VMireNauk03_2020 by antinoob-2020

СОДЕРЖАНИЕ Март 2020 94 НЕЙРОНАУКИ

Революция в неврологии

Темы номера

Директор Научного центра неврологии академик Михаил Пирадов — о тайнах мозга и современных прорывах в их раскрытии

Э В ОЛ Ю Ц И Я

Зачем мозгу физические упражнения? 4

Б И ОЛ О Г И Я

Джин Александер и Дэвид Райхлен

Земля амурского тигра

В процессе эволюции человека его тело и разум оказались связаны, и, вероятно, это можно использовать для замедления старения мозга

Анастасия Пензина

М И Р О В А Я П ОЛ И Т И К А

Российские эксперты лицом к Китаю: переосмысливая Азию

Наталия Лескова

О возрождении популяции амурского тигра, об охране тигра и среды его обитания, о необходимости академического подхода к проблеме — наша беседа с доктором биологических наук Михаилом Щелкановым КО С М О С

Валерий Чумаков

Галактический архипелаг

На вопрос, насколько точны методы научного анализа и прогнозирования процессов, происходящих в Азии, отвечает известный российский востоковед и китаист профессор Алексей Маслов

Даже если Млечный Путь кишит путешествующими инопланетянами, не следует удивляться тому, что никто из них еще не посетил Землю

Калеб Шарф

ФИЗИК А

Эксперимент с тремя щелями

Урбаси Синха Обновленный классический эксперимент прокладывает путь к альтернативной стратегии квантовых вычислений Ц И Ф Р О В А Я Э КО Н О М И К А

Жар холодных числ

СОЗ Н А Н И Е

54 Пруст среди машин

Валерий Чумаков

Кристоф Кох

О стратегиях цифрового лидерства и о том, как большие становятся быстрыми, рассказывает профессор Лариса Лапидус

Уровень компьютерного интеллекта может приблизиться к человеческому уже на нашем веку. Но смогут ли компьютеры осознанно воспринимать окружающий мир?

МЕДИЦИНА

П РЕ М И Я

Обойтись без опиоидов Клаудиа Уоллис Клиницисты и ученые пытаются найти способы отказа от опиоидов или уменьшить их дозы для пациентов без возобновления болей С П Е Ц И А Л Ь Н Ы Й РЕ П О Р ТА Ж

Революция в генной терапии

Манипулируя главной молекулой жизни, ученые находят способы лечения первопричин болезней

w w w.sci-ru.org

62 Верны науке

Журнал «В мире науки» получил высшую награду в номинации «Лучшее периодическое печатное издание о науке» VI Всероссийской премии «За верность науке»

100

Разделы 72 От редакции 50, 100, 150 лет тому назад

3 104

[03] март 2020 | В мире науkи

Учредитель и издатель: Некоммерческое партнерство «Международное партнерство распространения научных знаний»

Наши партнеры:

Главный редактор: В.Е. Фортов Главный научный консультант: президент РАН акад. А.М. Сергеев Ответственный секретарь: О.Л. Беленицкая Зав. отделом иностранных материалов: А.Ю. Мостинская Шеф-редактор иностранных материалов: В.Д. Ардаматская Зав. отделом российских материалов: О.Л. Беленицкая Выпускающий редактор: М.А. Янушкевич Обозреватели: В.С. Губарев, В.Ю. Чумаков Администратор редакции: О.М. Горлова Научные консультанты: д.э.н. Л.В. Лапидус; д.и.н. А.А. Маслов; акад. М.А. Пирадов; к.ф.-м.н. В.Г. Сурдин; д.б.н. М.Ю. Щелканов Над номером работали: М.С. Багоцкая, А.П. Кузнецов, С.М. Левензон, Н.Л. Лескова, А.И. Пензина, А.И. Прокопенко, Н.Н. Шафрановская Дизайнер: Д.А. Гранков Верстка: А.Р. Гукасян Корректура: Я.Т. Лебедева Фотографы: И.Ф. Бадиков, Н.Н. Малахин, Н.А. Мохначев

