровождается возникновением патологичной электрической активности: мозг начинает генерировать некие волны, которые мешают его работе. В результате у человека возникает тремор, он с трудом инициирует движения, появляются другие симптомы. Вред от этих автоколебаний такой, что оказывается - можно даже пожертвовать частью мозга, если она является их источником, - есть работы, в которых при болезни Паркинсона удаляют часть глубинной структуры мозга и от этого человеку становится легче.
Другой подход - это использование глубокого стимулирования мозга при помощи специальных электродов. Что при этом происходит? Высокочастотная стимуляция подавляет патологические ритмы и человеку становится легче. Как в деталях это работает - никто не знает, но в медицине это обычное дело: раз работает, то и хорошо. Не каждый человек, конечно, захочет, чтобы ему в мозг на глубину 15 сантиметров вставляли стимулирующий электрод. Но если ситуация заходит далеко, то иногда к этому прибегают, и это действительно помогает.
Здесь возникает вопрос: а что, если не просто стимулировать мозг, но и записывать его реакцию, смотреть на то, что при стимуляции происходит, и может быть, даже включать обратную связь? Например, включать стимулятор только тогда, когда эти патологические колебания возникают? Вот здесь устройство, подобное тому, что представила Neuralink, может быть очень полезно. Использование нового нейроинтерфейса для болезни Паркинсона - это внедрение «умного» стимулирования вместо того достаточно «тупого», которое сейчас используется при лечении.
Пока нейроинтерфейс Neuralink не подходит для этой задачи - они работают только с корой мозга, а при болезни Паркинсона требуется именно глубокая стимуляция. Но перейти к глубокому стимулированию можно довольно быстро, в этом как раз нет принципиальной проблемы.
- А что с инсультом?
- При инсульте поражается какая-то - обычно довольно большая - область мозга, и вместе с ней человек лишается способности делать те вещи, которые на эту область были завязаны. Однако есть надежда, что даже после такого поражения мозг может до некоторой степени сам себя вылечить: он обладает большой пластичностью, благодаря которой с течением времени незатронутые инсультом области могут взять на себя функцию пораженных.
Но если человек будет просто, что называется, лежать и ничего не делать, то никакой пластичности не возникнет: нужно активно тренироваться, чтобы она себя проявила. Есть надежда, что нейроинтерфейсы могут здесь сильно помочь, так как они способны дать больному возможность почувствовать обратную связь.
- Например, если человек после инсульта учится заново управлять конечностями, то нейроинтерфейс как бы подталкивает его в правильном направлении?
- Именно так. Еще в середине XX века Дональд Хебб теоретически предсказал, а потом это было экспериментально доказано, что пластичность - то есть в данном случае изменение «силы» связей между нейронами - возникает тогда, когда нейрон сам активен и к нему в этот момент приходит сигнал от другого нейрона. Для пациентов с инсультом это означает, что с помощью нейроинтерфейса можно уловить начало активности нейронов в мозге и одновременно стимулировать нейроны где-то на периферии. И когда сигнал с периферии достигнет мозга, связь между нейронами будет закрепляться, что будет ускорять обучение. Идея примерно такая.
Кроме того, можно представить работу нейроинтерфейса и по-другому. Допустим, в результате инсульта некая область A в мозге исчезла, ее больше нет. Мы можем вставить записывающее устройство в область B и область C, и вместо области A вставить компьютер, который собой заменит ее работу. Это сценарий тоже возможный, но это уже история про очень далекое будущее.
- Если вернуться в настоящее, то кажется, что сейчас подобное устройство нужнее всего людям с параличом - с параплегией, квадроплегией и так далее. Однако сегодня для управления роботизированными устройствами нейроинтерфейсы почти не применяются, вместо них используется миография - на поверхность кожи, там, где еще сохраняется какая-то активность мышц, закрепляют электроды, и именно их сигнал обрабатывают и передают на электронные устройства. Почему?
- Действительно, сейчас очень бурно развиваются экзоскелеты. Даже в России есть собственные разработки - например, проект Экзоатлет. Естественно, возникает мысль сочетать имплантацию нейроинтерфейсов с использованием экзоскелетов для того, чтобы вернуть человеку способность двигаться. Если команде Neuralink это удасться сделать, то это будет, во-первых, важной демонстрацией возможностей их устройства, а во-вторых, может заложить основу лечения паралича в будущем.
Миография, которая используется сейчас - это хороший, но довольно ограниченный подход. Записывать сигнал мозга напрямую всегда интереснее. Хотя бы потому, что мозг представляет движение как кинематический процесс, а для мышц это процесс динамический. Записывая сигнал мозга, вы можете вычислить, как человек себя ощущает в пространстве, какое действие он хочет совершить, как он собирается двигать конечностями. С точки зрения миографии, движение - это просто сокращение мышц, у которого есть время и сила. Это означает, что в каких-то экспериментальных, строго контролируемых условиях миография может сработать, но если человек хотя бы чуть-чуть сменит позу, то все ваши данные «поплывут» и вы не сможете больше ничего разобрать в том сигнале, который получаете с миографией. Это очень серьезный недостаток.
Почему же тогда сейчас инвазивные интерфейсы для помощи парализованным людям не используются? Потому что любой инвазивный интерфейс - это всегда технически сложно, есть риск инфекции, риск отторжения имплантата. Мозг вообще всегда борется с внедрением в себя посторонних предметов, в том числе и электродов.
Когда мы, например, работаем с обезьянами и вставляем новому животному электроды, то первые недели две обычно все проходит отлично. А потом начинаются проблемы: развивается глиоз, то есть электроды покрываются клетками глии, в результате сигнал от нейронов перестает «добивать» до электродов, мы перестаем его распознавать. Часто даже в лучших работах, когда ученые говорят о больших прорывах, между строк можно прочитать, что у них были серьезные проблемы с качеством сигнала от нейроинтерфейса. Поэтому борьба за биосовместимость - это очень важно. И хотя Маск об этом на презентации вообще ничего не сказал, они с этими проблемами обязательно столкнутся. От того, смогут ли они добиться биосовместимости, зависит даже больше, чем то, сколько электродов им удастся втиснуть в свое устройство или какие микропроцессоры там стоят.
- Имплантация чипа в мозг выглядит как операция, на которую можно согласиться максимум один раз в жизни. Если эти нейроинтерфейсы придется еще и регулярно менять - кажется, что весь проект будет провален. У вас огромный практический опыт работы с имплантацией - как долго нейроинтерфейсы могут работать в мозге? Поможет ли Neuralink то, что их электроды такие гибкие?
- Сейчас про то, насколько долгоживущим будет устройство Маска, мы ничего не знаем. По нашему опыту, эти сроки могут быть очень разными - наш рекорд был около восьми лет, при этом какие-то устройства перестают работать уже через полгода.
Скажем, среди нейроинтерфейсов есть такое популярное семейство устройств, как Utah array - это такая пластинка, из которой торчат силиконовые иголочки с электродами, которую вставляют на поверхность коры. Однако само наличие такой пластинки для мозга не очень приятно - он «чувствует» инородный объект и стремится отгородиться от него соединительной тканью. Когда это происходит, соединительная ткань попросту выталкивает чип из мозга и сбор данных на этом заканчивается. Мы в нашей работе на обезьянах от таких устройств отказались, и используем более длинные и гибкие электроды, которые обычно гораздо дольше сохраняют хорошее качество данных. Так что гибкость действительно дает преимущество. Ее важность была понятна давно - ведь мозг не неподвижен, он постоянно пульсирует, двигается. Однако существующие попытки сделать гибкие электроды до сих пор были далеко не на том уровне, как в новом устройстве Маска.
- Если вспомнить все, о чем рассказали создатели Neuralink, и попробовать выделить самые инновационные вещи, что это будет? Робот для имплантирования электродов, сами электроды, встроенный чип для обработки сигнала? Что кажется наиболее перспективным, а что - сомнительным?
- Сомнительного, должен признаться, я ничего не увидел. А больше всего впечатляет миниатюризация и роботизация самого процесса. Как я уже говорил, принципиально новых идей за этим интерфейсом я не вижу, но то, как это выполнено, как это сделано на технологическом уровне - это да, очень хороший уровень.
- Если уже сейчас устройства для глубокой стимуляции широко используются в клинике (пусть они и гораздо проще, чем то, что вы описали), то Neuralink должно быть несложно получить разрешение для испытаний своего устройства? Когда его начнут вставлять людям?
- У них совершенно определенно есть такие намерения, они уже говорили, что в течение года хотят имплантировать свой интерфейс человеку. Пациенты, перенесшие инсульт, и люди с болезнью Паркинсона - это миллионы людей на планете, поэтому потенциальная сфера применения таких нейроинтерфейсов очень большая. Правда, нужно подчеркнуть, что ни Илон Маск, ни его сотрудники не упоминали инсульт и болезнь Паркинсона как возможное поле для применения своего устройства - но я уверен, что к этим заболеваниям они неизбежно придут.
- Маск не был бы Маском если бы не подразнил публику словом «киборгизация». Мы уже обсудили медицинские применения устройства, но что оно может дать здоровым людям? Читать мессенджеры и писать в твиттер силой мысли? Ощущать запах в фильмах? Видеть дополненную реальность собственными глазами, без дисплея? Я знаю, что, по крайней мере, что-то из этого фантастического набора уже сделано - например, возможность видеть несуществующие визуальные образы, фосфены, которые возникают под действием стимуляции.
- Все зависит от того, как вы понимаете «киборгизацию». Если под этим имеется в виду считывание мыслей или что-то подобное, то я бы этого не опасался. Мы не настолько хорошо понимаем, как кодируются мысли в мозге, чтобы их считывать. Конечно, что-то мы сможем узнать, это будет интересная задача, но это разговор про очень далекое будущее. Но вот что касается не считывания, а стимуляции, то это дело довольно-таки простое и может быть очень реалистичным. И вот почему.
Возьмем, к примеру, зрительные протезы, которые стимулируют зрительную кору. Где-то в 70-х годах в этой области появились первые работы, были пациенты, у которых вызывали фосфены электрической стимуляцией зрительной коры. Некоторые из пациентов даже научились видеть большие буквы, которые из этих фосфенов складывались. Через некоторое время эти эксперименты заглохли, и вот сейчас, мне кажется, начинается новая волна. Маск и Neuralink здесь могли бы сказать свое веское слово, поскольку в их устройстве очень большое число электродов, так что даже если часть из них будет испорчена глиальными клетками, у них появится беспрецедентно широкий канал передачи информации в мозг. Так что частичное восстановление зрения с помощью подобного устройства - это вполне реальная задача.
Но в то же время со стимуляцией есть и масса опасностей. Потому что теоретически можно имплантировать электроды в зоны, которые ответственны за мотивацию человека, за удовольствие - и получить в результате управляемого подопытного кролика. Солдата, который получает команду «вперед» - и послушно бежит вперед.
Технически это вполне возможно. Стимуляция - вообще существенно более простая вещь, чем задача считывания мыслей. Все из-за той самой пластичности: когда мозг получает внешнюю стимуляцию, она для него поначалу, конечно, выглядит довольно странной. Но постепенно мозг учится понимать, что означают такие сигналы и как их интерпретировать. Когда человеку в зрительную кору имплантируют электроды, то при первой стимуляции он скорее всего будет говорить, что видит какой-то непонятный фосфен. Но если он упражняется, допустим, месяц, то зрительная картина, которую воспринимает, будет неуклонно улучшаться. Я думаю, что именно из-за этого стимуляция - это главное направление, которое будет развивать Neuralink.
- Учитывая, сколько в последние годы шума вокруг биохакинга, мне кажется, более реальный пример будет даже не с солдатами-киборгами, а с людьми, которые сами изо всех сил будут стараться себя «улучшить» таким устройством.
- Знаете, даже я уже получал какие-то письма подобного рода - имплантируйте мне электроды, я очень хочу стать киборгом. Желающих много. Много людей, которые хотят, например, заниматься медитацией и «улучшать» работу мозга. Но, боюсь, как только это станет относительно безопасным, чиновники и бюрократы быстро вмешаются и начнут регулировать эти процедуры.
- Практика показывает, что как только чиновники и бюрократы начитают что-то запрещать, процедура просто дорожает на стоимость билета в Китай. Так что дело, наверное, не в том, когда инвазивное вмешательство подобного рода разрешат, а в том, когда оно действительно станет работать. Что должно произойти, чтобы стало понятно - все, началось? Пока они просто показали устройство. Что должно стать следующей большой новостью?
- Они должны показать человека, у которого имплантировано это устройство и при этом не торчат провода из головы. До сих пор всегда, когда людям имплантируют инвазивный интерфейс, это выглядит довольно ужасно: провода, усилитель огромных размеров. Если же все будет так, как обещают - полностью спрятанное под кожу устройство, подзарядка через индукцию в катушке и так далее, то пожалуйста - вот вам и киборг. И скорее всего это будет, конечно, не здоровый человек, а человек, которому имплантация нужна по медицинским показаниям.
- Про фосфены мы уже поговорили, а можно ли будет сделать нечто подобное со звуком или запахом?
- Да, конечно. Тут, во-первых, нужно вспомнить про кохлеарный имплантат - это самое массовое и успешное на сегодня устройство в мире нейроинтерфейсов. Сотни тысяч людей в мире получили кохлеарный имплантат и восстановили с его помощью слух. То есть, конечно, это не вполне «настоящий» интерфейс мозг-машина, потому что он передает сигналы не в мозг, а во внутреннее ухо, на улитку. Но по своему устройству это действительно очень похоже на то, что представил Маск, хотя и существенно проще.
Поскольку в случае кохлеарного имплантата идет стимуляция улитки, то для мозга это сигнал периферический, а значит, его проще понять. Есть и такие эксперименты, где стимулируют слуховые ядра самого мозга. И вот в этом случае получить хороший результат - то есть восстановить слух - становится значительно сложнее, но это тоже возможно. Уверен, что не только со слухом, но и с осязанием ситуация примерно такая же - здесь тоже с помощью нового устройства можно будет сильно продвинуться. Все дело в том, что стимулирование, как я уже говорил - по природе своей более простая задача, чем чтение сигнала.
- Не знаю, заметили вы или нет, но на презентации, где президент Neuralink Макс Ходак рассказывает о проекте, первый же слайд, на котором есть реальные данные (а не схемы или планы на будущее) - это картинка из вашей классической статьи 2003 года, посвященной интепретации данных с нейроинтерфейса, имплантированного обезьяне.
- Это неудивительно, потому что я хорошо знаю Макса, и он тоже знает наши работы. Собственно говоря, он был моим студентом и работал в нашей лаборатории, когда еще учился в Университете Дьюка. Интерес к созданию машинно-мозговых интерфейсов он получил у нас - он видел, как мы имплантируем в мозг обезьяны сотни электродов, расшифровываем их активность, учим обезьян управлять роботизированными устройствами. Позже он решил заняться бизнесом, организовал биотехнологический стартап, но вот теперь снова вернулся к нейроинтерфейсам и работает президентом Neuralink.
