синхротронное излучение и биологический материал
Ученые, выступившие на фестивале «Кстати», рассказали о том, можно ли подключиться к мыслительному процессу и почему Ноев ковчег — первый в мире биобанк
Александр Каплан
доктор биологических наук, психофизиолог, профессор кафедры физиологии человека и животных, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ
тема:
Open your mind!*
Как ученым открываются
тайны человеческого мозга
* Открой свой разум!
Мозг — самая сложная материя во вселенной и единственный орган, чьи свойства не может изучать только физиологическая наука, например, его содержание и психическую составляющую. Мозг так далеко зашел в познавательном процессе, что с его помощью можно изучать, как он работает.
Как известно, мозг управляет всеми процессами в организме, которые имеют собственную автоматию. Он привязывает ее к внешнему миру и корректирует в зависимости от текущей ситуации.
Насколько сложен мозг — принципиальный вопрос. Если я спрошу о технических устройствах, которые могут быть сложнее мозга, назовут либо адронный коллайдер, либо компьютер. Точное количество мозговых клеток смогла определить исследовательница из Бразилии. Мозг перемешивается «миксером», все клетки разбиваются, а их ядрышки равномерно распределяются в получившейся однородной массе, которые взвешиваются. В человеческом мозге приблизительно 86 миллиардов клеток. В зависимости от мышечной массы их может быть больше или меньше. А вот контактов между мозговыми клетками в 10-15 тысяч раз больше их количества. В самом современном процессоре находится лишь до трех миллиардов единиц операциональных элементов, и это предел технологий.
Самый главный вопрос сегодня — можно ли подключиться к содержанию мозга. Если мы могли бы, то подключились к самой мысли — работающая мысль раскручивается на нейронах и аналогична работающей программе.
Сейчас можно получить запись нервных импульсов, которые сопровождают мыслительный процесс. Ученые вживляют в голову крысы приспособление, чувствующее активность нервных клеток. С его помощью они перехватывают мысль крысы, которая хочет пить и тянет лапку к рычажку, чтобы пододвинуть к себе поилку, и опережают ее. Уже через пять попыток крыса перестает двигать лапкой: ей достаточно только подумать о воде, чтобы поилка сама пододвинулась. Таким образом, можно узнать комбинацию нервных клеток, которая соответствует тому или иному действию.
В подобном эксперименте участвовала полностью парализованная пациентка. Благодаря вживленным в кору мозга электронам, она смогла волевым усилием управлять механической «рукой». Это был 1959‑й день тренировок, то есть на освоение нового механизма у нее ушло огромное время. Но вполне возможно, что уже в самое ближайшее время такие пациенты смогут управлять специальными инвалидными колясками и обеспечивать себе самостоятельность.
— Какое восприятие мира сегодня преобладает: чувственное или рациональное?
— Сегодня мы движемся по рациональному вектору. Заработать больше денег, быстрее достигнуть жизненных целей — все это требует рационализма. Изначально природой в нас заложено поровну рационального и эмоционального. Что из этого преобладает, зависит от условий, в которые помещен человек.
— Это экономические и политические условия или личностные?
— Общечеловеческие. Мир сегодня движется так, что нужно больше продумывать, чем раньше. Кто раньше учитывал курсы валют? Сейчас приходится. Это расчет, на который мы теперь ориентируемся.
— Вы отметили, что мы вынуждены быть более рациональными. Как изменились общечеловеческие ценности?
— Внешняя среда, которая, безусловно, влияет на наши ценности, сегодня борется с органикой человеческого тела и человеческого мозга. Эволюцией мы были рассчитаны на определенный тип взаимоотношений друг с другом и с природой. В нем фактор дружественного отношения имел адаптивное значение: иначе нельзя было выжить. Теперь условия жизни предъявляют нам совсем другую концепцию: можно построить крепкий бункер, стальные ворота, заработать много денег, и ты будешь защищен. Это совсем другая парадигма. Эта модель навязывается людям, даже тем, которые никогда не будут иметь ни первого, ни второго, ни третьего. Следовательно, их стиль поведения ориентирован на то, что защищенность образует не содружество, а агрессивное, эгоцентрическое поведение.
— Как наука влияет на наше мышление?
— Парадигма влияния науки на человеческие смыслы тоже меняется. Раньше наука была более понятной, например, планеты вращаются вокруг солнца. Сейчас все это размыто. Оказывается, что какие-то планеты — вовсе не планеты и не вращаются вокруг солнца. Все это размывается и становится недоступным для понимания большинства. Теперь никто не понимает, как работает двигатель автомобиля или компьютер. Постепенно наука становится доступной только тем, кто ей занимается.
Но обычный человек в душе всегда ученый, и всегда хочет знать, как что устроено, поэтому он использует суррогатное знание. Нейроинтерфейсные технологии, которыми я занимаюсь, якобы позволяют читать мысли. Но это не так, они никогда нам этого не позволят.
— Как наше мышление изменится в будущем благодаря инновациям? Может быть, мы начнем понимать науку без суррогатных знаний?
— Думаю, наука останется сферой компетенций. Если человек не учил математику, он не будет ее понимать. Останется каста ученых, обладающих глубиной научного знания, но они не смогут объяснить, что делают. Их погружение в глубины материи обычные люди будут видеть в новых технологиях.
— Мобильные гаджеты, мессенджеры — не приведет ли это к обесцениванию живого общения?