Основатель и первый главный редактор журнала «В мире науки / Scientific American» профессор Сергей Петрович Капица

Президент координационного совета НП «Международное партнерство распространения научных знаний»: В.Е. Фортов Директор НП «Международное партнерство распространения научных знаний»: А.Ш. Геворгян Заместитель директора НП «Международное партнерство распространения научных знаний»: В.К. Малахина Финансовый директор: Л.И. Гапоненко Главный бухгалтер: Ю.В. Калинкина Адрес редакции: Москва, ул. Ленинские горы, 1, к. 46, офис 138; тел./факс: 8 (495) 939-42-66; e-mail: info@sciam.ru; www.sciam.ru Иллюстрации предоставлены Scientific American, Inc. Отпечатано: ОАО «Можайский полиграфический комбинат», 143200, г. Можайск, ул. Мира, 93, www.oaompk.ru, www.оаомпк.рф, тел.: 8 (495) 745-84-28, 8 (4963) 82-06-85 Заказ № 0728 © В МИРЕ НАУКИ. Журнал зарегистрирован в Комитете РФ по печати. Свидетельство ПИ № ФС77–43636 от 18 января 2011 г. Тираж: 12 500 экземпляров Цена договорная Авторские права НП «Международное партнерство распространения научных знаний». © Все права защищены. Некоторые из материалов данного номера были ранее опубликованы Scientific American или его аффилированными лицами и используются по лицензии Scientific American. Перепечатка текстов и иллюстраций только с письменного согласия редакции. При цитировании ссылка на «В мире науки» обязательна. Редакция не всегда разделяет точку зрения авторов и не несет ответственности за содержание рекламных материалов. Рукописи не рецензируются и не возвращаются. Торговая марка Scientific American, ее текст и шрифтовое оформление являются исключительной собственностью Scientific American, Inc. и использованы здесь в соответствии с лицензионным договором.

От редакции

Кертис Брейнард, и.о. главного редактора журнала Scientific American

Журналу Scientific American исполняется 175 лет 28 августа 1845 г. в Нью-Йорке родился журнал под названием Scientific American. Выходил он раз в неделю, на одном листе. Создал его художник и изобретатель Руфус Портер. Информацию издатель брал в основном из каталогов патентного ведомства, но были в журнале и серьезные статьи, рассказывающие о научных открытиях и исследованиях. Портер рассчитывал, что его читателями будут в основном механики и инженеры, однако новое издание стали раскупать и представители других профессий. Мог ли Руфус Портер ожидать, что созданный им журнал ждет долгая и успешная жизнь, что он будет отмечать 175-летний юбилей в ранге лидера научной периодики и издаваться на 14 языках более чем в 30 странах мира? До дня рождения журнала остается еще шесть месяцев. Однако редакция уже начинает отмечать юбилейный год интересными изменениями, самое заметное из которых — обновленный дизайн обложки, который возвращает нас к пустым пространствам и квадратным формам, характерным для 1940-х гг. и второй половины XX в. Тем временем журнал продолжает публикацию обычного набора аналитических статей о самых важных научных достижениях и открытиях. В статье «Зачем мозгу физические упражнения?», иллюстрация к которой вынесена на обложку этого номера, рассказывается о том, что связь между физическими упражнениями и здоровьем мозга уходит корнями в особенности человека, обретенные на заре цивилизации. Автор материала «Галактический архипелаг» возвращает нас к хорошо известному вопросу

w w w.sci-ru.org

о жизни на других планетах, который физик Энрико Ферми задал на обеде в 1950 г.: «Вы никогда не задумывались, где же они все?» Специальный репортаж от Scientific American и Nature «Революция в генной терапии» посвящен актуальной теме: лечению генетических заболеваний с помощью самих генетических мате риалов. Российский контент представлен интервью с ведущим нейрохирургом страны академиком М.А. Пирадовым, который рассказывает о прорывных шагах в нейронауках, сделанных в последнее время. Известный китаист профессор А.А. Маслов анализирует важнейшую проблему, которая актуализировалась в связи с эпидемией коронавируса: насколько точны методы научного анализа и прогнозирования тех процессов, которые происходят в Китае? И в заключение хотим поделиться хорошей новостью. 7 февраля состоялась торжественная церемония награждения лауреатов VI Всероссийской премии «За верность науке». Наш журнал получил высшую оценку экспертного совета в номинации «Лучшее периодическое печатное издание о науке». Эта наша общая с вами награда, дорогие читатели. Ваши внимание и доверие — то, ради чего мы стараемся быть интересными и актуальными. Репортаж о том, как проходило чествование лауреатов, — в этом номере.