- Вы ведь знакомы не только с ним, но и с другими членами команды. Например, с Джозефом О'Доэрти, который в Neuralink проводил опыты на обезьянах и тоже у вас учился. Зная лично ребят из компании, как вы думаете, какой дух там царит? Получится ли у них сделать то, что они хотят? Будут ли они взаимодействовать с открытым научным сообществом, академией, или мы снова узнаем о том, что происходит, только через пару лет?
- На самом деле команда далеко не так закрыта, как может показаться со стороны. Я, например, у них недавно был и мне более-менее все с удовольствием показали (правда, пришлось подписать договор о неразглашении). И я уверен, что они будут взаимодействовать с академией, по крайней мере привлекать ученых как консультантов.
Главное преимущество Neuralink сейчас, как мне кажется, в том, что они, в отличие от нас, не зависят от грантов, конкурсов, внутренних дрязг, необходимости публикаций - всех тех отрицательных черт академии, которые на самом деле могут сильно мешать работе. Они работают как корпорация, ориентированы на результат и хотят создать какой-то конкретный коммерческий продукт. Возможно, сам этот подход станет в нейронауке не менее важной инновацией, чем их новое устройство.
- Ну то есть если бы вы сейчас были постдоком и выбирали из всех возможных мест на планете, вы пошли бы не в родной Дьюк, не в Принстон или Гарвард, а именно к Маску в Neuralink?
- Думаю, что да. Жаль, что когда я начинал свою научную карьеру, ничего подобного не было.
Александр Ершов
--------------------
Не голова, а компьютер
«N + 1»
Александр Каплан
16 Сен. 2019 / Биология, IT, Будущее время
Что такое нейроинтерфейсы и что ждет их в будущем
Нейроинтерфейсы - технологии, позволяющие связать мозг и компьютер, - постепенно становятся рутиной: мы уже видели, как с помощью мысленных приказов человек может управлять протезом или набирать текст на компьютере. Означает ли это, что уже скоро станут реальностью обещания фантастов, писавших о полноценном чтении мыслей с помощью компьютера или даже о переносе человеческого сознания в вычислительную машину? Этой же теме - «Дополненная личность» - в 2019 году посвящен конкурс научно-фантастических рассказов «Будущее время», организованный благотворительным фондом «Система». Вместе с организаторами конкурса редакция N + 1 разбиралась, на что способны современные нейроинтерфейсы и сможем ли мы действительно создать полноценную связь мозг-компьютер. А помогал нам в этом Александр Каплан, основатель первой в России лаборатории интерфейсов в МГУ имени Ломоносова.
---«Взломать» тело
У Нила Харбиссона врожденная ахроматопсия, лишившая его цветного зрения. Британец, решив обмануть природу, вживил себе специальную камеру, преобразующую цвет в звуковую информацию и отправляющую ее во внутреннее ухо. Нил считает себя первым официально признанным государством киборгом.
В 2012 году в США Эндрю Шварц из Питсбургского университета продемонстрировал парализованную 53-летнюю пациентку, которая при помощи имплантированных в мозг электродов посылала сигналы роботу. Она научилась управлять роботом настолько, что смогла сама подать себе плитку шоколада.
В 2016 году в той же лаборатории 28-летний пациент с тяжелой травмой позвоночника протянул управляемую от мозга искусственную руку навестившему его Бараку Обаме. Сенсоры на кисти позволили пациенту почувствовать рукопожатие 44-го президента США.
Современные биотехнологии дают возможность людям «взломать» ограничения своего тела, создавая симбиоз между человеческим мозгом и компьютером. Похоже, все идет к тому, что биоинженерия скоро станет частью повседневной жизни.
Что будет дальше? Философ и футурист Макс Мор, последователь идеи трансгуманизма, с конца прошлого столетия развивал идею перехода человека на новую ступень эволюции при помощи, помимо прочего, компьютерных технологий. В литературе и кинематографе последних двух столетий проскальзывает похожая игра футуристического воображения.
В мире научно-фантастического романа Уильяма Гиббсона «Нейромант», опубликованного в 1984 году, разработаны имплантаты, позволяющие их носителю подключаться к интернету, расширять интеллектуальные возможности и заново переживать воспоминания. Масамуне Сиро, автор экранизированной недавно в США культовой японской сай-фай манги «Призрак в доспехах», описывает будущее, в котором любой орган можно заменить на бионику, вплоть до полного переноса сознания в тело робота.
Как далеко смогут зайти нейроинтерфейсы в мире, где, с одной стороны, незнание множит фантазии, а с другой, фантазии зачастую оказываются провидением?
---Разность потенциалов
Центральная нервная система (ЦНС) - это сложнейшая коммуникативная сеть. В одном только мозге больше 80 миллиардов нейронов, а связей между ними - триллионы. Каждую миллисекунду внутри и снаружи любой нервной клетки меняются распределения положительно и отрицательно заряженных ионов, определяя то, как и когда она отреагирует на новый сигнал. В состоянии покоя нейрон имеет отрицательный потенциал относительно окружающей среды (в среднем -70 милливольт), или «потенциал покоя». Иными словами, он поляризован. Если нейрон получает электрический сигнал от другого нейрона, то, чтобы он был передан дальше, положительные ионы должны попасть внутрь нервной клетки. Происходит деполяризация. Когда деполяризация достигает порогового значения (примерно -55 милливольт, однако это значение может меняться), клетка возбуждается и впускает все больше положительно заряженных ионов, благодаря чему создается положительный потенциал, или «потенциал действия».
Далее потенциал действия по аксону (каналу связи клетки) передается в дендрит - канал-реципиент следующей клетки. Однако аксон и дендрит не связаны напрямую, и электрический импульс не может просто перейти от одного к другому. Место контакта между ними называется синапсом. Синапсы производят, передают и принимают нейромедиаторы - химические соединения, осуществляющие непосредственную «переправку» сигнала от аксона одной клетки к дендриту другой.
Когда импульс доходит до окончания аксона, тот выпускает в синаптическую щель нейромедиаторы, преодолевающие пространство между клетками и прикрепляющиеся к окончанию дендрита. Они вынуждают дендрит впустить внутрь положительно заряженные ионы, перейти из потенциала покоя к потенциалу действия и передать сигнал в тело клетки.
От типа нейромедиатора также зависит, какой сигнал будет отправлен дальше. Например, глутамат приводит к возбуждению нейронов, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) является важнейшим тормозным медиатором, а ацетилхолин способен делать и то, и другое в зависимости от ситуации.
Более того, реакция клетки-реципиента зависит от количества и ритма поступающих импульсов, идущей от остальных клеток информации, а также от зоны мозга, из которой был отправлен сигнал. Различные вспомогательные клетки, эндокринная и иммунная системы, внешняя среда и предыдущий опыт - все это определяет состояние ЦНС в данный момент и тем самым влияет на поведение человека.
И хотя, как мы понимаем, ЦНС - это не набор «проводов», работа нейроинтерфейсов основывается именно на электрической активности нервной системы.
---Позитивный скачок
Основная задача нейроинтерфейса - декодировать электрический сигнал, поступающий от мозга. Программа имеет набор «шаблонов», или «событий», состоящий из различных характеристик сигнала: частот колебаний, спайков (пиков активности), локаций на коре и так далее. Программа анализирует поступающие данные и пытается обнаружить в них эти события.
От полученного результата, как и от функционала системы в целом, зависят посылаемые далее команды.
Примером такого шаблона является вызванный потенциал P300 (Positive 300), часто используемый для так называемых спеллеров - механизмов набора текста при помощи сигналов мозга.
Когда человек видит на экране нужный ему символ, через 300 миллисекунд на записи активности мозга можно обнаружить позитивный скачок электрического потенциала. Обнаружив P300, система посылает команду о печати соответствующего символа.
При этом с одного раза обнаружить потенциал алгоритм не может из-за зашумленности сигнала случайной электрической активностью. Поэтому символ необходимо предъявить несколько раз, а полученные данные - усреднить.
Помимо одномоментного изменения потенциала, нейроинтерфейс может искать изменения в ритмической (то есть осцилляторной) активности мозга, вызванные определенным событием. Когда достаточно большая группа нейронов входит в синхронный ритм колебаний активности, то это можно обнаружить на спектрограмме сигнала в виде ERS (event-related synchronisation). Если же, наоборот, происходит рассинхронизация колебаний, то на спектрограмме присутствует ERD (event-related desynchronisation).
В момент, когда человек производит или просто представляет движение рукой, в двигательной коре противоположного полушария наблюдается ERD на частоте колебаний примерно 10-20 герц.
Этот и иные шаблоны могут быть заданы программе вручную, но зачастую они создаются в процессе работы с каждым конкретным индивидом. Наш мозг, как и особенности его активности, индивидуален и требует адаптации системы к нему.
---Записывающие электроды
Большинство нейроинтерфейсов для записи активности используют электроэнцефалографию (ЭЭГ), то есть неинвазивный метод нейровизуализации - в силу его относительной простоты и безопасности. Электроды, прикрепленные к поверхности головы, регистрируют изменение электрического поля, вызванное изменением потенциала дендритов после того, как потенциал действия «перебрался» через синапс.
В момент, когда положительные ионы проникают в дендрит, в прилегающей к нему внешней среде образуется отрицательный потенциал. На другом конце нейрона ионы с тем же зарядом начинают покидать клетку, создавая снаружи положительный потенциал, и окружающее нейрон пространство превращается в диполь. Электрическое поле, распространяющееся от диполя, регистрируется электродом.
К сожалению, метод обладает рядом ограничений. Череп, кожа и остальные слои, отделяющие нервные клетки от электродов, хоть и являются проводниками, но не настолько хорошими, чтобы не искажать информацию о сигнале.
Электроды способны регистрировать только суммарную активность множества соседних нейронов. Основной вклад в результат измерения дают нейроны, расположенные в верхних слоях коры, чьи отростки перпендикулярны к ее поверхности, потому что именно они создают диполь, электрическое поле которого сенсор может уловить лучше всего.
Все это приводит к потере информации из глубинных структур и снижению точности, поэтому система вынуждена работать с неполными данными.
Инвазивные электроды, имплантируемые на поверхность или непосредственно внутрь мозга, позволяют добиваться куда большей точности.
Если нужная функция связана с поверхностными слоями мозга (например, двигательная или сенсорная активность), то имплантация ограничивается трепанацией и прикреплением электродов к поверхности коры. Сенсоры считывают суммарную электрическую активность многих клеток, но этот сигнал не так искажен, как при ЭЭГ.
Если же важна активность, расположенная глубже, то электроды внедряют внутрь коры. Возможна даже регистрация активности единичных нейронов при помощи специальных микроэлектродов. К сожалению, инвазивная методика представляет потенциальную опасность для человека и применяется в медицинской практике только в крайних случаях.
Однако есть надежда, что в будущем методика станет менее травмирующей. Американская компания Neuralink планирует осуществить идею безопасного внедрения тысяч тонких гибких электродов без сверления черепа, при помощи лазерного луча.
Еще несколько лабораторий работают над созданием биоразлагаемых сенсоров, что позволит удалять электроды из мозга.
---Банан или апельсин?
Запись сигнала - это только первый этап. Далее необходимо его «прочесть», чтобы определить намерения, которые за ним стоят. Есть два возможных пути декодирования активности мозга: позволить алгоритму самому вычленить из набора данных релевантные характеристики или же дать системе описание параметров, которые надо искать.
В первом случае алгоритм, не ограниченный параметрами поиска, сам классифицирует «сырой» сигнал и найдет элементы, предсказывающие намерения с наибольшей вероятностью. Если, например, испытуемый попеременно думает о движении правой и левой рукой, то программа способна найти параметры сигнала, максимально отличающие один вариант от другого.
Проблема этого подхода заключается в слишком высокой многомерности параметров, описывающих электрическую активность мозга, и большой зашумленности данных различными помехами.
При втором алгоритме декодирования необходимо заранее знать, где и что искать. Например, в описанном выше примере спеллера P300 мы знаем, что при виде нужного человеку символа электрический потенциал изменяется определенным образом. Мы учим систему искать эти изменения.
В подобной ситуации возможность расшифровать намерения человека завязана на наших знаниях о том, как функции мозга закодированы в нейронной активности. Как то или иное намерение или состояние проявляется в сигнале? К сожалению, в большинстве случаев у нас нет ответа на этот вопрос.
Нейробиологические исследования когнитивных функций активно ведутся, но тем не менее мы можем расшифровать очень малую долю сигналов. Мозг и сознание остаются для нас пока «черным ящиком».
(Александр Каплан, нейрофизиолог, доктор биологических наук и основатель лаборатории нейрофизиологии и нейроинтерфейсов МГУ имени Ломоносова, получивший первый в России грант на разработку нейроинтерфейса для связи мозга и компьютера, рассказывает, что исследователям удается по признакам ЭЭГ автоматически расшифровывать некоторые намерения человека или мысленно представляемые им образы.
Однако на данный момент таких намерений и образов набралось не более десятка. Это, как правило, состояния, связанные с расслаблением и умственным напряжением или с представлением движений частей тела. И даже их распознавание происходит с ошибками: например, установить по ЭЭГ, что человек намерен сжать в кулак правую кисть, даже в самых лучших лабораториях удается не более чем в 80-85 процентах случаев от общего числа попыток.
А если попробовать понять по ЭЭГ, представляет себе человек банан или апельсин, то количество правильных ответов лишь слегка превысит уровень случайного угадывания.
Главное препятствие - это отсутствие ключей к расшифровке сигналов, которыми общаются между собой нервные клетки. Не зная кодов, невозможно подключиться к потокам информации. Проблема здесь не в том, что эти ключи трудно подобрать, а в исходном их отсутствии. В каждой паре нервных клеток их взаимное понимание обусловлено не только пробегающими между ними нервными импульсами, но и их взаимодействием с тысячами других нервных клеток. Это взаимодействие ежесекундно модифицируется, реагируя на мимолетные мысли, колики в животе, дуновения ветра. Как это учесть, чтобы правильно подключиться к мозгу?)
Самое печальное в том, что повысить надежность нейроинтерфейсных систем в деле распознавания намерений человека по ЭЭГ и расширить список таких намерений не удается вот уже более 15 лет, несмотря на значительные успехи в развитии алгоритмики и вычислительной техники, достигнутые за это же время.
Видимо, в ЭЭГ отражается лишь малая часть мыслительной деятельности человека. Потому и к нейроинтерфейсным системам следует подходить с умеренными ожиданиями и четко очерчивать сферы их реального применения.
---Трудности перевода
Почему мы не можем создать систему, делающую то, что с легкостью осуществляет мозг? Если вкратце, то схема работы мозга слишком сложна для наших аналитических и вычислительных возможностей.
