Текут века

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2016, №12)

Длительные эксперименты ставят нечасто. Вот, например, почти вековой эксперимент по наблюдению за течением твердого битума проходит в Австралии, в фойе Квинслендского университета (Брисбен). Предпоследний наблюдатель, профессор Джейн Мейнстоун, вместе с начавшим эксперимент профессором Томасом Парнеллом в 2005 году стали лауреатами Игнобелевской премии по физике (Парнелл — посмертно).

pic_2016_12_14.jpg

Художник С.Дергачев


Глядя на кусок строительного вара — а это как раз и есть твердая разновидность битума, в расплавленном виде его используют для герметизации крыш, — трудно заподозрить, что это не твердое тело, а жидкость. Мало того что он твердый на ощупь, он еще и хрупкий — раскалывается от удара молотком, а на обломках — острые ребра и зеркальные грани в местах откола. Однако пройдет некоторое время и грани потускнеют, а ребра оплывут. «Некоторое время» — в данном случае годы.

pic_2016_12_15-1.jpg

Профессор Менйстоун думает: резать или не резать?

Фото: University of Queensland

Чтобы продемонстрировать студентам необычные свойства обычных вещей, профессор Парнелл в 1927 году сложил битум в воронку и выставил ее в фойе университета. А в 1930 году из носика воронки показалась первая капля битума. Долгие восемь лет она собиралась с силами, прежде чем в декабре 1938 года упала в стоящий под воронкой стаканчик. С тех пор и по сей день это случалось еще семь раз: в феврале 1947 года, апреле 1954-го, мае 1962-го, августе 1970-го, апреле 1979-го, июле 1988-го, ноябре 2000-го. Удивительно, но за 86 лет эксперимента — при всем прогрессе техники наблюдения — ни разу не удалось заснять момент отрыва капли. Вот полный драматизма комментарий профессора Мейнстоуна для газеты «The Weekend Australian» в 2001 году: «Восьмая капля упала в ноябре прошлого года, когда я был за пределами страны. К сожалению, высокотехнологичную цифровую память веб-камеры в этот знаменательный момент поразила амнезия. И это не единственная проблема. Начиная свой эксперимент в 1927 году, Парнелл не мог предвидеть, что во время созревания восьмой капли в университете решат смонтировать систему кондиционирования в двух больших аудиториях, выходящих в то самое фойе, где размещена установка. Это нарушило существовавший десятилетиями тепловой режим. В результате восьмая капля оказалась самой крупной, и в момент падения ей не хватило высоты до дна стаканчика, чтобы полностью оторваться. Теперь мы находимся перед чудовищной дилеммой. Девятая капля уже начала формироваться, и следует ли нам отрезать от нее восьмую либо поднять воронку на большую высоту или оставить эксперимент Парнелла как он есть?» Кстати, в этом интервью впервые прозвучало, что стоило бы присудить Парнеллу если не Нобелевскую, так хоть Игнобелевскую премию, установив заодно рекорд по времени между началом эксперимента и наградой экспериментатору. Игнобелевский комитет к этому мнению прислушался, и четыре года спустя долготерпеливые ученые получили свою награду.

pic_2016_12_15-2.jpg

Девятая капля может упасть в любой момент. Тот, кто это заметит, войдет в историю.

Фото: University of Queensland

Что же касается сомнений по поводу того, как поступать со слишком длинной каплей, похоже, исследователи все-таки решили ее срезать. Во всяком случае, девятая капля за прошедшие с тех пор 16 лет (вот как сказался кондиционер — скорость падения упала по меньшей мере в два раза!) уже достаточно выросла и готова в любой момент упасть, а до дна стаканчика ей еще тянуться и тянуться. Кстати, любой человек может увековечить свое имя в истории науки, если сумеет впервые за 86 лет зафиксировать момент отрыва капли. Для этого не нужно ехать в Австралию, достаточно следить за интернет-трансляцией опыта (http://smp.uq.edu.au/content/pitch-drop-experiment).