Редакция журнала «В мире науки / Scientific American»

[03] март 2020 | В мире науkи

Эволюция

В мире науkи | [03] март 2020

Эволюция

ЭВОЛ ЮЦИЯ

ЗАЧЕМ МОЗГУ ФИЗИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ? В процессе эволюции человека его тело и разум оказались связаны, и, вероятно, это можно использовать для замедления старения мозга Illustration by Bryan Christie Design

Джин Александер и Дэвид Райхлен

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Эволюция ОБ АВТОРАХ

Джин Александер (Gene Alexander) — профессор психологии и психиатрии и руководитель Лаборатории нейровизуализации, поведения и старения в Аризонском университете. Изучает старение мозга у здоровых людей и у тех, кто страдает от нейродегенеративных заболеваний. Дэвид Райхлен (David Raichlen) — профессор биологии и руководитель лаборатории эволюционной биологии физической активности в Южно-Калифорнийском университете. Исследует биомеханику и физиологию физических упражнений с эволюционной точки зрения.

1990-х гг. исследователи сообщили о серии открытий, опровергавших главную догму нейробиологии. Десятилетиями считалось, что во взрослом мозге не образуется новых нейронов. Когда организм достигает зрелого возраста, мозг начинает терять нервные клетки, не приобретая новых, и мышление ухудшается. Однако появились доказательства, что новые нейроны могут образовываться и во взрослом мозге. В одном замечательном эксперименте с мышами ученые показали, что простое беганье в колесе вызывает появление новых нейронов в гиппокампе — структуре мозга, связанной с памятью. Потом в других исследованиях обнаружилось, что физические упражнения положительно влияют и на мозг человека, особенно в пожилом возрасте, и что они могут даже снижать риск появления болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний. Из этих открытий последовал важный вопрос: почему вообще физические упражнения влияют на мозг? Спортивная активность улучшает работу многих систем органов, но эти эффекты, как правило, связаны с улучшением физических способностей. Например, когда вы ходите или бегаете, ваши мышцы потребляют больше кислорода, и со временем ваша сердечно-сосудистая система увеличит размер сердца и сформирует новые кровеносные сосуды. Такие изменения — реакция на физическую нагрузку, они повышают выносливость организма. Но на какую нагрузку в таком случае реагирует мозг?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо пересмотреть наши представления о физических упражнениях. Обычно люди считают, что таким формам активности, как ходьба и бег, присущ автоматизм. Но в течение последних десяти лет мы и другие ученые провели исследования, показавшие, что подобные общепринятые представления ошибочны. На самом деле физические упражнения — это не только физическая, но и умственная деятельность. Связь между физической активностью и здоровьем мозга

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сегодня хорошо известно, что физические упражнения положительно влияют на мозг, особенно в пожилом возрасте. При этом не совсем понятно, почему физическая активность вообще влияет на мозг. Связь между физическими упражнениями и мозгом могла сформироваться давно, когда происходили ключевые события в эволюции человека.

В мире науkи | [03] март 2020

Эволюция можно проследить на миллионы лет назад к тем временам, когда формировались отличительные черты человечества. Если мы сможем разобраться, как и почему физические упражнения воздействуют на мозг, возможно, мы сумеем использовать соответствующие физиологические подходы для создания новых комплексов упражнений для стимуляции когнитивных способностей пожилых людей. Это то, чем мы сейчас занимаемся.