Во-первых, мы не знаем «языка», на котором общается нервная система. Кроме импульсных рядов, его характеризует множество переменных: особенности путей и самих клеток, химические реакции, происходящие в момент передачи информации, работа соседних нейронных сетей и других систем организма.
Помимо того, что «грамматика» этого «языка» сама по себе сложна, у разных пар нервных клеток он может отличаться. Ситуация усугубляется тем, что правила коммуникации, а также функции клеток и отношения между ними - все это очень динамично и постоянно меняется под воздействием новых событий и условий. Это экспоненциально увеличивает количество информации, которую необходимо принимать в расчет.
Данные, полностью описывающие активность мозга, просто утопят любой алгоритм, который возьмется за их анализ. Поэтому декодирование намерений, воспоминаний, движений оказывается практически нерешаемой задачей.
Если импульсы передаются от одного компьютера в другой, то можно по адресам, по протоколам понять, что это, например, переброска из одних адресов памяти в другие адреса памяти, потому что протокол обмена и формат данных нам об этом свидетельствует. В случае мозга нет никаких шансов сделать прямую связь так, как связываются два процессора. Поэтому нет никаких теоретических предпосылок к тому, что информация из мозга потечет в компьютер, а из компьютера в мозг. Нет форматов данных, нет адресов, нет кодов.
Второе препятствие заключается в том, что мы и о самих функциях мозга, которые пытаемся обнаружить, не очень много знаем. Что такое память или зрительный образ, из чего они состоят? Нейрофизиология и психология давно пытаются ответить на эти вопросы, но пока большого продвижения в исследованиях нет.
Когда мы создаем зрительный образ - где он? Во всей голове. Потому что он синтетический: в него вплетаются не только зрительные, но и тактильные, обонятельные и другие ощущения. И как же мы будем подключаться?
Мозг - это не та система, которая может поддаться таким элементарным процедурам, какие используются для тренировки распознавания номеров пролетающих мимо автомобилей. В ходе таких тренировок нейросетям много раз предъявляют номера и каждый раз говорят, что это за номера.
В нашем случае надо эти нейросети подключить к нейронам, много раз давать разную электрическую активность и каждый раз говорить, что она означает. Но мы-то этого не знаем. Вся мощь компьютеров и алгоритмики нейросетей оказывается бесполезна, потому что мы даем эти импульсы и не говорим, что они означают.
Простейшие функции вроде двигательных и сенсорных имеют в этом смысле преимущество, так как они лучше изучены. Поэтому имеющиеся на данный момент нейроинтерфейсы взаимодействуют в основном с ними.
Они способны распознавать тактильные ощущения, воображаемое движение конечностью, ответ на зрительную стимуляцию, а также простые реакции на события внешней среды вроде реакции на ошибку или на рассогласование между ожидаемым стимулом и реальным. Но высшая нервная деятельность остается на сегодня для нас большой тайной.
---Двусторонняя связь
До сих пор мы обсуждали только ситуацию одностороннего считывания информации без какого-либо обратного воздействия. Однако сегодня уже существует технология передачи сигналов от компьютера в мозг - CBI (computer-brain interface). Она делает канал связи нейроинтерфейса двусторонним.
Информация (например, звук, тактильные ощущения и даже данные о работе мозга) поступает в компьютер, анализируется и через стимуляцию клеток центральной или периферической нервной системы передается в мозг. Все это может происходить полностью в обход естественных органов восприятия и успешно используется для их замещения.
По словам Александра Каплана, в настоящее время уже нет теоретических ограничений для оснащения человека искусственными сенсорными «органами», подключенными непосредственно к мозговым структурам. Более того, они активно внедряются в повседневную жизнь человека, например для замещения нарушенных естественных органов чувств.
Людям с нарушениями слуха уже сегодня доступны так называемые кохлеарные имплантаты: микрочипы, объединяющие микрофон со слуховыми рецепторами. Начато тестирование ретинальных имплантов для восстановления зрения.
По мнению Каплана, нет технических ограничений и для подключения к мозгу любых других сенсоров, реагирующих на ультразвук, изменение радиоактивности, скорости или давления.
Проблема в том, что эти технологии приходится полностью основывать на имеющихся у нас знаниях о работе мозга. Которые, как мы уже выяснили, довольно ограничены.
Единственный вариант обхода этой проблемы, по мнению Каплана, - создать принципиально новый канал связи, со своим языком общения, и учить распознавать новые сигналы не только компьютер, но и мозг.
Есть надежда на то, что благодаря чрезвычайно подвижной архитектонике межнейронных связей, модифицирующихся чуть ли не каждую секунду, с одной стороны, и последним достижениям в области разработки технологий машинного обучения, с другой стороны, станет возможным построение самообучающегося канала связи между мозгом и компьютером.
Такие разработки уже начаты. К примеру, в лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса несколько лет назад протестировали бионическую руку, способную передавать тактильную информацию в мозг.
Во время прикосновения к сенсорам искусственной руки электроды стимулируют пути периферической нервной системы, передающие далее сигнал в сенсорные зоны мозга. Человек учится распознавать поступающие сигналы как разные виды прикосновения. Таким образом, вместо попытки воспроизвести тактильную систему сигналов, естественную для человека, создается новый канал и язык коммуникации.
Однако этот путь развития ограничен числом новых каналов, которые мы можем создать, и тем, насколько информативными для мозга они будут, говорит Александр Каплан.
Можно раздражать с какой-то частотой какую-то группу клеток, но это же не естественный код. Поэтому никакой информации компьютер таким образом не передает. Во всех этих ситуациях можно очень грубо обучать мозг. Но обучить на все случаи жизни, как он обучен воспринимать природу, невозможно. Так что тут тоже нет шансов подобрать эти коды так, чтобы мозг понял, о чем компьютер хочет ему сообщить.
--------------------
Мозг в колбе и киборг с сердцем: что известные ученые думают об искусственном интеллекте
«Теории и практики»
6 октября 2017 / Открытое чтение
В издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга «Что мы думаем о машинах, которые думают: Ведущие мировые ученые об искусственном интеллекте», в которой собраны мнения мировых ученых, инженеров, философов и писателей — в общей сложности почти 200 эссе. «Теории и практики» публикуют семь из них — о том, заберут ли роботы нашу планету себе, надо ли их бояться или стоит подчиниться, помогут ли нам машины стать умнее, как они изменят образование и не придется ли в будущем человеку выбирать для своего робота школу и вуз.
Не можешь победить — присоединяйся
Фрэнк Типлер. Профессор математической физики Тулейнского университета; автор, совместно с Джоном Барроу, книги «Антропный космологический принцип» (The Anthropic Cosmological Principle), автор книги «Физика бессмертия» (The Physics of Immortality)
Земля обречена. Астрономам уже несколько десятилетий известно, что однажды Солнце поглотит Землю, полностью уничтожив биосферу, если только разумная жизнь не покинет планету до того, как это произойдет. Люди не приспособлены к жизни вдали от Земли — да вообще ни один многоклеточный организм, в основе которого лежат соединения углерода, не приспособлен к этому. Но к этому приспособлен искусственный интеллект, и однажды именно он с загруженными в него сознаниями людей (по сути, единый организм) колонизирует космос.
Несложные подсчеты показывают, что наши суперкомпьютеры уже обладают вычислительной мощностью человеческого мозга. Нам пока неизвестно, как создать сравнимый с ним по уровню и обладающий творческими способностями искусственный интеллект, но через 20 лет у персональных компьютеров будет мощность сегодняшних суперкомпьютеров, а еще через 20 хакеры решат проблему программирования ИИ, и все это произойдет задолго до создания первой нашей колонии на Луне или Марсе. Именно искусственный интеллект, а не человек колонизирует эти планеты или, возможно, разберет их на кусочки. Ни один представитель углеродной жизни не способен пересечь межзвездное пространство.
Нет причин бояться искусственного интеллекта и загруженных в него людей. Стивен Пинкер установил, что по мере развития технологической цивилизации уровень насилия снижается. Разумеется, это происходит благодаря тому, что научный и технический прогресс зависит от добровольного обмена идеями между отдельными учеными и инженерами. Насилие между людьми — пережиток родоплеменного прошлого и возникшего на его основе общества. Представители ИИ будут появляться на свет как личности, а не как члены племени и с рождения иметь установку на научный подход, в противном случае они не смогут приспосабливаться к экстремальным условиям космоса.
Для конфронтации между людьми и искусственным интеллектом нет причин. Человек способен жить в очень узком диапазоне условий окружающей среды — в тонкой кислородсодержащей газовой оболочке вокруг небольшой планеты. В распоряжении искусственного интеллекта будет вся Вселенная. Он покинет Землю, не оглядываясь. Мы, люди, возникли в Восточно-Африканской рифтовой долине, сейчас это жуткая пустыня. Почти все мы оттуда ушли. Кто-нибудь хочет обратно?
Любой человек, что пожелает присоединиться к искусственному интеллекту в его экспансии, может стать загрузкой — такая технология должна появиться примерно в одно время с разработкой ИИ. Человеческая загрузка будет способна мыслить так же быстро, как компьютер, и если сама того пожелает, то конкурировать с ИИ. Не можешь победить — присоединяйся.
В конце концов присоединятся все люди. Земля обречена, помните? Когда рок будет близок, у любого оставшегося в живых и не желающего умереть человека не останется иного выбора, кроме как стать человеческой загрузкой. А если эти люди пожелают сохранить биосферу, она также может быть загружена.
Искусственный интеллект спасет нас всех.
Это будет дикая гонка
Джон Мазер. Главный астрофизик лаборатории наблюдательной космологии, Центр космических полетов им. Годдарда, НАСА; автор книги «Самый первый свет: подлинная история научного путешествия к началу Вселенной» (The Very First Light: The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe)
Мыслящие машины эволюционируют точно так же, как описанные Дарвином живые (и мыслящие) биологические виды, — посредством конкуренции, сотрудничества, борьбы за выживание и воспроизводства. Машины становятся интереснее по мере того, как они учатся понимать физические объекты и управлять ими либо непосредственно, либо при участии людей.
Мы пока не обнаружили такого закона природы, который препятствовал бы появлению настоящего универсального искусственного интеллекта, так что я думаю, что это произойдет, и довольно скоро, учитывая триллионы долларов, что люди инвестируют в электронные аппаратные средства, а также те триллионы, которые заработают потенциальные победители. Эксперты говорят, что мы недостаточно хорошо понимаем, что такое интеллект, чтобы его построить, и я тут согласен, но набор из сорока шести хромосом этого тоже не понимает и тем не менее управляет формированием известного нам самопрограммируемого биокомпьютера. Другие эксперты говорят, что закон Мура скоро перестанет работать, и мы не сможем позволить себе совершенствовать аппаратные средства в прежнем темпе; даже если это и так, «скоро» — понятие растяжимое.
Я пришел к выводу, что мы уже поддерживаем эволюцию мощного искусственного интеллекта, а он, в свою очередь, повлияет на развитие привычных нам могущественных сил: бизнеса, индустрии развлечений, медицины, государственной безопасности, производства оружия, власти на всех уровнях, преступности, транспорта, горнодобывающей промышленности, производства, торговли, секса — да чего угодно!
Я думаю, что результаты нам не понравятся. А они могут появиться очень быстро, настолько быстро, что великие империи падут и на их месте вырастут новые, а у людей будет самый минимум времени, чтобы приспособиться к жизни в новой действительности. Я не знаю, окажется ли кто-нибудь достаточно умным и одаренным для того, чтобы сохранить власть над этим джинном, потому что контролировать, возможно, придется не только машины, но и людей, дорвавшихся до новых технологий и имеющих злые намерения.
Что случится, когда умные роботы станут справляться с большинством наших рутинных дел? Кто будет их строить, кто будет ими владеть и кто потеряет работу? Будут ли роботы распространены только в странах с развитой экономикой или начнется коммерческая экспансия высоких технологий в остальные части мира? Будут ли они достаточно дешевыми, чтобы вытеснить всех фермеров с полей? Будет ли каждая машина обладать собственной личностью и не придется ли нам думать, в какой детский сад ее отправить, в какую школу или колледж? Будут ли роботы конкурировать друг с другом за рабочие места? Станут ли они величайшими гиперсоциальными хищниками, вытеснив людей и сделав их гражданами второго сорта или даже чем-то меньшим? Будут ли они заботиться об окружающей среде? Будут ли обладать чувством ответственности, и если да, то будут ли наделены им изначально или же разовьют его самостоятельно? Нет никакой гарантии, что они станут следовать трем законам робототехники Айзека Азимова.
С другой стороны, я ученый, и мне интересно, как можно применить искусственный интеллект к исследованию новых наук и технологий. Преимущества для космических исследований очевидны: машинам не нужно дышать, они могут выдерживать экстремальные температурные и радиационные условия. Так что им будет куда легче, чем нам, колонизировать Марс. Они смогут отправиться во внешнюю область Солнечной системы, имея больше шансов выйти оттуда на связь, чем нынешние автоматические космические аппараты, а когда-нибудь смогут и полететь к звездам — если захотят.
Так же дело обстоит и с морскими глубинами. У нас уже есть тяжелая техника, работающая на донных буровых установках, но про морское дно мы все еще почти ничего не знаем, а ценность находящихся под водой минеральных и энергетических ресурсов неисчислима. Не исключено, что когда-нибудь случится война роботов в глубинах океана.
Мыслящие машины могут оказаться похожими на нас, с таким же желанием все исследовать, но могут быть и совсем другими. Зачем мне или роботу отправляться в путешествие длиною в тысячу лет к другой звезде через темноту космоса, не имея ни связи с товарищами, ни надежд на спасение, если что-то пойдет не так? Кто-то на такое согласится, кто-то нет. Возможно, мыслящие машины окажутся во многом похожими на свои биологические прототипы.
Это будет дикая гонка далеко за пределами наших самых смелых фантазий или кошмаров. Нет другого способа построить галактическую цивилизацию, за исключением варп-двигателя*,
[* Несуществующая, но теоретически возможная технология, позволяющая перемещаться быстрее скорости света.]
и, возможно, кроме нас, никто во всем Млечном Пути не способен на это. Но не факт, что мы переживем столкновение с иным разумом, который сами же и создали.
Добро пожаловать в ваше новое сверхчеловеческое «Я»
Марсело Глейзер. Профессор натурфилософии, преподаватель физики и астрономии, Дартмутский колледж; автор книги «Остров знаний» (The Island of Knowledge)
Давайте рассмотрим ситуацию: вы опаздываете на работу и в спешке забываете дома мобильный телефон. Обнаруживаете вы это, только застряв в пробке или спустившись в метро. Возвращаться слишком поздно. Вы смотрите вокруг и видите, что все разговаривают, переписываются, что-то смотрят в интернете, даже если это запрещено. Вы ощущаете незнакомое чувство потери, оторванности. Без мобильного телефона вы — уже не вы.