Опыт с каплей — не единственный длительный эксперимент, отмеченный Игнобелевским комитетом. В 2009 году премии в области медицины удостоился доктор медицины Дональд Унгер из калифорнийского городка Таузенд Оакс, то есть «Тысяча дубов». С детства и всю жизнь мама, тетки, а потом и теща говорили ему, что хрустеть пальцами нехорошо. Но они совершили стратегическую ошибку. В ответ на вопрос: «Почему нехорошо?» — не сказали: «Потому, что это дурной тон и раздражает окружающих». Нет, они прибегли к научным объяснениям — мол, если будет хрустеть, у него разовьется артрит. Механизм хруста известен: при растяжении суставов кисти из-за отрицательного давления схлопываются пузырьки пара в так называемой синовиальной жидкости — смазке суставов; предполагается, что такие микровзрывы для сустава неполезны.

Научное обоснование дало эффект, противоположный ожидаемому. У мальчика разыгралось любопытство, и он мало того что стал медиком, но и начал проводить опыт: каждый день по нескольку раз хрустел пальцами левой руки, а правой хрустел крайне редко, только если забудется. Опыт продолжался 50 лет, за это время было проведено 36 с половиной тысяч похрустываний пальцами левой руки. Результат полностью опроверг гипотезу родственников — артрит не поразил ни правую, ни левую руку. В заметке, опубликованной в журнале «Arthritis & Rheumatism» (2004, 41, 5, 949—950), Дональд отмечает, что аналогичный отрицательный результат ранее был получен в 1973 году, и указывает, что неплохо бы проверить и другие популярные легенды вроде пользы длительного употребления в пищу шпината. А та статья («Western Journal of Medicine», 1975, 122, 5, 377—379), написанная Рональдом Суизи и его сыном Стивеном, которому на момент исследования было 12 лет, весьма примечательна. Исследовав обитателей дома престарелых и детей из школьного лагеря, авторы выяснили, что, во-первых, подростки хрустят пальцами лишь немногим чаще, чем пожилые люди, а во-вторых, вероятность артрита в пожилом возрасте при сохранении дурной привычки не больше, а значительно меньше: 1 из 13 против 5 из тех 14, кто не смог припомнить, хрустел он пальцами или нет.

Рональд Суизи в комментарии к заметке Дональда Унгера отмечает, что опыт последнего был не совсем корректен, поскольку по правилам доказательной медицины нужен двойной слепой контроль, то есть участник эксперимент не должен бы заранее знать, какая рука у него левая. Впрочем, считает Суизи, это поправимо, ведь 31% американских медиков не могут различить свои руки. Гораздо труднее, по его мнению, учитывать расу, пол, социоэкономический статус, то, насколько энергично совершаются движения, а также, скажем, атмосферное давление где-нибудь в Эквадоре в момент проведения опыта: столь масштабное исследование потребует серьезного финансирования. Однако предварительные данные свидетельствуют, что хрустеть пальцами не вредно, скорее, это средство профилактики артрита. Во всяком случае, его сын, которому ко времени написания комментария исполнилось уже 34 года, продолжает хрустеть, несмотря на предостережения бабушки, и никакого артрита у него нет.

Еще одно длительное наблюдение, опровергающее расхожий миф, провели в XVIII веке — король Швеции Густав III решил научно обосновать борьбу с кофе. Пить кофе шведов научил еще Карл XII, который после поражения под Полтавой провел много времени в Блистательной Порте и там пристрастился к этому напитку. Не все его преемники разделяли эту страсть, считая ее опасной для здоровья, ив 1746 году, когда появился на свет будущий король Густав III, кофе в Швеции запретили. Поклонники кофе среди шведов, однако, остались. Чтобы разобраться в том, вреден кофе или нет, король помиловал двух близнецов, совершивших убийство, и заменил им смертную казнь пожизненным заключением с тем, чтобы один каждый день пил кофе, а второй — чай. До окончания эксперимента король не дожил — его вскоре убили заговорщики, умерли и два медика, наблюдавшие за заключенными. В итоге кофе оказался реабилитированным — первым, в возрасте 86 лет, скончался близнец, потреблявший чай. Однако мы не знаем точно, быль это или вымысел: в качестве первоисточника удалось найти лишь заметку Ларса Бремера, лектора из Медицинской школы Свободного королевского госпиталя в Лондоне («British Medical Journal», 1996, 312, 6, 1539), которую теперь любители кофе перепечатывают практически без изменений и, естественно, без всякой ссылки.