Новые нейроны в стареющем мозге Физические упражнения вызывают благотворные изменения во взрослом мозге за счет образования новых нейронов и увеличения числа связей между уже существующими. По-видимому, увеличение нейропластичности с помощью физической активности обеспечивается в том числе и увеличением выработки белка, который называется «нейротрофический фактор мозга» (BDNF). Он способствует росту и выживанию нейронов. Недавно было показано, что этот процесс усиливается, если во время физических упражнений добавляется когнитивная нагрузка.

Illustrations by Tami Tolpa

Пластичность мозга

Для того чтобы понять, почему физические упражнения полезны для мозга, надо сначала рассмотреть, какие структуры мозга и когнитивные функции сильнее всего реагируют на упражнения. В 1990-х гг. ученые из Института биологических исследований Солка, расположенного в Ла-Хойе в Калифорнии, под руководством Фреда Гейджа (Fred Gage) и Генриетты Ван Прааг (Henriette Van Praag) показали, что бег усиливает образование новых нейронов в гиппокампе у мышей. Было отмечено, что процесс, по-видимому, связан с выработкой белка, который называется «нейротрофический фактор мозга» (brainderived neurotrophic factor, BDNF). BDNF вырабатывается по всему телу, а также в мозге и способствует росту и выживанию образующихся нейронов. Группа из Института Солка и другие ученые показали, что вызванный физическими упражнениями нейрогенез у грызунов сопровождается улучшением выполнения задач, связанных с памятью. Это были поразительные результаты, поскольку с атрофией гиппокампа в значительной степени связано ухудшение памяти при старении здоровых людей и особенно при таких нейродегенеративных заболеваниях, как болезнь Альцгеймера. Результаты исследований на грызунах заложили представления о том, что физические упражнения могут противостоять ухудшению памяти. После данной работы ученые провели еще ряд исследований и выяснили, что у людей, так же как у грызунов, аэробные упражнения способствуют выработке BDNF и увеличению объема и числа связей в ключевых областях мозга, в том числе в гиппокампе. В рандомизированном исследовании, выполненном Кирком Эриксоном (Kirk Erickson) и Артуром Крамером (Arthur Kramer) в Иллинойсском университете в Эрбане-Шампейне, после 12 месяцев аэробных упражнений у пожилых людей повысился уровень BDNF, увеличился размер гиппокампа и улучшилась память.

w w w.sci-ru.org

Гиппокамп

Стволовая клетка

Когнитивная нагрузка одновременно с физическими упражнениями позволяет увеличить нейропластичность, задействуя физиологические связи между телом и мозгом, развившиеся у наших предков, охотников-собирателей, которым требовалась многозадачность при поиске пищи.

Из стволовых клеток образуются клетки, которые затем станут новыми нейронами

Пространственная память и навигация

Новый нейрон Система движения и контроля

Новая клетка мигрирует и развивается в незрелый нейрон

ринятие П решений и плани рование

BDNF Сенсорные системы и поддержание внимания

Новый нейрон активен и встроен в обучающуюся сеть

[03] март 2020 | В мире науkи

Эволюция

Встань и берись за дело За 6–7 млн лет, прошедших с тех пор, как человеческая ветвь отделилась от ветви шимпанзе и бонобо, у нашего вида сформировался целый ряд особенностей, отличающих нас от других обезьян. Благотворное влияние на мозг сочетания когнитивной нагрузки и физических упражнений может быть обусловлено двумя эволюционными изменениями — переходом к прямохождению и образу жизни охотника-собирателя. Из-за этого люди стали физически более активны по сравнению с другими приматами и возросла наша способность к многозадачности.

Прямохождение

Примерно 6–7 млн лет назад предки человека отказались от передвижения на четвереньках и встали на задние конечности. Замена четвероногого перемещения на двуногое вызвала сложности с поддержанием равновесия и, вероятно, предъявила новые требования к мозгу.