Люди любят порассуждать о том, как однажды сольются человек и машина, став своего рода новым существом — киборгом с живым сердцем. Ну ладно, это все интересно, но реальность состоит в том, что мы — уже киборги. Мы определяем себя через наши гаджеты, создаем в Сети вымышленных персонажей со странными именами, подправляем фотографии, чтобы лучше или просто иначе выглядеть на своих страницах в Facebook, создаем себе новое «я», чтобы взаимодействовать с другими людьми. Мы существуем в информационном облаке, цифровом, далеком и вездесущем. У нас есть титановые импланты для суставов, кардиостимуляторы и слуховые аппараты, устройства, которые переделывают и дополняют наши умы и тела. Если вы спортсмен-инвалид, то ноги из углеволокна с легкостью могут нести вас вперед. Если вы ученый, компьютеры усилят вашу интеллектуальную мощь, и вы создадите нечто такое, что считалось совершенно невозможным несколько десятилетий тому назад. Каждый день появляются новые научные проблемы, которые раньше нельзя было ни рассмотреть, ни даже сформулировать. Темп научного прогресса прямо коррелирует с тем, насколько мы сближаемся с компьютерами.
Прямо сейчас мы заново изобретаем человеческий вид.
Поиски искусственного интеллекта традиционно опираются исключительно на машины, которые воссоздают — по крайней мере, как принято считать — уникальную способность человека мыслить. Мы говорим об электронных мозгах, которые быстро превзойдут человеческий разум, сделав людей лишними. После этого мы переходим к размышлениям о том, что случится с нами — беспомощными перед хладнокровным «мозгом в колбе». Тут возникают опасения, что мы создаем машину, которая нас погубит.
А что, если сама эта посылка в корне ошибочна? Что, если будущее интеллекта — не вне, а внутри человеческого мозга? Мне представляется совсем другой набор проблем, вытекающих из той перспективы, что мы станем сверхразумными посредством увеличения силы интеллекта с помощью цифровых технологий. Мало того, искусственно улучшенный человеческий разум расширяет смысл словосочетания «быть человеком». У нас так же будет биться сердце, и кровь будет струиться по венам, но еще и электроны будут течь по цифровым схемам. Перспектива искусственного интеллекта — это расширение наших способностей в новых областях. Это использование технологий для того, чтобы расти как вид — становиться умнее и, как я надеюсь, мудрее.
Искусственный интеллект сделает вас умнее
Терренс Сейновски. Специалист по вычислительной нейрофизиологии; профессор Института Солка; автор, совместно со Стивеном Кварцем, книги «Лжецы, любовники и герои: что новая наука о мозге говорит нам о том, как мы становимся теми, кто мы есть» (Liars, Lovers, and Heroes: What the New Brain Science Reveals About How We Become Who We Are)
Глубинное обучение — актуальная сегодня тема в области машинного обучения. Первые алгоритмы такого рода появились в 1980-х годах, но компьютеры тогда были медленными и могли моделировать лишь несколько сотен нейронов с одним слоем скрытых элементов между вводом и выводом. Обучение на примерах — привлекательная альтернатива искусственному интеллекту, основанному на правилах, ведь его создание — очень трудоемкая задача. С бОльшим количеством слоев скрытых элементов между вводом и выводом можно получить больше абстрактных свойств из данных для обучения. В структуре коры головного мозга миллиарды нейронов образуют десять слоев. Раньше много спорили о том, насколько будет улучшаться производительность нейронных сетей с ростом их размеров и глубины. В те годы не хватало не только более производительных компьютеров, но также и больших объемов данных для обучения сети.
Благодаря 30 годам исследований, повышению производительности компьютеров в миллион раз и большим данным из интернета мы теперь знаем ответ на этот вопрос: нейронные сети, увеличенные до двенадцати слоев в глубину и имеющие миллиарды связей, превзошли по эффективности лучшие алгоритмы машинного зрения и распознавания объектов, а также коренным образом изменили расшифровку речи. Алгоритмы редко так хорошо масштабируются, а это может означать, что скоро нейронные сети научатся решать и более сложные проблемы. Последние достижения науки и техники позволяют применить глубинное обучение к обработке естественного языка. Глубинные рекуррентные сети с кратковременной памятью научились переводить предложения с английского на французский и продемонстрировали высокие результаты. Другие сети глубинного обучения оказались способны создавать подписи к изображениям, проявив при этом неожиданную проницательность, а иногда даже остроумие.
Контролируемое обучение, использующее нейронные сети, — это шаг вперед, но им все-таки еще далеко до интеллекта. Функции, выполняемые ими, аналогичны некоторым возможностям коры головного мозга — она также увеличивалась в результате эволюции, но для решения сложных познавательных проблем она взаимодействует со множеством других отделов мозга.
В 1992 году Джеральд Тезоро из IBM, используя обучение с подкреплением, получил нейронную сеть, способную играть в нарды на уровне чемпиона мира. Она играла самостоятельно, и единственной обратной связью, которую она получала, был результат: информация о том, какая сторона выиграла. Мозг использует обучение с подкреплением, чтобы создавать цепочки решений для достижения целей (таких как отыскание пищи) в условиях неопределенности. DeepMind — компания, которую в 2014 году купила Google, — недавно использовала аналогичный подход, чтобы научить нейронные сети играть в семь классических игр Atari. Единственными вводными данными для системы обучения были пиксели экрана и набранные очки — та же самая информация, которую используют люди. Программа научилась играть лучше, чем самые опытные игроки.
Какое воздействие эти достижения окажут на нас в ближайшем будущем? Мы не особенно хорошо справляемся с прогнозами последствий новых изобретений, и часто нужно время, чтобы найти для них нишу, но у нас уже есть один пример, позволяющий понять, к чему это может привести. Когда в 1997 году Deep Blue обыграл Гарри Каспарова, чемпиона мира по шахматам, другие шахматисты оставили попытки соревноваться с машинами? Вовсе нет: они стали использовать шахматные программы, чтобы научиться играть лучше, и, как следствие, общий уровень игры в мире повысился.
Люди — не самый быстрый и не самый сильный вид, но мы учимся лучше всех. Люди изобрели формальную школу, где дети много лет трудятся, совершенствуясь в чтении, письме и арифметике и получая более специализированные навыки. Лучше всего, когда взрослый учитель взаимодействует с учеником один на один, подстраиваясь под конкретного ребенка. Однако это трудоемкий процесс. Немногие могут позволить себе индивидуальное обучение, и конвейерная система образования, характерная для большинства сегодняшних школ, — довольно плохая замена. Компьютерные программы могут следить за успеваемостью ученика, а некоторые — даже обеспечивать корректирующую обратную связь в случае с наиболее распространенными ошибками. Однако мозги у всех разные, и компьютер не заменит учителя-человека, выстраивающего долгосрочные отношения с учеником. Можно ли создать искусственного наставника для каждого ребенка? У нас уже есть рекомендательные системы в интернете, которые говорят: «Если вам понравился X, то вам может понравиться и Y», — они построены на анализе данных множества пользователей со схожими паттернами предпочтений.
Когда-нибудь умственное развитие каждого ученика можно будет проследить с самого детства с помощью персонализированной системы глубинного обучения. Современный уровень технологии не может достичь такой степени понимания человеческого разума, но уже сейчас Facebook предпринимает попытки по созданию с помощью имеющейся огромной базы данных друзей, фотографий и лайков модели психического для каждого человека на планете.
Потому я сделаю такой вывод: чем больше будет когнитивных приспособлений, вроде шахматных программ и рекомендательных систем, тем умнее и способнее станут люди.
Не начинаем ли мы думать как машины?
Зияд Марар. Директор по международным проектам компании Sage; автор книги «Близость: осмысление таинственной силы связей между людьми» (Intimacy: Understanding the Subtle Power of Human Connection)
В предвидении будущего есть что-то старомодное. Большая часть предсказаний, вроде трехдневной рабочей недели, личных джет-паков и безбумажного офиса, больше говорят о временах, когда делались сами прогнозы, чем о наших днях. Когда кто-то простирает руку и указывает в будущее, неплохо бы посмотреть, кому эта рука принадлежит.
Возможность появления универсального искусственного интеллекта уже давно привлекает любителей гаданий с помощью хрустального шара, причем из числа приверженцев как утопических, так и антиутопических взглядов. И все же спекуляции на эту тему достигли такой остроты и интенсивности за последние несколько месяцев (недаром Edge выбрал именно такой вопрос), что можно сделать кое-какие выводы о нас и о нашей культуре сегодня.
Нам уже некоторое время известно, что машины могут превзойти людей в сообразительности в узком смысле слова. Вопрос в том, делают ли они это таким способом, который может или должен походить на более широкий модус человеческого мышления. Даже в такой «послушной» области, как шахматы, компьютер и человек сильно расходятся.
«Послушные» проблемы (например, задача определить высоту горы), которые правильно сформулированы и имеют четкие решения, легко перемалываются жерновами узкоспециализированного мышления. Еще более узкое мышление тоже бывает востребовано, например когда нужно перебрать огромные массивы данных в поиске корреляций, не отвлекаясь на размышления об их причинах.
Но многие из стоящих перед нами проблем — от социального неравенства до выбора школ для наших детей — это «коварные» проблемы, потому что у них нет верных или неверных решений (хотя мы надеемся, что одни из них лучше, а другие хуже). Они исключительно зависимы от контекста и имеют сложную совокупность причин, которые меняются в зависимости от уровня толкования. Эти проблемы плохо сочетаются с узким вычислительным мышлением. Факты в них перемешаны с ценностями, отражая пронизанное эмоциями человеческое мышление, которое их создало.
Для решения «коварных» проблем требуется именно человеческое суждение, даже если оно в каком-то смысле нелогично, особенно в сфере морали. Несмотря на логическое обоснование консеквенциалистского образа мышления, который может воспроизвести компьютер, склонность человека отличать действие от бездействия и смешивать результаты и намерения (как в принципе двойного эффекта) означает, что если нам нужны долгосрочные решения, то они должны удовлетворять человеческим инстинктам судей, то есть нас.
И именно это свойство нашего разума (сформированное эволюционными факторами) указывает на зияющую пропасть между человеческим мышлением и мышлением машины. Мышление не бывает мотивированным без определенных предпочтений, а у машин собственных предпочтений нет. Только разумы, которые понимают, что такое причина и следствие, способны формировать мотивы. Потому, если цели, желания, ценности — свойства человеческого разума, зачем тогда делать прогнозы о том, что искусственные сверхразумы станут чем-то большим, чем инструменты в руках тех, кто их программирует и у кого есть свои предпочтения.
Если сумбурность предсказаний об искусственном интеллекте и машинном обучении нам о чем-то и говорит, то точно не о том, что машина в скором времени сумеет эмулировать человеческий разум. Мы можем запросто добиться того же, рожая больше детей и давая им хорошее образование. Скорее, она говорит нам о том, что аппетиты растут.
Мы, понятное дело, восхищены нынешними достижениями вычислительной науки и теми, которые еще впереди; я бы с удовольствием запрыгнул в вагон этого виртуального беспилотного поезда, несущегося в светлое будущее. Но такое восхищение ведет к своеобразным перекосам в нашей культуре. Прежде метафорой мышления была «республика букв» — литература, а теперь оно все больше ассоциируется с компьютерами. Позади остается некогда спокойный, а ныне тревожный тип личности со складом ума скорее текстовым, нежели символьным. Мы начинаем новую жизнь, утомившись от неуклюжей несостоятельности беспорядочного мышления. Неудивительно, что министр образования Великобритании недавно посоветовала подросткам, стремящимся преуспеть в жизни, отдавать предпочтение точным наукам, а не искусству или гуманитарным дисциплинам. Простота и очевидность успеха определенного рода придает узкоспециализированному мышлению притягательный блеск.
Но кое-что теряется, если целые области исследования становятся успешными или терпят неудачу из-за такой узкой специализации мышления, и возникает новая проблема. Помимо истины, нам также необходимо думать о добре и красоте — и о коварстве тоже. Для этого требуется словарный запас, лучше отражающий нашу противоречивую природу (которую можно считать и «багом», и «фичей»). Понятное стремление сделать «коварные» проблемы «послушными» ведет нас к тому, чтобы умерить свои аппетиты.
Смогут ли машины стать такими же умными, как трехлетние дети?
Элисон Гопник. Психолог, Калифорнийский университет в Беркли; автор книги «Ребенок-философ» (The Philosophical Baby)
Машина способна обыграть Каспарова, но может ли она сравниться умом с трехлетним малышом?
Обучение стало основой нового подъема ИИ. Но лучшие ученики во вселенной — это, определенно, человеческие дети. В ходе последних 10 лет изучающие развитие когнитивисты, часто работающие совместно со специалистами по теории вычислительных систем, пытаются выяснить, каким образом детям удается так много всего выучить за столь короткое время.
Удивительно, как сложно предсказать при создании искусственного интеллекта, что будет сделать легко, а что — сложно. Сперва мы думали, что вещи, которыми занимаются умнейшие из людей, вроде игры в шахматы или доказательства теорем — весь этот экстремальный спорт для «высоколобых» — окажутся самыми сложными для компьютеров. В действительности они оказались легкими. А вот то, что может сделать любой дурак, к примеру опознать предмет или понять его, гораздо труднее. Оказывается, намного проще смоделировать рассуждения хорошо подготовленного взрослого специалиста, чем процесс обучения самого обычного ребенка. Так где же машины, догоняющие по способностям трехлетних детей, и какие типы обучения для них все еще недосягаемы?
За последние 15 лет мы выяснили, что даже младенцы удивительно хорошо справляются с обнаружением статистических паттернов. И специалисты по вычислительным системам изобрели машины, которые тоже исключительно хорошо справляются со статистическим обучением. Технологии вроде глубинного обучения обнаруживают даже очень сложные закономерности в огромных массивах данных. В результате компьютеры вдруг научились делать такое, что раньше для них было невозможно, например давать правильные заголовки для картинок из интернета.
Проблема с таким типом чисто статистического машинного обучения заключается в том, что оно зависит от огромного объема данных, причем они должны быть предварительно обработаны человеческим мозгом. Компьютеры могут распознать картинку из интернета только потому, что миллионы реальных людей редуцировали невероятно сложный набор данных со своей сетчатки до крайне стилизованного, ограниченного и упрощенного снимка со своим котенком в Instagram, а также дали изображению совершенно определенный заголовок. Антиутопия из одного простого факта: на самом деле все мы — компьютеры Google, пребывающие под наркозом иллюзии, что нам просто нравятся картинки с котиками. Однако даже с такой помощью машинам все еще требуются огромные массивы данных и предельно сложные вычисления, чтобы посмотреть на новое изображение и сказать: «Киса!», а детям для этого нужно дать всего лишь пару примеров.