Вообще, длительные опыты в области медицины, зоологии, ботаники или сельского хозяйства проводятся с завидной регулярностью. Где-то внимательно следят за образом жизни участников исследования и его последствиями для здоровья, причем выводы зачастую имеют заметную маркетинговую направленность; скажем, китайцы не устают отмечать полезность потребления зеленого чая, французы — красного вина, а итальянцы — оливкового масла, то есть важных экспортных товаров каждой из этих стран. Где-то десятилетиями или даже веками наблюдают за популяцией животных. Селекционеры на протяжении многих лет изучают результаты своих трудов; агрономы, столетиями возделывая одну и ту же делянку ,следят за истощением почвы и воздействием на этот процесс севооборота.

pic_2016_12_16-1.jpg

Ричард Ленски отправляет в термостат очередное поколение кишечной палочки

Фото: Фото Zachary Blount

Некоторые длительные эксперименты направлены на изучение самих основ мироздания. Так, с февраля 1988 года в Мичиганском университете под руководством Ричарда Ленски наблюдают эволюцию живых существ. Для участия в эксперименте взяли хорошо известный лабораторный клон кишечной палочки и разделили на 12 баночек. Кишечная палочка хороша тем, что изучена вдоль и поперек, к тому же выбранный штамм не способен к половому процессу — не может обмениваться фрагментами генетической информации: ученые хотели быть уверенными, что каждая новая мутация передается только через деление клетки. Исходно, не было генетического разнообразия во всей культуре, за одним исключением – в половине баночек был мутант, приспособившийся перерабатывать арабинозу. Это нужно было для последующих опытов по сравнению популяций мутант дает отличающуюся окраску при обработке красителем. Так началась эволюция двенадцати независимых линий.

pic_2016_12_16-2.jpg

Захария Блаунт после завершения очередного этапа долговременного эксперимента отдыхает на фоне колоннады из чашек Петри

Фото Brian Baer

Бактерии живут в питательном растворе, но их еды — глюкозы — в нем немного, только чтобы выжить. Ежедневно исследователи отбирают каплю этого раствора и переносят в новую баночку. Каждое 500-е поколение, а оно получается на 75-й день, замораживают для будущих исследований и время от времени проводят секвенсирование генома. С начала эксперимента сменилось уже более 66 тысяч поколений. Бактерии постепенно приспособились к малому количеству еды — стали крупнее предков, причем конца процессу укрупнения не видно: он идет по степенному закону. Быстрее всего приспособление проходило в первые 2 тысячи поколений – это отражалось и на размере клеток и на их «здоровье» — скорости роста по сравнению с предковыми поколениями. В пятитысячном поколении одна из линий разделилась на две субпопуляции с большими и малыми колониями: первые процветали, когда глюкозы было относительно много, а вторые — когда ее почти всю съедали. Как и положено, у бактерий накапливались мутации. Интересно, что в трех линиях частота мутаций в ходе эксперимента возросла в 25 раз, что было связано с мутацией в гене, отвечающем за ремонт ДНК. Последствия в одной линии стали заметны невооруженным глазом: в поколении 33 127 раствор резко помутнел, что свидетельствует о быстром размножении бактерий. Оказалось, что они научились потреблять не только глюкозу, но и цитрат, — соль лимонной кислоты, концентрация которой была в 20 раз больше, чем глюкозы. Анализ предшествующих поколений показал, что мутация возникла в 31500-м поколении, в 32500-м мутанты заняли 19% популяции, в 33000-м почти вымерли, в 33127-м вытеснили всех немутантов. А в 45000-м поколении мутанты вымерли. Удивительно, но, имея на руках всю историю генетических изменений, исследователи не могут определить, с чем связаны такие резкие колебания. Более того, лишь к 2014 году стало более-менее ясно, накапливающиеся изменения в каких генах позволили бактериям усваивать цитрат.