Охота и собирательство

Около 2 млн лет назад наши предки начали охотиться. При такой стратегии требуется гораздо больше аэробной активности, чем при питании растениями, как это делают обезьяны. И при этом нужно, чтобы мозг во время движения выполнял множество когнитивных задач. Homo erectus Орангутаны

Гориллы

Бонобо

Homo sapiens

Шимпанзе

Общий предок

Другие ученые в ходе различных исследований также обнаружили связь между физическими упражнениями и состоянием гиппокампа. В нашей собственной работе, проведенной в Великобритании и опубликованной в журнале Brain Imaging and Behavior в 2019 г., участвовало 7 тыс. человек среднего и пожилого возраста. Мы показали, что у людей, которые тратили больше времени на умеренную или интенсивную физическую активность, гиппокамп был большего объема. Пока еще невозможно определить, связаны ли данные эффекты у людей с нейрогенезом или же с другими формами пластичности мозга, такими как увеличение числа связей между уже существующими нейронами, но в совокупности эти результаты ясно указывают, что физические упражнения могут быть полезны для гиппокампа и когнитивных функций. Исследователи также показали пользу аэробных упражнений для других о тделов

В мире науkи | [03] март 2020

мозга. Например, наблюдалось увеличение префронтальной коры — участка, расположенного в районе лба, — которое было связано с улучшением исполнительных когнитивных функций, таких как планирование, принятие решений и мультизадачность. Эти способности, так же как и память, обычно ухудшаются и у здоровых пожилых людей, и особенно при болезни Альцгеймера. Ученые предполагают, что если речь не идет о гиппокампе, то благотворное влияние физических упражнений на мозг и в том числе на префронтальную кору обусловлено увеличением связей между существующими нейронами, а не образованием новых.

Прямоходящие и активные

Появлялось все больше данных о том, что аэробные упражнения могут способствовать здоровью мозга, особенно у пожилых людей, поэтому надо было выяснить,

Эволюция как именно физическая активность создает нагрузку на мозг, запуская когнитивные улучшения в качестве адаптации. Мы предположили, что для начала хорошо было бы изучить взаимоотношения между мозгом и телом в свете эволюции. 6–7 млн лет назад гоминины (группа, состоящая из современных людей и наших ближайших вымерших родственников) отделились от ветви, идущей к нашим ближайшим ныне живущим родственникам (шимпанзе и бонобо). В это время у гомининов развились некоторые анатомические и поведенческие адаптации, которые отличают нас от остальных приматов. Мы предполагаем, что среди этих эволюционных изменений было два, обеспечивающих ту самую связь между физической активностью и мозгом, которую люди могут использовать в наше время. Во-первых, наши предки перешли от передвижения на четвереньках к прямохождению на задних ногах. Такое двуногое положение означает, что бывают моменты, когда наше тело опасно балансирует на одной ноге, а не на двух и более конечностях, как это делают другие обезьяны. Для поддержания равновесия наш мозг должен учитывать большое количество информации и в процессе корректировать мышечную активность всего тела. Координируя все движения, мы одновременно должны следить за появлением препятствий в окружающей среде. Другими словами, просто из-за того, что мы двуногие, на наш мозг ложится б льшая когнитивная нагрузка, чем у наших четвероногих предков. Во-вторых, образ жизни гомининов изменился так, что у них возрос уровень аэробной нагрузки. Согласно ископаемым данным, на ранних этапах эволюции человека наши предки были относительно оседлыми двуногими обезьянами, питавшимися преимущественно растениями. Однако около 2 млн лет назад климат стал суше и холоднее — и как минимум одна группа предков человека начала питаться иначе: охотиться на животных и собирать пищу на земле. Охота и собирательство были преобладающими стратегиями питания у людей на протяжении почти 2 млн лет, и лишь примерно 10 тыс. лет назад появились земледелие и скотоводство. Вместе с Германом Понцером (Herman Pontzer) из Дюкского университета и Брайаном Вудом (Brian Wood) из Калифорнийского университета в ЛосАнджелесе мы показали, что при охоте и собирательстве наши предки перемещались