Кроме того, уровень обобщения для такого статистического обучения ограничен, будь вы ребенком, компьютером или ученым. Более мощный способ познания — формулировать гипотезы о том, как устроен мир, и проверять, насколько они согласуются с фактами. Тихо Браге, Google Scholar*
[* Сервис, осуществляющий поиск по научным работам, чьи полные тексты представлены в Сети.]
своего времени, объединил огромный объем данных астрономических наблюдений и смог использовать их для того, чтобы предсказывать положение звезд в будущем. Но Иоганн Кеплер благодаря своей теории смог делать неожиданные, масштабные, совершенно инновационные прогнозы, находившиеся далеко за пределами кругозора Браге. Дошкольники делают то же самое.
Еще одно большое преимущество машинного обучения — это формализация и автоматизация такого типа проверки гипотез. Байесовская теория вероятности стала важной частью процесса познания. Мы можем математически описать некую случайную гипотезу, например о том, как изменения температуры океана влияют на ураганы, а потом вычислить, насколько вероятно, что такая гипотеза верна, на основании данных наблюдений. Машины теперь хорошо умеют проверять и оценивать верность гипотез на основании фактических данных, что оказывает влияние на все на свете — от медицинской диагностики до метеорологии. Когда мы изучаем маленьких детей, то видим, что они рассуждают подобным образом, и это отчасти объясняет, как им удается настолько быстро учиться.
Таким образом, компьютеры прекрасно умеют делать выводы из структурированных гипотез, особенно вероятностные выводы. Но действительно сложная проблема состоит в том, чтобы решить, какие гипотезы из всего их множества достойны того, чтобы их проверять. Даже дошкольники удивительно хорошо справляются с построением творческих, нестандартных гипотез. Они как-то сочетают рациональность и иррациональность, системность и случайность, и мы понятия не имеем, как они это делают. Мысли и действия маленьких детей часто выглядят бессмысленными, даже бредовыми — просто попробуйте как-нибудь поиграть в дочки-матери с трехлетними девочками. Именно поэтому психологи, например Пиаже, думали, что дети иррациональны и нелогичны. Но у них также есть сверхъестественная способность нацеливаться как раз на подходящие странные гипотезы; на самом деле они с этим справляются существенно лучше, чем взрослые.
Конечно, идея вычисления заключается как раз в том, что, как только у нас появляется полное детальное описание определенного процесса, мы можем запрограммировать его в компьютере. В конце концов, мы же знаем, что точно существуют физические системы, которые все это умеют. У большинства из нас есть опыт создания таких систем, и даже приятный опыт (по крайней мере, на ранних этапах). Мы называем эти системы детьми. Вычисление — все-таки лучшее и на самом деле единственное научное объяснение тому, как физический объект, которым является мозг, может действовать разумно. Но пока что нам почти ничего неизвестно о том, как устроен творческий процесс познания, который мы наблюдаем у детей. И пока мы этого не узнаем, самые большие и самые мощные компьютеры не сравнятся с маленькими и слабыми человечками.
Больше фанка, больше соула, больше поэзии и искусства
Томас Басс. Профессор литературы Университета штата Нью-Йорк в Олбани; автор книги «Шпион, который нас любил» (The Spy Who Loved Us)
Мыслить — это хорошо. Понимать — лучше. Создавать — лучше всего. Нас окружают все более разумные машины. Проблема заключается в их приземленности. Они думают о том, как сажать самолеты и продавать мне всякие штуки. Они думают о наблюдении и цензуре. Их мышление неполноценно, если не безнравственно. Сообщается, что в прошлом году компьютер прошел тест Тьюринга. Но он прошел его под видом тринадцатилетнего мальчика, что вполне закономерно, учитывая основной род занятий наших инфантильных машин.
Мне бы очень хотелось, чтобы наши машины повзрослели, стали поэтичнее и обзавелись нормальным чувством юмора. Это должно стать арт-проектом столетия, финансируемым правительствами, негосударственными фондами, университетами и бизнесом. У каждого есть личная заинтересованность в том, чтобы сделать наше мышление более глубоким, улучшить понимание и генерацию новых идей. В последнее время мы приняли много идиотских решений, основанных на недостаточной информации, слишком большом количестве информации или неспособности понять, что эта информация означает.
Мы сталкиваемся со множеством проблем, которые приходится решать. Давайте начнем думать. Давайте начнем создавать. Давайте агитировать за то, чтобы у нас было больше фанка, больше соула, больше поэзии и искусства. Давайте отойдем от наблюдения и продаж. Нам нужно больше художников-программистов и художественного программирования. Нашим мыслящим машинам пора повзрослеть, выйти из подросткового периода, который длится уже 40 лет.
---------------------
Квантовый компьютер: ускользающая машина будущего
Журнал «Нож»
Михаил Петров
3 мая 2018 / Популярное
Квантовый компьютер - машина бесконечности. Никто и впрямь не понимает, как он работает, но мы попытаемся углубить свое непонимание и разобраться, для чего его создают и какие надежды на него возлагают.
---Наш привычный мир рационален
Здесь у каждого события есть свои причины, за зимой более-менее регулярно приходит весна, а поезда следуют из пункта А в пункт Б. Ньютоновская классическая механика, созданная в XVII-XVIII веках, очень подходит для такой жизни: в ней, зная начальное положение системы, параметры тел и силы, действующие между ними, можно точно рассчитать, что произойдет в следующий момент. Но в начале XX века появилась квантовая механика, и привычный мир стал давать трещины.
Оказалось, что с объектами микроскопических масштабов могут происходить удивительные вещи. Электрон одновременно проходит сразу через две щели (квантовая интерференция), две частицы чувствуют друг друга на расстоянии (квантовая перепутанность), а безучастный наблюдатель влияет на ход эксперимента. Весомая, материальная реальность деревьев, домов и нового орбита со вкусом земляники замешана на диком хаосе и неопределенности квантовых частиц.
Это невозможно до конца понять. Сам Альберт Эйнштейн ворчал: «Бог не играет в кости», - возмущенный расчетами квантовой механики, которые дают только вероятности событий или состояний.
Квантовую механику можно только принять, как мы принимаем привычный материальный мир. Принять и научиться использовать мистические законы микромира, чем и занимаются пионеры квантовых вычислений.
---Квантовый мир во плоти
Бит - это основа всех вычислений. Элементарная частица информации - одна ячейка, хранящая 0 или 1, «да» или «нет». Тот же лайк - это изменение содержимого нескольких битов на удаленном сервере в какой-нибудь Исландии, который просчитывает алгоритм, также записанный в битах и запускаемый нажатием мышки.
Основа же квантовых вычислений - это кубит, то есть бит, который может одновременно находиться и в состоянии 0, и в состоянии 1 (квантовая суперпозиция). А если точнее, бит, который внешний наблюдатель может при измерении обнаружить в состоянии 0 с вероятностью, например, 30%, а в состоянии 1 - с вероятностью 70%; нечто вроде микроскопического кота Шредингера, про которого точно не знают, жив он или мертв, пока не откроют коробку.
Кубитами могут быть самые разные физические объекты микроскопических размеров (при более крупных масштабах действие квантовых законов перестает быть ощутимым, и сосуществовать между «да» и «нет», быть одновременно и белым и черным становится затруднительно). Те же самые электроны, уже производящие вычисления в наших неквантовых компьютерах и смартфонах, тоже можно сделать кубитами: вместо 0, скажем, будет вращение электрона по часовой стрелке вокруг собственной оси, а вместо 1 - против часовой (это, конечно, очень упрощенная иллюстрация, но сам принцип, надеемся, понятен).
Правда, у кубитов есть один минус. Практически любое воздействие извне (повышение температуры, загрязнение, влияние электромагнитных полей) может вывести их из хрупкого состояния сосуществования двух альтернатив: открыв коробку, мы точно узнаем, жив кот или нет, а проведенное наблюдателем измерение помогает электрону определиться-таки, в какую же сторону он вращается. Именно поэтому уже построенные 512-кубитовые квантовые компьютеры канадской компании D-Wave напоминают скорее гигантские 10-футовые черные холодильники, которые охлаждают маленький чип до температуры в 150 раз меньшей, чем средняя температура космоса.
Но это еще не все сложности. Квантовые компьютеры не только требуют для своей работы мощных охлаждающих установок, но еще и дают ответы только с определенной вероятностью (Эйнштейн нас предупреждал). 2 + 2 может 100 раз оказаться равным 4, а на 101-й - уже 5.
Наконец, вычисления квантового компьютера невозможно отследить. Исследователь может только приготовить начальный набор кубитов, запустить их в написанный квантовый алгоритм, где они будут взаимодействовать друг с другом, и ждать конца вычисления. Любая попытка подсмотреть, что происходит внутри чипа, какой бы аккуратной она ни казалась, все равно будет критична для квантовых систем. Даже несколько фотонов света, просто необходимых наблюдателю, чтобы что-то увидеть, сломают все хрупкие квантовые перепутанности и суперпозиции. Магия разрушится.
Разбуженный посреди ночи человек никогда не узнает концовку сна. Сбитый на полпути квантовый компьютер уже не доведет вычисление до конца. Неудивительно, что ввиду всех этих странностей многие специалисты сильно сомневаются, что человечеству нужны квантовые компьютеры. И еще сильнее - что компания D-Wave действительно их создала. Ведь отследить, что происходит внутри квантового чипа, невозможно, а кроме него и гигантского холодильника в системах D-Wave пока есть и вполне привычные кремниевые компьютеры, с помощью которых пользователь управляет всем этим квантовым хаосом.
Не особо впечатлили скептиков и первые успехи D-Wave: их 16-кубитные компьютеры, выпущенные в 2007 году, уже умели решать судоку, рассаживать людей за обеденным столом и даже искать молекулы по базам данных - но воображение явно не поражали. Дескать, все это умеет и обычный компьютер, старательно замаскированный огромной охлаждающей системой под машину будущего.
Но как же НАСА и ЦРУ? Поддерживают разработки дорогих игрушек? Попробуем разобраться, что же все-таки умеют и чему еще должны научиться квантовые компьютеры.
---Направление 1. Моделирование сложных физических систем
Впервые о квантовых компьютерах в начале 80-х заговорил известный американский физик Ричард Фейнман. Его идея была предельно проста: подобное понимается через подобное. Исследователям все чаще были нужны не просто теоретические расчеты квантовых систем, но и моделирование их поведения, которое невозможно осуществить на обычном компьютере за какое-нибудь разумное время. Ведь если одна квантовая частица может находиться одновременно в двух состояниях (0 и 1), то система из двух частиц - уже в четырех (00, 01, 10, 11), из трех - в восьми (000, 001, …, 111) и т. д.
Получается, для моделирования системы, скажем, из 10 электронов нужно сразу 1024 (2 ^10 = 1024) параллельно вычисляющих процессора, поскольку изменение состояния каждого электрона может эффектом домино моментально отразиться и на всех остальных частицах (одни комбинации нулей и единичек станут более вероятными, другие - менее), а обычный кремниевый процессор не умеет менять состояние сразу двух битов.
Впрочем, ощутимых практических успехов в области моделирования пока не добились. Но зато уже понятно, что идеальный квантовый компьютер, будь он построен, по своей вычислительной мощности превзойдет самые мощные современные машины. Ведь тот же 512-кубитовый чип - это 2 параллельно 10 512 (?) работающих процессоров. Для сравнения: количество элементарных частиц во всей Вселенной, по оценкам ученых, не превышает 2 (?). Так что если даже каждая из них вдруг станет обычным цифровым процессором в огромном компьютере, D-Wave все равно решит свое судоку быстрее этой невообразимой махины.
---Направление 2. Квантовая криптография
Первый рабочий алгоритм для квантовых компьютеров появился только в 1994-м: американский ученый Питер Шор придумал, как с их помощью раскладывать числа на простые сомножители, а еще через 7 лет IBM показала программу, убедительно высчитывающую 15 = 5 ? 3 (?).
Результат выглядит не очень впечатляюще, но ставит под угрозу почти всю современную систему безопасности данных. Дело в том, что один из самых распространенных криптографических алгоритмов, RSA-алгоритм, основан как раз на перемножении простых чисел, а точнее на невозможности за короткое время разложить число на простые сомножители. Одно дело, когда умножают 5 на 3, а другое - когда одно число с сотней знаков на другое с двумя сотнями. Разложить получающееся произведение, которое передают по открытому каналу как ключ к зашифрованной информации, обратно на сомножители за время, не превышающее время жизни Вселенной, обычному компьютеру пока не под силу. А вот квантовому - вполне.
Правда, серьезных прорывов в этой области пока так и не случилось. Или же о них просто предпочли умолчать.
---Направление 3. Задачи поиска
Самых больших успехов квантовые компьютеры добились пока в задачах поиска. Так, 23 августа 2012 года появилось сообщение, что 128-кубитовый D-Wave One успешно справился с поставленной задачей - нашел трехмерную структуру белка по 100 известной последовательности его аминокислот.
Еще раньше в офис D-Wave Systems с чуть более понятным для обычного человека запросом обратилась компания NASA. Они хотели, чтобы квантовый компьютер занялся вполне привычным делом, но в непривычной обстановке - проложил маршрут из точки А в точку Б для марсохода Curiosity. Чем закончился тот визит, доподлинно не известно, но спустя некоторое время NASA, Google и D-Wave создали совместную лабораторию квантового искусственного интеллекта.
Квантовому компьютеру по плечу почти любая задача поиска: найти нужный номер телефона в пухлом справочнике или неожиданную закономерность в финансовых данных становится делом нескольких секунд. Современный американский физик Сет Ллойд даже создал универсальный алгоритм для 70-кубитного процессора, который может искать нужные последовательности в огромной базе расшифрованных генов всего человечества (геном одного человека содержит примерно 0,25 гигабайта информации) - если такая база когда-либо будет создана; или заменить собой гугл и яндекс - уже сейчас.
Легенда гласит, что Сет даже рассказал руководителям Google о своей идее квантового поисковика, случайно оказавшись с ними в одном джакузи, но те не приняли вызов. Кроме невероятной эффективности, алгоритм обладал еще одной особенностью: он делал все запросы и действия пользователя абсолютно невидимыми для постороннего - квантовый компьютер не позволяет подсматривать за своей работой. Впрочем, Ллойд вряд ли расстроился. Он все равно считает, что вся Вселенная - это огромный квантовый компьютер.
---------------------
«Ни один из вдохов не похож на другой»: как мозг регулирует работу легких
«Теории и практики»
18 сентября 2019 / Открытое чтение
Сердечный ритм, терморегулирование, секреция желез и работа многих других систем организма не зависит от нашего сознательного участия. Но, в отличие от всех этих процессов, дыхание бывает как произвольным, так и автономным, и отвечают за это разные участки мозга. Иногда даже в одном конкретном цикле дыхания происходит разделение труда: автономный вдох и произвольный выдох. С дыханием связаны и другие интересные вопросы. Почему выдох почти в два раза длиннее, чем вдох? Для чего мы зеваем и отчего икаем? Каковы причины синдрома внезапной детской смерти? И зачем дышать в пакет, если у вас паника? Обо всем этом - в отрывке из книги «Захватывающий мир легких» пульмонолога Кая-Михаэля Бе.