— Я не знаю, через сколько лет, но мне кажется, что развитие техногенных сред притормозится. Уже видно, что в наших телефонах мы пользуемся гораздо меньшим количеством функций, чем предусмотрено. Человек уже остановился, а технологии растут по инерции.
— Получается, мы перенасытились?
— Да. Технологии породили больше того, что человеку нужно. Мы стабилизируемся в ближайшие десятки лет. И это немного вернет человека к исходным ценностям. Он задумается, что, может быть, не стоит гнаться за техническим совершенством и нужно обратить внимание на то, чтобы было здоровое тело и мозг. Думаю, и человек, и сами технологии обратятся к здоровью, чтобы продлить качественную жизнь человека.
Антон Николенко
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерной физики имени Г. К. Будкера СО РАН
тема:
Мир в свете синхротронного
излучения.
Как синхротронное
излучение помогает ученым
Синхротронное излучение — это излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с большими скоростями по искривленным траекториям магнитного поля. Впервые синхротронное излучение наблюдали в созвездии Тельца. Порядка девятисот лет назад там произошла очень яркая вспышка, которую зафиксировали японские и китайские астрономы. Это была самая яркая звезда на небосклоне, она сияла в течение трех недель, а потом постепенно гасла. В середине двадцатого века выяснили, что после взрыва этой сверхновой звезды образовалась туманность. Излучение, которое эта туманность выдает, как раз является синхротронным. После этого открытия ученые создали ускорители — собственные источники такого излучения. Самый крупный источник синхротронного излучения сегодня находится во Франции.
Синхротронное излучение — это, в первую очередь, источник мощного рентгеновского излучения. Чтобы понять, почему рентген нам так важен, нужно обратиться к истории. Исследование рентгена началось более ста лет назад с качественных теневых фотографий. Это было великое открытие, которое дало жизнь инструменту с огромными возможностями. Сегодня рентген в основном используется в медицине, но этим особенности его применения далеко не исчерпываются. Известно, что чем больше энергия фотонов, тем прозрачнее рентгеновское излучение. Благодаря этому мы можем получить очень яркий, хорошо просматриваемый снимок пальца, на котором будут четко видны все капилляры. Такие вещи используются в медицине, и для них синхротронное излучение не нужно. Но для того, чтобы поставить точный диагноз кровеносной системе, необходимо большее пространственное разрешение, ведь капилляры — очень тонкий предмет. Для этого нужно гораздо более мощное излучение, и только синхротронное излучение может его дать.
Синхротронное излучение позволяет нам рассматривать объекты на макроуровне и молекулярной структуре, используется в экспериментах по спектроскопии твердого тела, в радиационной технологии и радиационно-химических процессах. Если мы делаем рентгеновский снимок, например, руки человека, мы видим, как расположены его кости. Если мы повернем руку на один градус и сделаем еще триста фотографий, восстановим все кости. Такая работа сегодня ведется по найденным останкам.
Синхротронное излучение также применяется в археологии — чтобы определить, к какой эпохе принадлежит, например, пуговица, необходимо посмотреть, что у нее внутри. Это оказывается возможным, при этом мы не разрушаем археологическую ценность. А с помощью томографии по одной кости мамонта можно узнать, когда и каким образом он погиб.
Алексей Сазонов
доктор медицинских наук,
заместитель проректора МГУ
тема:
Сохранение
биоразнообразия:
флотилия ноевых ковчегов
против судного дня
Биобанк, биодепозитарий или биоколлекция — это собрание биологического материала, его синхронизация, сохранение, обеспечение информацией и предоставление по запросам науки или промышленности. От обычного банка биобанкинг отличается мало: лишь тем, что в обычном банке хранят деньги и драгоценные металлы, а в нашем — биологический материал.
То, что Ной взял на свой ковчег каждой твари по паре, позволяет нам называть его первым специалистом по биобанкингу. Он собрал определенное количество живого материала, которое затем благополучно развил. В современном понимании первыми биобанками были гербарии. В России биобанкинг начался с Петра Первого. Величайшим научным подвигом в нашей стране стала гибель от голода на мешках с зерном тех людей, что защищали первый российский семенной фонд во время блокады Ленинграда.
Функции биобанкинга:
1. Сохранение видового разнообразия
Попытка клонировать пиренейского горного козла, последний представитель вида которого погиб в 2000 году, доказала, что клонирование принципиально возможно.
2. Функция научного исследования
Биомедицинское исследование нельзя провести на одной мыши, оно должно быть статистически значимым. Биобанк нужен, чтобы заново не создавать новую исследуемую модель. Благодаря этому возрастают скорость и эффективность исследования.
Криоколлекции — самые распространенные и развивающиеся биобанки. Как правило, они представлены фризерами — большими холодильниками, обеспечивающими хранение материала при температуре минус восемьдесят градусов. Следующий уровень замораживания — жидкий азот. Процесс криконсервирования сложен, погибает до 90 процентов клеток. Поэтому главная задача при заморозке — не дать кристаллизироваться воде, чтобы не нарушить мембрану и ядро клетки. Также распространены живые биобанки, когда материалы — животные, растения — сохраняются в живом состоянии. К живым биобанкам относятся зоопарки и ботанические сады. Одна из их задач — обслуживать научные лаборатории. Первыми биобанками были классические коллекции, например, зоологические музеи. Технология дошла до того, что мы можем выделять ДНК даже из костей, пролежавших в земле тысячи лет. Поэтому классические коллекции очень востребованы учеными.
текст: Софья Сараева
фото: Егор Сачко