w w w.sci-ru.org

на большие расстояния, поэтому у них было гораздо больше аэробной активности, чем у других обезьян. Увеличение ежедневной физической активности сопровождалось повышением требований к работе мозга. Уходя при поиске пищи на большие расстояния, охотникисобиратели должны были внимательно смотреть по сторонам, чтобы не заблудиться. Такой ориентацией в пространстве занимается гиппокамп, тот самый участок мозга, для которого полезны физические упражнения и который имеет тенденцию атрофироваться с возрастом. Кроме того, наши предки должны были помнить, где они уже бывали раньше и в какое время были доступны определенные виды пищи. Мозг использует данную информацию, работая с кратковременной и долговременной памятью, так что люди могут принимать решения и планировать свои маршруты, и для выполнения этих когнитивных задач наряду с другими областями используются гиппокамп и префронтальная кора. Наконец, охотники-собиратели часто отправляются за едой группами, и тогда они могут разговаривать, в то время как их мозг занимается поддержанием равновесия и определением положения в пространстве. Подобная многозадачность отчасти контролируется префронтальной корой, которая тоже имеет тенденцию истончаться с возрастом. Несмотря на то что любому животному в поисках пищи нужно ориентироваться и определять, где искать еду, охотники-собиратели должны заниматься этим во время быстрых перемещений, иногда на расстояние свыше 20 км. При высокой скорости многозадачность становится еще более сложной и требует более оперативной переработки информации. С эволюционной точки зрения было бы выгодно иметь мозг, готовый решать множество задач во время и после поиска пищи, чтобы с наибольшей вероятностью раздобыть еду. Однако для создания и поддержания такого мозга и в том числе для формирования и выживания новых нейронов требуется большое количество энергетических ресурсов, поэтому если эта система не используется регулярно, то она, по-видимому, невыгодна. Мы подробно описали эволюционный нейробиологический взгляд на связь мозга с физической активностью в статье, опубликованной в 2017 г. в Trends in Neurosciences. Для современного человека эта связь имеет принципиальное значение. Сейчас нам не нужно заниматься аэробной

[03] март 2020 | В мире науkи

Эволюция физической активностью, чтобы не умереть с голоду. Атрофия мозга и сопутствующие ей когнитивные нарушения, обычные при старении, могут быть отчасти вызваны нашим сидячим образом жизни. Но для того чтобы с помощью физической активности затормозить процесс ухудшения когнитивных функций и полностью реализовать все возможности этого подхода, недостаточно просто увеличить объем тренировок. Учитывая нашу модель, даже люди, которые уже имеют большое количество аэробной активности, могут захотеть изменить свои привычки. Вполне возможно, что мы не всегда упражняемся так, чтобы в полной мере использовать возникшие в процессе эволюции механизмы поддержания работы мозга.

Министерство здравоохранения США рекомендует заниматься аэробными упражнениями как минимум 150 минут в неделю, если нагрузка средней интенсивности, или минимум 75 минут в неделю, если нагрузка высокой интенсивности. Выполнение упражнений в таком или большем объеме полезно для организма и может улучшать работу мозга Задумайтесь о том, как многие из нас выполняют аэробные упражнения. Часто мы приходим для этого в спортзал и пользуемся стационарным тренажером. В такой тренировке самой сложной когнитивной задачей будет решить, какой канал смотреть на встроенном телевизоре. Более того, помимо отсутствия когнитивных задач, связанных с движением в меняющейся среде, на тренажере исчезают некоторые проблемы, связанные с поддержанием равновесия и регулированием скорости. Может быть, такая форма физических упражнений — самообман? Наши предки эволюционировали в непредсказуемом мире. Может быть, мы могли бы изменить наши упражнения так, чтобы добавить

В мире науkи | [03] март 2020

в них когнитивные задачи, с которыми сталкивались наши предки — охотники-собиратели? Если мы сумеем улучшить физические упражнения, добавив к ним когнитивную активность, то, вероятно, мы сможем повысить эффективность упражнений, предназначенных для улучшения когнитивных способностей у пожилых людей, и даже изменить течение таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера.