Захватывающий мир легких
Кай-Михаэль Бе
Попурри. 2019
[…] Смерть пришла во сне. Пациент, которого с признаками инсульта доставили в неврологическое отделение местной больницы, поначалу вроде бы неплохо шел на поправку. Кровообращение продолговатого мозга заметно улучшилось после нескольких дней лечения. Все сошлись на том, что имеют дело с рутинной ситуацией. А затем случился драматичный поворот: во время сна у пациента остановилось дыхание и он впал в кому. Сразу же были приняты меры по искусственной вентиляции легких, и больного удалось привести в сознание. Но, хотя днем состояние стабилизировалось, ночью после засыпания все началось сначала: летаргия, остановка дыхания, кома. И снова к пациенту была подключена аппаратура, с помощью которой его состояние быстро удалось привести в норму. На следующий день повторилось то же самое: пока больной находился в сознании, у него было регулярное глубокое дыхание, а стоило ему уснуть, как оно останавливалось, словно кто-то выдернул шнур из розетки.
Но следующего ночного эпизода и очередной комы пациент уже не перенес. На фоне кислородного голодания у него случился инфаркт, и вскоре он умер. Поразило его «проклятие Ундины».
Американские врачи впервые описали этот редкий и загадочный случай в 1962 году. Вскоре феномен повторился у трех пациентов, перенесших операцию на мозге: в состоянии бодрствования все они дышали совершенно нормально, но, как только наступала ночь и они засыпали, дыхание останавливалось. Если их вовремя не будили, возникал серьезный дефицит кислорода, угрожавший жизни. Такая непроизвольная потеря организмом своих функций напомнила врачам легенду о русалке Ундине: для обеспечения верности любимого, жившего на суше, она заколдовала его таким образом, чтобы в случае измены он утрачивал контроль над вегетативными жизненными функциями. Поэтому врачи, описывавшие случаи непроизвольной ночной остановки дыхания, назвали это заболевание «проклятием Ундины». Персонаж Ундины вдохновил Ханса Кристиана Андерсена на написание сказки «Русалочка», а Уолт Дисней снял на ее основе мультфильм. Разумеется, в нем не было ни смертей, ни остановок дыхания и все жили счастливо до скончания веков!
Что же кроется за этим «проклятием»?
Мозг управляет как произвольным, так и автономным дыханием, но отвечают за это разные его участки.
Главный дыхательный центр человека находится в глубине головного мозга неподалеку от его перехода в спинной мозг. Это так называемый продолговатый мозг, а точнее говоря, его часть, носящая название «мост». Здесь находятся нервные клетки, которые, подобно метроному, регулярно посылают импульсы, активизирующие дыхание, что обеспечивает спокойный равномерный ритм дыхания, составляющий от 10 до 15 вдохов в минуту, в том числе и во сне. Командный центр в продолговатом мозге связан нервными волокнами спинного мозга с дыхательными мышцами. Эти волокна на уровне третьего шейного позвонка отходят от спинномозгового канала, образуя правый и левый диафрагмальные нервы, которые спускаются через грудную полость к диафрагме. Поэтому повреждения шейного отдела позвоночника всегда несут в себе угрозу для жизни. В отличие от поперечного поражения спинного мозга в грудном или поясничном отделе, при котором наступает паралич, здесь речь идет о полном отказе дыхания. Неконтролируемое возбуждение этих нервов выражается в таком неприятном явлении, как икота. Ее причиной становятся внезапные подергивания диафрагмы под влиянием случайных нервных импульсов.
Но дыхательный центр представляет собой не только передающую, но и принимающую станцию, которая также важна для регулирования дыхания. В частности, он должен реагировать на изменения потребности организма в воздухе в зависимости от физической нагрузки и соответствующим образом регулировать частоту дыхания. Эту информацию дыхательный центр в первую очередь получает от так называемых хеморецепторов - датчиков, которые расположены на стенках аорты и в самом продолговатом мозге и которые реагируют на изменения содержания углекислого газа и кислорода в крови. Кроме того, в крупных группах мышц существуют датчики растяжения, передающие в мозг сигналы об усиленной деятельности мышц, чтобы тот повысил частоту дыхания. Возникает своего рода замкнутая цепь автоматического регулирования. При повышении активности мышц увеличивается расход кислорода для восполнения энергии, а за счет этого растет выработка углекислого газа. Совместно с другими отходами производства в мышцах, такими, например, как соединения молочной кислоты, углекислый газ вызывает повышение кислотности крови. Оба фактора - высокое содержание углекислого газа и изменение показателя pH - активизируют датчики в аортах и мозге, а тот, в свою очередь, увеличивает частоту импульсов дыхания. Диафрагма совершает более глубокие и частые движения, вследствие чего из организма выводится больше углекислого газа, а в него поступает больше кислорода. Уровень pH нормализуется. Регулирующая цепь замыкается, и частота дыхания вновь снижается.
Как ни странно, дыхательный центр буквально помешан на углекислом газе.
Как бы ни был важен кислород для выработки энергии и поддержания жизнедеятельности органов, все датчики центра дыхания заботятся исключительно об удалении отходов, реагируют только на изменения концентрации углекислого газа и показателей кислотности крови. Колебания содержания кислорода их абсолютно не волнуют, и на это есть веская причина: почти все процессы обмена веществ в организме протекают только при определенных показателях pH. Так что поддержание их стабильности - главная задача продолговатого мозга.
Кроме того, дыхательный центр получает нервные импульсы от других областей мозга, в частности от гипоталамуса. Это приводит к тому, что характер дыхания непроизвольно меняется под влиянием таких эмоций, как грусть, радость, возбуждение, гнев, агрессия, влюбленность. Произвольное управление дыханием осуществляется в коре головного мозга. Она способна вносить изменения в основной ритм, задаваемый продолговатым мозгом, когда дыхание требуется для других процессов, обычно для речи. Но если кора мозга отдыхает (например, во сне), то командование автоматически берет на себя продолговатый мозг.
Иногда даже в одном конкретном цикле дыхания происходит разделение труда: автономный вдох и произвольный выдох.
Ведь, в отличие от вдоха, который осуществляется за счет активного сокращения диафрагмы и расширения грудной клетки, выдох почти всегда является чисто пассивным процессом: легкие, грудная клетка и диафрагма просто возвращаются в исходное состояние, словно растянутая пружина, с которой сняли нагрузку. На этот возврат мозг отводит определенное время. У здоровых людей выдох длится примерно вдвое дольше, чем вдох. Если процесс затягивается (например, из-за снижения эластичности легких вследствие заболевания), мозг включает режим активных усилий для выдоха, чтобы оставаться «в графике». То же самое происходит и при высокой частоте дыхания, когда организм работает под нагрузкой, - в этой ситуации продолжительность обычного пассивного выдоха была бы слишком большой. Однако при всей гармонии бесспорным остается одно: автономная составляющая контроля дыхания играет доминирующую роль. Попробуйте сами задержать дыхание, насколько возможно. В итоге все равно победит продолговатый мозг.
Нарушения в работе дыхательного центра - это всегда тяжелейшие заболевания.
У пациентов с «проклятием Ундины» структуры продолговатого мозга, контролирующие непроизвольное дыхание во сне, полностью или частично разрушены, например в результате инсульта.
Могут сказаться также травмы, новообразования и инфекции. Существует и врожденная форма «проклятия». Если кора мозга исправно выполняет свои функции, то в состоянии бодрствования она подменяет продолговатый мозг. Чтобы не лишать пациентов сна, по ночам их приходится подключать к аппарату искусственной вентиляции легких или устанавливать электрический стимулятор работы диафрагмы.
Бесперебойная работа продолговатого мозга важна еще и потому, что он не только управляет вегетативными функциями во сне, но и контролирует их. Едва возникают экстренные ситуации (снижение артериального давления, болевые импульсы из различных частей тела, изменение содержания углекислого газа в крови), он тут же поднимает по тревоге кору головного мозга, и человек моментально просыпается. К сожалению, эта хитроумная система «сдержек и противовесов» не всегда работает идеально. Как и все сложные процессы управления центральной нервной системой, она нуждается в развитии и обучении.
Особенно трагичным примером сбоя в системе является синдром внезапной детской смерти. У малышей по какой-то неизвестной причине оказывается нарушена система аварийной сигнализации при отказе дыхания.
Паузы в дыхании, которые у младенцев возникают регулярно и являются признаком «обучения» дыхательного центра, внезапно перестают давать мозгу сигнал к пробуждению, и ребенок умирает во сне без каких-либо видимых причин. Это кошмар для любого родителя.
Может случиться и противоположная ситуация, когда отказывает кора мозга, а продолговатый мозг сохраняет свои функции. Такое бывает, например, при тяжелой черепно-мозговой травме или инфекции мозга. В этом состоянии апаллического синдрома, который называют также бодрствующей комой, полностью пропадает сознание и пациенты теряют способность к произвольному дыханию. Однако продолговатый мозг продолжает работать, поэтому нет надобности в искусственной вентиляции легких. Контроль над дыхательными процессами со стороны медицинского персонала имеет огромное значение для пациентов, находящихся в коме. Продолжительное отсутствие дыхательной активности свидетельствует о необратимом повреждении продолговатого мозга. Поскольку эта часть мозга при тяжелых травмах отмирает, как правило, последней, прекращение ее функций (наряду с прочими критериями) позволяет сделать вывод об окончательной смерти мозга и, следовательно, констатировать смерть пациента.
Другое, значительно более частое, но в большинстве своем не опасное нарушение контрольных функций дыхания носит название гипервентиляционного синдрома. Эмоциональное или психическое возбуждение, вызванное, к примеру, страхом либо паникой, приводит к чрезмерной стимуляции дыхательного центра в продолговатом мозге.
Глубокое ускоренное дыхание снижает уровень углекислого газа в крови, а показатель pH растет, создавая щелочную реакцию. Следствием становятся судороги, головокружение и помрачение сознания.
Эти симптомы дополнительно усиливают ощущение страха в гипоталамусе, и возникает заколдованный круг. Если пациент не может успокоиться самостоятельно, то нормализовать его состояние помогает повторное вдыхание выдыхаемого углекислого газа (для этого достаточно приложить ко рту полиэтиленовый пакет и подышать из него). Симптомы исчезают, и эмоциональное возбуждение затихает. Таким образом, если у вашей начальницы опять начинается «гипервентиляция», отнеситесь к этому снисходительно - возможно, все дело в гипоталамусе. В таких случаях достаточно энергичного возгласа: «Задержи дыхание!» Подобный приказ должен восприниматься не как неуместная дерзость, а как ценная медицинская рекомендация, заменяющая применение полиэтиленового пакета: благодаря этому углекислый газ временно перестает удаляться из организма, его содержание в крови нормализуется, а состояние опять приходит в норму. Кора мозга вмешивается в процесс, разрывая цепь между гипоталамусом и продолговатым мозгом. Данный пример демонстрирует, что, когда речь идет о вегетативных последствиях эмоционального всплеска, не надо безучастно наблюдать за происходящим. Вы можете взять на себя командные функции нервной системы и повлиять на ситуацию. Тесная связь эмоций, автономной нервной системы и произвольного контроля дыхания открывает широкие возможности. По крайней мере, один из элементов этой цепи находится под вашим личным контролем! Необходимо только освоить приемы, с помощью которых можно влиять на собственное самочувствие, сознательным усилием успокаивать вегетативную нервную систему. […]
Что же передают легкие по своим каналам? Пустые сплетни? Или мы имеем дело с неиспользуемыми избыточными мощностями? Отнюдь, от легких поступает не меньше информации, чем от органов чувств, но все эти сведения перерабатываются мозгом в подсознании. Правда, есть исключение: раздражение, приводящее к рефлекторному кашлю, или нехватка воздуха воспринимаются напрямую, как и сигналы от органов чувств. Но информация, обрабатываемая подсознанием, влияет на другие автономные функции организма, например на артериальное давление, сердечный ритм, пищеварение, потоотделение, проявление эмоций… А также на психические процессы.
Какую же информацию посылают легкие, если речь не идет об оптических и акустических сигналах, болевых либо тактильных ощущениях? Почти все эти сигналы имеют химическую или физическую природу. Хотя процесс дыхания и выглядит монотонным, ни один из 15 вдохов, которые мы делаем в минуту, не похож на другой, ведь каждый литр вдыхаемого воздуха особенный. Легкие относятся к воздуху не как потребитель, а как тонкий ценитель. Подобно сомелье, который находит в крошечном глотке вина привкусы дубовой бочки, земли, абрикоса, персика, сигары и мокрой кожи, легкие во вдыхаемом воздухе выделяют такие параметры, как температура, влажность, содержание солей, показатель pH, состав газов. Кроме того, воздух может содержать раздражающие и вредные вещества, чужеродные частицы, аллергены.
В легких, как и на языке и в носу, имеются вкусовые сосочки и рецепторы запахов.
Они могут выявлять продукты бактериального обмена веществ и определять на вкус многие яды. У них есть такие же рецепторы, которые в носу и во рту воспринимают, к примеру, освежающий аромат растительных эфирных масел. Но поскольку обработка сигналов от этих рецепторов в легких происходит без участия сознания, то мы можем только догадываться, какой эффект раздражители оказывают на дыхательные пути и автономную нервную систему. Бесспорно лишь то, что для распознавания, различения и измерения всех этих компонентов нужны очень чувствительные нервы. А их в легких хватает.
Чувствительные нервные волокна легких начинаются там, где можно собрать максимум информации: в бронхиальных мышцах, железах, альвеолах и, прежде всего, в эпителии. Здесь происходят главные события. Зачем же прокладывать линии передач от клеток соединительной ткани, в которых ничего не случается, если рядом бурлит жизнь? Эпителий дыхательных путей предлагает самую лучшую и разнообразную программу. Там регулярно происходят неприятности и скандалы, обеспечивающие самый высокий зрительский рейтинг! Не все волокна передают сенсации из эпителия, некоторым приходится довольствоваться скучной, но важной работой датчиков растяжения тканей. Их сигналы имеют большое значение, потому что они в буквальном смысле защищают легкие от разрывов. Когда легкие под воздействием диафрагмы достигают определенной степени растяжения, датчики посылают в дыхательный центр продолговатого мозга сигнал стоп. Мозг в свою очередь прекращает сокращение диафрагмы и подает сигнал на начало выдоха. Главное - ничего не порвать.