Примерно в 2013 году (статью отправили в журнал позднее, в октябре 2015 года) этот результат вызвал новые споры. Группа исследователей во главе со Скоттом Миннихом из университета Айдахо очень быстро, за сто поколений, то есть за пару недель, заставили бактерий усваивать цитрат с помощью той же, бедной питанием, среды («Journal of Bacteriology», 2016, 198, 1022—1034; doi:10.1128/JB.00831- 5, полный текст). Естественным образом возник вопрос: отчего же в опытах Ленски такая способность появилась всего в одной линии за более чем десять лет? Последовавшая за этим дискуссия, по сути, оставила данный вопрос без ответа. Какая же мораль следует из этой истории?

Опыт с каплей, особенно неспособность даже современной аппаратуры зафиксировать момент ее отрыва, ставит перед эпистемиологией — наукой о получении научных знаний — серьезнейший вопрос: как нужно наблюдать редко случающиеся явления и вводить их в область научного знания. В самом деле, если не удается зафиксировать вполне ожидаемое явление, то как доказать реальность явления неожиданного, вроде пролета НЛО или появления снежного человека? Или, если не выходить за рамки научного знания, как зафиксировать момент появления нового патогена? История СПИДа свидетельствует, что надежного инструмента нет: синдром приобретенного иммунодефицита был описан в 1981 году, вирус открыт двумя годами позже, и лишь в 2007 году реконструировано его распространение, причем выяснилось, что вирус попал в человеческую популяцию еще в начале ХХ века. Иными словами, на протяжении десятилетий случаи ВИЧ-инфекции не фиксировались или диагностировались ошибочно, пока инфекция не перестала быть редким событием.

Современная наука построена на повторяющихся в разных лабораториях результатах. Но длительные опыты невозможно воспроизвести в обозримое время, поэтому трудно понять, что было не так в опытах Ленски с цитратом. К сожалению, никакой работающей методики для фиксации крайне редко случающихся явлений нет, что порождает домыслы и взаимные подозрения в нечистоплотности как в научной среде, так ив среде энтузиастов — любителей непознанного. Теперь-то очевидно, что причина конфликта в неразрешенности неких базовых вопросов философии науки.

Опыт с хрустением пальцами порождает другую серию вопросов: и в самом деле, насколько полезно есть условный шпинат? Какие из многочисленных советов диетологов и прочих специалистов сформулированы на основании «общих соображений», а какие подтверждены данными клинических испытаний? Очевидно, что многие предположения диетологов и рекомендации здорового образа жизни базируются не на упомянутых Суизи методах доказательной медицины, а на личном мнении неких авторитетов, а оно, как показывает история с хрустением пальцами и артритом, отнюдь не всегда справедливо.



Разные разности

06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>
31.10.2018 18:00:00

Государство придумало способ борьбы за чистоту природы – экологические штрафы. Например, в США за период 2000—2015 годы средний размер штрафа составил 204 млн долларов. Как же компания может снизить такую нагрузку? Для этого нужно увеличить число женщин в составе руководящего органа.

>>
29.10.2018 17:00:00

Современный потребительский рынок перекошен действиями маркетологов, и они придумали очень интересные методы для обхода законов. С помощью методов, которым их научили в современных школах бизнеса, они создают ложные рыночные ценности.

>>
01.10.2018 12:00:00

…разновидность северного сияния под названием STEVE на самом деле вообще не северное сияние...

…найдены прямые и окончательные доказательства присутствия поверхностного водного льда в полярных областях Луны...

…чип, содержащий живые клетки дрожжей, поможет отслеживать суточные дозы облучения у сотрудников больниц, исследовательских лабораторий и АЭС…


>>
29.09.2018 10:00:00

У блокчейн-технологии есть существенный недостаток: ее защищенность базируется на том, что процедура проверки данных в цепочках блоков требует большого расхода энергии. При своем нынешнем объеме система потребляет энергии как целая страна.

>>