Спортсмены знают, насколько важна растяжка как средство профилактики травм. Легкие тоже время от времени осуществляют спонтанную растяжку - во время зевания.
Если дыхание на протяжении длительного времени носит спокойный и поверхностный характер, то датчики растяжения начинают скучать и вызывают зевательный рефлекс. Точно так же как мы устраиваем дома сквозняк, чтобы быстро проветрить комнаты.
Но вернемся к нервным окончаниям эпителия дыхательных путей. Здесь размещается густая сеть рецепторов, реагирующих на химические и физические раздражители, которыми могут быть частицы пыли, вещества, растворенные в водяных парах, продукты жизнедеятельности бактерий, соляная кислота, капсаицин, отвечающий за жгучий вкус перца чили, слизь, а также сигнальные вещества иммунной системы, выделяемые при воспалениях, и даже холод и тепло. Нервы сообщают обо всем, что оказывает на них воздействие. В здоровом состоянии их чувствительные окончания защищены эпителием дыхательных путей, но если он поврежден, окончания лишаются защиты, выступают над поверхностью и начинают реагировать на раздражения. Самыми частыми причинами повреждений эпителия являются простудные вирусы и воспаления, возникающие, к примеру, в результате аллергии, инфекции или контакта с вредными веществами. В этом случае чувствительные нервные окончания посылают мозгу сигналы тревоги, который отвечает на них защитными рефлексами бронхов, устраняющими причину раздражения или предотвращающими ее распространение на более глубокие участки дыхательных путей. К таким рефлекторным реакциям относятся кашель, выработка слизи и спазм бронхиальных мышц.
Чувствительные нервные окончания эпителия особенно интересны в плане изучения хронических заболеваний дыхательных путей. По своим функциям в бронхах они удивительно напоминают рецепторы, фиксирующие повреждения кожи, - ноцицепторы. Задача последних заключается в том, чтобы предупреждать мозг о грозящих повреждениях кожи в результате внешнего воздействия. Создавая болевое ощущение, они провоцируют немедленную реакцию, например отдергивание руки от горячей кухонной плиты. В дыхательных путях в таких случаях вместо боли возникает кашель.
Как и болевые рецепторы кожи, чувствительные нервные окончания в легких могут подвергаться постоянному раздражению. Если в первом случае отмечаются хронические боли, то во втором - хронический нескончаемый кашель, который может продолжаться несколько месяцев.
Пока неясно, каким образом можно нормализовать нарушенный рефлекс кашля. Но то, что существует принципиальная возможность манипулировать степенью возбудимости нервных окончаний, доказывают курильщики. Первоначальный рефлекторный кашель со временем исчезает, в противном случае все бы закончилось уже на первой сигарете. Обращает на себя внимание и еще один аспект, наблюдаемый у начинающих курильщиков: несмотря на сильный кашель, возникающий при курении первой сигареты, спазматического сужения бронхов практически не бывает. Таким образом, необязательно могут появляться все три рефлекторные реакции, иногда они делят обязанности между собой. Это подтверждается и повседневными наблюдениями практикующих врачей: лишь немногие астматики наряду с сужением бронхов страдают и сильным кашлем. При заболевании бронхитом у одних пациентов отмечается сухой кашель, а у других происходит чрезмерное образование слизи. Почему так бывает, нам пока неизвестно. […]
--------------------
«Вообще ЧУМА! История болезней от лихорадки до Паркинсона»
«N + 1»
20 Авг. 2019 / Медицина, Премия «Просветитель»
Книга «Вообще ЧУМА! История болезней от лихорадки до Паркинсона» (издательство АСТ) соавторов Алексея Паевского и Анны Хоружей рассказывает о том, как человечество исследовало самые загадочные заболевания со времен Авиценны и до наших дней и училось успешно (или не очень) их лечить. Оргкомитет премии «Просветитель» включил их книгу в «длинный список» из 25 книг, среди которых будут выбраны финалисты и лауреаты премии. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с историей открытия и изучения болезни Шарко-Мари-Тута, постепенно лишающей человека возможности передвигаться.
---Болезнь Шарко-Мари-Тута
Медицина - это одна из тех областей человеческого знания, где очень много имен. Сколько болезней, сколько симптомов носят имена тех, кто впервые описал их! А что делать, если описания вышли практически одновременно? Поступают так же, как и с кометами - пишут через дефис. О комете Чурюмова-Герасименко слышали? Ну вот. Только иногда случается так, что двух фамилий для справедливости не хватает. Так получилось и с «персонажем» нынешней главы - болезнью Шарко-Мари-Тута, которая изменила не один десяток жизней и даже изображалась на полотнах художников. Во всяком случае, на одном - точно, как установили на очередной конференции представители своеобразного общества любителей истории медицины.
Для начала давайте поговорим об искусстве.
«Мир Кристины» - одно из самых узнаваемых произведений в американской истории изящных наук. Оно создано в 1948 году художником Эндрю Уайетом. Полотно находится в Музее современного искусства в Нью-Йорке, и на нем изображена молодая женщина, которая, лежа в поле, смотрит на дом и всей своей позой устремлена к нему. Действие происходит в идиллический летний день.
Однако этот образ, который может показаться непосвященному прекрасным, имеет темную сторону. Главная героиня картины - хороший друг и соседка художника Кристина Олсон (правда, позировала Уайету именно для этого произведения его жена). Уайеты и Олсоны дружили, знаменитый дом Олсонов в городке Кушинг штата Мэн часто появлялся на картинах Уайета, а одной из самых известных его работ стал «Вид из окна дома Олсонов» - потрясающе написанное окно с прозрачной занавеской, колышущейся от ветра, и солнечным видом за окном.
На протяжении большей части своей жизни Кристина страдала от таинственного недуга, который постепенно лишал ее возможности передвигаться. Когда ей было 19, она могла делать все что угодно: бегать по лугам, скакать на коне, прогуливаться в саду и весело щебетать о чем-то со своими подругами на пляже. Но уже в 26 Кристина могла пройти без посторонней помощи только 3-4 шага.
Ее воля к жизни и желание узнавать мир несмотря ни на что поразили Уайета, который в итоге решился написать такой вот ее портрет. Почему на картине изображена не сама Кристина Олсон, а молодая жена Уайета Бетси? Дело в том, что когда создавалось полотно, самой Кристине уже исполнилось 55, а художник хотел изобразить героиню в тот момент, когда неподвижность только обрушилась на нее.
Умерла она в возрасте 74 лет, перед этим став окончательно прикованной к инвалидному креслу. Врачи, однако, так и не смогли поставить ей точный диагноз. Это продолжалось вплоть до нашего времени, а именно до 2016 года, хотя в энциклопедиях можно прочесть, что недугом, лишившим героиню полотна способности ходить, был полиомиелит или рассеянный склероз.
Свое предположение относительно диагноза Кристины высказал детский невролог Марк Паттерсон (кстати, главный редактор «The Child Neurology»), профессор клиники Майо. По его мнению, Кристина с высокой степенью вероятности страдала начальной формой болезни Шарко-Мари-Тута - наследственной нейропатией, поражающей периферическую нервную систему.
«Это был интересный случай. «Мир Кристины» - моя любимая картина, а вопрос о болезни Кристины - это интригующая медицинская загадка. Я думаю, что ее случай лучше всего соответствует профилю данного заболевания», - говорит Паттерсон.
Доклад невролога «Пациент как искусство» состоялся 6 мая на 23-й Исторической клинико-патологической конференции. Этот любопытный форум основали в 1995 году историки медицины во главе с Филиппом Маковяком из Университета штата Мэриленд. Каждый год на конференции разбирается клинический случай некой исторической личности - от Эхнатона до Ленина, Дарвина и Жанны д’Арк (в последнем случае - не причина смерти, а психиатрический диагноз). Такая вот игра ума медицинских светил.
И вот мы подошли вплотную к самому заболеванию.
Первых официальных описаний недуга, который нынче носит код G60.0 в Международной классификации болезней десятого пересмотра (МКБ-10) и дополнительное название «наследственная моторно-сенсорная невропатия», было два.
Практически одновременно в 1886 году появилось две работы. В журнале «La revue de medicine» вышла статья маститого и вездесущего Жана Мартена Шарко, которому на тот момент исполнился 61 год и который уже заработал всемирную известность своими работами в неврологии и описаниями различных заболеваний и симптомов. Вместе с ним в соавторстве шел его 33-летний ученик Пьер Мари, доктор со всего лишь трехлетним стажем. Впрочем, он уже был «Chef de Clinique et Chef de Laboratoire» у Шарко.
Одновременно напечатали и работу 30-летнего лондонского невролога Говарда Генри Тута, лишь год назад получившего заветную приставку MD к своей фамилии. В этих совершенно независимых трудах было полностью описано новое заболевание, которое до сих пор носит имя всех трех авторов этих работ: болезнь Шарко-Мари-Тута (CMT).
Именно тогда сформулировали и восемь характерных признаков заболевания:
•мышечная атрофия (попросту говоря - отмирание мышц), начинающаяся с нижних конечностей и медленно прогрессирующая вверх;
•позднее поражение ладоней и предплечий;
•частое поражение нескольких членов семей;
•сохранение мышечной активности ближайших к корпусу частей рук и ног;
•фибриллярные сокращения пораженных мышц туловища, плеч, лица;
•вазомоторные (связанные с возбудимостью стенки сосудов) расстройства в пораженных частях конечностей, клинически нормальная чувствительность;
•частые судороги;
•частый дебют заболевания в детстве.
Разумеется, историки науки, покопавшись в медицинских публикациях XIX века, без проблем находят описания случаев этой болезни до трудов Шарко-Мари и Тута - например, у Рудольфа Вирхофа в 1855 году, но никто из авторов не выделял отдельного заболевания и не описывал его признаки.
Правда, французы разошлись с англичанином по поводу причин заболевания. Шарко и Мари, не делая окончательного вывода, все-таки склонялись к поражению спинного мозга, Тут в свою очередь говорил о патологии периферических нервов. И оказался прав: сейчас для постановки диагноза изучают биопсию периферических нервов.
---Жан Мартен Шарко
Однако описывать заболевание было бы неправильно без подробного упоминания о действительно великом враче Жане Мартене Шарко. Если бы этот человек дожил до начала XX века, то с высокой вероятностью стал бы лауреатом Нобелевской премии по физиологии или медицине. Увы, он прожил всего 67 лет, но фактически создал неврологию как науку. По крайней мере, очень много неврологических заболеваний описано именно им, многие методы лечения предложил тоже он. Не говоря о том, сколько сделали его известные ученики: Жорж Туретт, Поль Рише, Пьер Жане, Альфред Бине, Пьер Мари, Жозеф Бабинский, Владимир Бехтерев и Зигмунд Фрейд.
Родился он в Париже 29 ноября 1825 года в семье бедных ремесленников-каретников, тогда, когда неврология как отдельная наука еще даже не появилась. Он единственный из трех братьев получил высшее образование, так как оказался в школе самым смышленым, за что его и поддержал отец в получении дальнейшего образования. К сожалению, родители не могли позволить себе обучение всех своих детей. Поэтому выбирали, как говорится, «по способностям».
После окончания лицея в 1844 году Жан-Мартен поступил на медицинский факультет Парижского университета. Шарко отлично рисовал, поэтому впоследствии, уже будучи врачом, он сам воссоздавал образы своих больных и визуализировал анатомические препараты в качестве демонстраций к своим лекциям и книгам. Жизнь и блестящая карьера французского невропатолога неразрывно связаны с Парижской больницей Сальпетриер (Hospital de la Salpetriere), куда он пришел в качестве интерна в 1848 году. Слово Сальпетриер переводится с французского как «склад селитры». Это странное название появилось благодаря пороховой фабрике, на месте которой и построили больницу в 1684 году в качестве женского приюта для престарелых и нищих, душевнобольных и проституток, а также как тюрьму для женщин, осужденных за воровство, убийство и супружескую неверность. К середине XIX века больница, к счастью, утратила свои тюремные функции.
Ко времени поступления Шарко на службу в Сальпетриер на попечении больницы находилось пять тысяч больных бездомных женщин всех возрастов: от детей до глубоких старух. Большинство из них неизлечимо болели или имели какие-то врожденные аномалии развития, поэтому больница представляла собой эдакий музей живой патологии. Шарко понимал всю необходимость исследований, а так как денег и лабораторного оборудования не поступало, мастерил нужные приборы сам. Своими же силами он в дальнейшем организовал патологоанатомический музей, кабинеты рисунка, скульптуры и фотографии, огромную медицинскую библиотеку. При нем открыли и первое мужское отделение.
Лишь во второй половине XIX века Шарко наконец систематизировал сложнейшую семиотику известных на тот момент неврологических болезней и синдромов; он же предложил новые методы диагностики и лечения, создал ведущую в мире школу в области неврологии и гипнологии.
Рассеянный склероз впервые описали еще в XIV веке, Шарко же создал его дифференциальный диагностический ряд и то же сделал для болезни Паркинсона и бокового амиотрофического склероза (БАС, болезнь Шарко или болезнь Лу Герига, о нем мы тоже расскажем). Он, помимо всего прочего, владел и гистологической техникой, поэтому описал не только особенности клинического течения, но и посмертные анатомические признаки рассеянного склероза в мозге - очаги рассеянных бляшек.
Ученый взрастил под своим началом и немало других прекрасных специалистов своего дела. Например, Жиль де ля Туретт, о котором мы поговорим в одной из следующих глав, в 1885 году опубликовал серию клинических наблюдений множественных моторных тиков в качестве самостоятельных двигательных феноменов, и именно с его легкой руки расстройство получило название «болезнь или синдром Туретта».
Кстати, наверняка многим известен душ Шарко. Это плотная и толстая струя воды, которая направляется медицинским работником и под большим давлением «выстреливает» в тело пациента с расстояния 3-5 метров. Благодаря постоянной смене температуры воды с горячей на холодную, а также мощнейшему массажному действию, душ обладает поистине будоражащим эффектом, во много раз ускоряя обмен веществ и необходимые процессы регенерации. И эту целебную струю в качестве одного из методов гидротерапии для лечения неврологических заболеваний, как несложно догадаться, предложил Шарко.
Занимался он и истерией. Вплоть до XIX века ее происхождение так или иначе связывали с женской половой сферой. И только в 1859 году Поль Брике упомянул о том, что «истерия - это общее заболевание, изменяющее функционирование всего организма», а в ее патогенезе бoльшую роль придал нарушениям в сфере поведения. Шарко с ним соглашался и полагал, что истерические проявления (параличи, парезы, слепота и так далее) связаны именно с психической деятельностью. Причем не только полагал, но и экспериментально доказал свою точку зрения, вызывая паралич или нечувствительность кожи у больных истерией при помощи гипноза. Так же при помощи гипнотического воздействия ему удавалось хорошо излечивать эти состояния. Шарко первый стал диагностировать истерию у мужчин (неслыханная дерзость для психиатрии XIX века!).
Наверное, самого известного ученика Жана-Мартена - Зигмунда Фрейда, который потом пошел по стопам учителя в психиатрии - даже как-то осмеяли в Венском Врачебном обществе, когда тот сообщил об описанных в Париже случаях мужской истерии. Кроме этого, у Шарко учился основатель российской нейронауки - Владимир Бехтерев.
Вильгельм Эрб, Альфред Вульпиан, Жиль де ла Туретт, Жозеф Бабинский, Жюль Бернар Люис, Пьер Мари, Дезир Бурневилль, Эдуард Бриссо, Владимир Бехтерев, Александр Кожевников, Ливерий Даркшевич - список еще можно продолжать и продолжать, и все будут имена, отнюдь неврологии не чуждые.
---Болезнь Шарко-Мари-Тута
Но все же вернемся к болезни Шарко-Мари-Тута.
Конечно же, современная неврология знает об этом заболевании гораздо больше. Появились дополнительные важные признаки, которые позволяют уже на клиническом этапе предположить более точный диагноз (вкупе с остальными характерными чертами): например, онемение в стопах, высокий свод стопы (pes cavus).
На самом деле болезнь Шарко-Мари-Тута - это даже не одно заболевание, а четыре. Есть три разновидности, связанные с поражением миелиновой оболочки нейронов (демиелинизирующие нейропатии, CMT1, CMT2 и CMT4), и CMT3, которая представляет собой поражение аксонов (аксональная нейропатия).
Эпидемиологические исследования говорят, что сей недуг в среднем поражает от 36 человек на 100 000 населения. Главное, конечно - это то, что знали уже первооткрыватели: заболевание наследственное. Сейчас выявлены гены, ответственные за тот или иной вариант нейропатии. Около 60-70 процентов заболевания связано с дупликацией большого участка короткого плеча 17-й хромосомы.
Для того чтобы поставить диагноз, используют и генетическую диагностику, и электромиографию, которая констатирует замедленную проводимость импульса по моторным и сенсорным нервным волокнам, и биопсию периферических нервов.
К сожалению, полного излечения этой генетической болезни сейчас не существует. Врачи прибегают к поддерживающей терапии, лечебной физкультуре (тут важно не переусердствовать), специальным ортезам и ортопедической обуви.
Увы, о болезни очень мало знают те, кого она не коснулась. Чуть лучше ситуация стала лишь весной 2016 года, когда Марк Паттерсон поставил свой диагноз, ведь об этом случае написали все мировые СМИ. Зато теперь в копилке медицинских загадок, нашедших свое воплощение в предметах искусства, стало на одну меньше.
--------------------
Что такое «Шнобелевская» премия?
DigestWeb.ru - интересные новости и полезные статьи
Интересные факты
16 декабря 2009
источник: shkolazhizni.ru
Все знают, что такое Нобелевская премия. Но знаете
ли вы, что существует и анти-Нобелевская? Ее
официальное название Ig Nobel Prize (от
английского ignoble – постыдный). На русский язык
название премии традиционно переводится как
"Шнобелевская". Премия обставлена как пародия на
главную научную премию – Нобелевскую и
присуждается по приблизительно тем же номинациям.
Отцом и вдохновителем премии является Марк
Абрахамс. Начиная с 1991 года он поощряет
достижения, которые невозможно и не нужно
повторять, и вручает премии людям, "совершившим
нечто невероятно бессмысленное – иногда достойное
восхищения, а иногда и не очень".
<...>
Этот приз каждый год, накануне недели присуждения
нобелевских призов, вручают в американском
Гарварде, давшем миру больше всего нобелевских
лауреатов.
Десять наград вручаются номинантам в различных
категориях - от физики, медицины и химии до
литературы и премии мира.
Настоящие нобелевские лауреаты - в бутафорских
очках, с накладными носами, в фесках и подобного
рода атрибутах - приходят, чтобы вручить лауреатам
Ig Nobel их награды. По величавому театру на 1166
мест Sanders Theatre в Гарварде, в котором
проходит церемония, вовсю летают бумажные
самолетики. Время выступления лауреатов ограничено
60 секундами. Тех, кто болтает дольше,
останавливает Miss Sweetie Poo - 8-летняя девочка,
которая восклицает: "Пожалуйста, прекратите, мне
скучно!"
В 2006 (2009?) году главную "Шнобелевскую" премию
получил Айван Швоб из Калифорнийского университета
в Дэвисе за исследование строения черепа дятла с
целью установить, почему тот не страдает от
головной боли, несмотря на то, что долбит дерево с
производительностью 12 тыс. ударов в день, со
скоростью 20 ударов в секунду, прилагая силу, в
1,2 тыс. раз превосходящую силу тяготения
Земли."Шнобелевскую премию мира" – за вклад в
размежевание поколений – получил Говард
Стейплфорд, главный менеджер компании Compound
Security Systems из города Мертир-Тидвил. Он
изобрел аудиоустройство, звуки которого могут
слышать подростки, но не слышат взрослые старше 30
лет."Шнобелевскую премию по медицине" получил
Фрэнсис Фесмайр из больницы Университета Флориды –
за работу, подтверждающую, что от икоты можно
избавиться с помощью "массажа прямой кишки".Премия
по химии вручена группе испанских исследователей,
которые изучили скорость распространения
ультразвука в сыре чеддер, а премия по биологии –
группе ученых, обнаруживших, что самок комара
одинаково привлекает как запах человеческих ног,
так и аромат лимбургского сыра.Премию по физике
получила группа, изучившая "дробление стержней при
образовании каскадных трещин". Их исследование
объясняет, почему сухие макароны при сгибании
всегда ломаются более чем на две
части."Шнобелевскую премию по литературе" получил
труд под названием "Последствия использования
наукообразного языка без необходимости: проблема
неоправданного применения длинных речевых
конструкций".Всем известно, что Нобелевские премии
присуждают за выдающиеся достижения в науке, но
вот за что дают Шнобелевские? Многие считают, что
ими отмечают открытия, имеющие сомнительную
научную ценность, но это не совсем верно. На самом
деле Шнобелевские премии присуждают за открытия,
которые заставляют людей сначала смеяться, а потом
думать, вне зависимости от того, насколько важным
было открытие.
Так что думайте, господа! Не бывает в мире
ненужных открытий. Перефразируя классика, скажем:
"Если что-то открывается в этом мире, значит, это
кому-нибудь нужно".
---------------------
Кому и за что дают Игнобелевскую премию?
DigestWeb.ru
Интересные факты
28 января 2010
источник: shkolazhizni.ru
<...>
Так кто и за что был удостоен Игнобелевской
премии? В прежние годы премию получили ученые за
работы над созданием «кофе луак». Это самый
дорогой в мире кофе от фирмы «Джон Мартиньес и
Ко», который делается из зёрен, прошедших через
пищеварительный тракт индонезийского луака, или
пальмовой куницы. Удостоился этой премии и ученый,
создавший формулу расчета поверхности кожи слона.
Игнобелевским призером стал инженер,
сконструировавший стиральную машину для кошек и
собак. Двум англичанам из университета Ньюкасла
удалось замерить электрическую активность мозга
саранчи в момент, когда насекомые просматривали
фрагменты «Звездных войн». За это им тоже
досталась Игнобелевская премия.
<...>
В 2004 году премию по инженерным разработкам
получили американец Дональд Смит и его покойный
отец Фрэнк Смит за открытие оригинального способа
зачеса волос на лысину. Семья Смитов свой способ
зачеса запатентовала в 1977 году. Но поведать залу
о том, как же с помощью расчески можно спрятать
лысину, Дональд Смит не успел – Свити Пу прервала
его в самый интересный момент.
В 2005 году премию получила американка,
сконструировавшая специальный будильник, который
постоянно звонит и убегает от хозяина, заставляя
его проснуться. Думаю, что это изобретение не
такое уж бесполезное.
В прошлом году премию по биологии получил
орнитолог Айван Шваб, американец. Вместе со своим
коллегой он провел исследование на тему «Почему у
дятла не болит голова?». Дятел ударяет клювом по
дереву 12 тысяч раз в день. Почему же у него не
случается сотрясения мозга? Оказалось, что у дятла
очень прочный череп, кости которого имеют губчатое
строение. Также выяснилось, что за мгновение до
удара глазное яблоко дятла закрывается не только
веком, но и перепонкой, которая защищает глаз от
разлетающихся щепочек и действует как ремень
безопасности, не позволяющий глазам дятла вылететь
из головы.
Также награду получили трое ученых, которые
установили, почему всех раздражает скрип,
возникающий при царапании ногтями школьной доски.
Выяснилось, что частота этого звука вызывает у
человека сильный дискомфорт. Двое французских
ученых получили премию по физике за то, что
установили, почему сухие макароны при попытке их
согнуть разламываются более чем на две части.
<...>
---------------------
В России не осталось дурных ученых
DigestWeb.ru
Наука и открытия
03 октября 2010
источник: kp.ru
В США в Гарвардском университете прошла юбилейная
- 20-я церемония вручения шнобелевской премии,
которую присуждают за самые нелепые или забавные
научные исследования.
КАК ПРАВИЛЬНО НОСИТЬ НОСКИ ЗИМОЙ
Шейла Уильямс и еще две ее коллеги из Университета
Отаго в Новой Зеландии призывают надевать носки и
прочие гольфы, колготки, чулки поверх ботинок или
туфель: таким способом можно заметно снизить риск
поскользнуться на льду.
Выражаясь научно, носки поверх обуви увеличивают
ее сцепление с поверхностью. Женщины догадались
опубликовать это свое открытие в медицинском
журнале. Но в итоге получили шнобелевскую премию
по физике.
И почему российские ученые долгие годы проходили
мимо феномена? Более того, не замечали
отечественных бабушек и дедушек, которые давно
использовали чулочно-носочные изделия в
антифрикционных целях. Сам видел колготки,
натянутые поверх валенок. Исключительно ради того,
чтобы не упасть.
Кстати, новозеландское открытие охватывает не весь
диапазон взаимодействия носка с окружающей средой.
Он ведь еще и утепляет. Лично проверял лет 20
назад, когда в России ощущались трудности со
спортивным инвентарем. Натягивал старые носки
поверх лыжных ботинок. Неэстетично? Согласен. Зато
ноги не мерзли. Сейчас для этого существуют
специальные чехольчики.
Мануэль Барьейто (США) с соавторами обнаружили:
если микробиолог бородат, то от микробиологии ему
надо держаться подальше. Сначала ученые проводили
исследования на манекенах, оснащенных
искусственными бородами. Потом испытывали реальных
бородачей. И обнаружили: микробы, на которых
проводят научные опыты, охотно заселяют бороды, а
не сидят, где им положено, - в чашках Петри.
В результате происходят сразу два недоразумения.
Во-первых, картина в чашке Петри искажается. Глядя
на нее, ученые могут сделать неверные выводы.
Во-вторых, борода микробиолога становится
зараженной и заразной. Начинает представлять
повышенную опасность для окружающих. Это
исследование получило шнобелевскую премию в
области здравоохранения. Хотя ее надо было бы
присудить еще Петру Первому, который рубил бороды
в гигиенических целях.
Медицинской премией комитет отметил Симона
Райтвельда и его голландских коллег, которые
предложили снимать симптомы астмы катанием на
американских горках. Объяснили, что эффект
достигается в основном за (обрывается)
ОБЕЗБОЛИВАЮЩИЙ МАТ
Шнобелевскую премию мира получили британские
ученые из Университета города Киля. Они доказали:
матерные ругательства снижают чувствительность к
боли.
Обидно даже. Ведь какой у британцев мат? Смешно
просто. Наш-то несравненно крепче. Стало быть, и
эффект от него сильнее. Неужели никто из
отечественных ученых не попадал себе молотком по
пальцу? Не верю. Тогда почему они не прислушались
сами к себе?
В Университете Киля путь к открытию начался именно
с отбитого пальца одного из ученых. Продолжился
экспериментами на добровольцах. Они ругались в то
время, как их ошпаривали горячей водой. И
действительно, переносили боль легче, чем не
выражаясь.
КИТЫ СОПЛИВЫЕ И РАЗУМНАЯ ПЛЕСЕНЬ
Группа японских исследователей и примкнувшие к ним
двое британских ученых приспособили плесень к
проектированию транспортных сетей. Конкретно - взяли
географическую карту, положили на нее питательные
вещества в те пункты, через которые надо было
проложить железнодорожные пути. И запустили туда
плесень. Примерно через сутки грибки создали
«транспортные артерии» - соединили пункты в сеть.
И, на удивление, она оказалась оптимальной.
В номинации «инженерное искусство» премию взяли
две иследовательницы из Британии, которые
придумали собирать сопли китов с помощью маленьких
радиоуправляемых вертолетов. Эта субстанция,
оказывается, нужна экологам, чтобы следить за
здоровьем исполинов. А сопли у них вылетают вместе
с фонтаном воды.
СЛУЧАЙНОЕ ПООЩРЕНИЕ
В области управления премию получили итальянские
математики из Университета Катаньи. Они доказали
шокирующую теорему: более эффективными становятся
те организации, в которых работников повышают по
службе случайным образом. А не по заслугам.
Шнобелевскую премию по экономике получили
руководители Lehman Brothers, Goldman Sachs,
Merrill Lynch и прочих уникумов за «создание и
продвижение новых путей вложения денег - путей,
которые приносят максимальную прибыль». Шутка
юмора тут в том, что именно эти компании породили
мировой финансовый кризис.
В области химии премированы специалисты компании
British Petroleum и американцы из Массачусетского
технологического института и нескольких
университетов. Одни разлили нефть по Мексиканскому
заливу, другие это явление исследовали. А
шнобелевцами стали за то, что «опровергли
устоявшееся убеждение, будто бы вода и нефть не
смешиваются».
И наконец, китайцы вместе с одним британцем
получили премию по биологии. Что неудивительно.
Ведь ранее их работа была признана самой
сексуальной в 2009 году, по версии британского
журнала NewScientist. Исследователи (8 человек)
подробнейшим образом изучили технику оральных ласк
у летучих мышей, вступивших в половое сношение.
Видео впечатлило даже видавших виды донжуанов.
СПРАВКА «КП»
И мы там были, но давно
В 1991 году литературный приз ушел к Юрию
Стручкову, члену-корреспонденту Академии наук,
который с 1981 по 1990 год опубликовал 948 научных
материалов - по одной статье в 4 дня.
В 2002 году шнобелевской премией в области
экономики был отмечен российский Газпром «за
адаптацию концепции мнимых чисел к миру бизнеса».
И с тех пор отечественных ученых не номинируют. То
ли они очень серьезные, то ли не афишируют свои
исследования, то ли исследуют так мало, что и
выбрать не из чего. А выбирают по публикациям в
специализированных журналах.
Автор: Владимир Лаговский
---------------------