Двигайся и думай

Появляется все больше исследований, где показано, что физические упражнения, стимулирующие когнитивную деятельность, действительно полезнее для мозга, чем упражнения без когнитивной составляющей. Например, Герд Кемперманн (Gerd Kempermann) и его коллеги из Центра регенеративной терапии в Дрездене изучали эту возможность, сравнивая рост и выживаемость новых нейронов в гиппокампе мышей после физической нагрузки и после физической нагрузки в сочетании с доступом к обогащенной среде. Они обнаружили, что эффекты суммируются: физические упражнения сами по себе были полезны для гиппокампа, однако сочетание физической активности с когнитивной нагрузкой в стимулирующей среде было еще лучше, способствовало формированию еще большего количества новых нейронов. Использование мозга во время и после тренировки, повидимому, способствовало повышенной выживаемости нейронов. Недавно мы начали проводить и исследования на людях. Результаты обнадеживают. Например, изучалось влияние сочетания физической и когнитивной нагрузок на людей с заметно сниженными когнитивными способностями. Кэй Андерсон-Хэнли (Cay Anderson-Hanley) из Юнион-колледжа в Скенектади предлагала одновременно физическую и когнитивную нагрузку людям с умеренными когнитивными нарушениями, то есть имеющим повышенный риск развития болезни Альцгеймера. Безусловно, прежде чем можно будет сделать четкие выводы, требуются еще дополнительные исследования, но пока результаты позволяют предположить, что людям, у которых уже есть некоторые когнитивные ухудшения, может быть полезно сочетание физических упражнений с интеллектуально сложной видеоигрой. Кроме того, АндерсонХэнли с коллегами показали, что у взрослых здоровых людей сочетание физических

Эволюция упражнений с интеллектуально сложной видеоигрой вызывает большее увеличение уровня циркулирующего BDNF, чем одни только физические упражнения. Подобные результаты еще сильнее укрепляют представления о том, что польза мозгу от физической нагрузки обеспечивается с помощью BDNF. В нашем исследовании мы разработали игру, предназначенную для того, чтобы специально нагрузить те когнитивные способности, которые имеют тенденцию ухудшаться с возрастом и были необходимы нашим предкам при поиске пищи. Участники получают умеренную аэробную нагрузку за счет езды на велосипеде и одновременно играют в игру, где должны ориентироваться в пространстве и выполнять задания, требующие внимания и памяти. Чтобы оценить перспективность такого подхода для улучшения когнитивных показателей у здоровых пожилых людей, мы сравниваем четыре группы: с игрой и физическими упражнениями, с упражнениями и без игры, с игрой и без упражнений и контрольную группу, где участники смотрят видео про природу. На сегодня результаты кажутся многообещающими. Многие другие исследователи проверяют эффект от сочетания физических упражнений с когнитивными задачами. Повидимому, в ближайшем будущем мы начнем лучше понимать, как использовать такую нагрузку для поддержания и улучшения когнитивных способностей у здоровых людей и у тех, кто в связи с болезнью имеет когнитивные нарушения. Помимо специально разработанных процедур, описанных выше, активировать способности мозга возможно с помощью занятий спортом, в котором аэробные упражнения сочетаются с когнитивными задачами. Например, недавно мы показали, что у студентов, которые бегают по пресеченной местности и много тренируются под открытым небом, усиливается связь между областями мозга, обеспечивающими исполнительные когнитивные функции, по сравнению со здоровыми, но менее подвижными молодыми людьми. Дальнейшие исследования помогут выяснить, окажутся ли эти улучшения более значительными, чем у бегунов, тренирующихся в менее сложных условиях, например на беговой дорожке. Многое еще предстоит узнать. Но, хотя пока еще рано давать конкретные рекомендации про сочетание физических упражнений с когнитивными задачами, мы можем

w w w.sci-ru.org

уверенно утверждать, что физические упражнения — это ключевой фактор для сохранения хорошей работы мозга в пожилом возрасте. Согласно рекомендациям Министерства здравоохранения и социальных служб США, необходимо заниматься аэробными упражнениями как минимум 150 минут в неделю, если нагрузка средней интенсивности, или минимум 75 минут в неделю, если нагрузка высокой интенсивности (либо использовать адекватную комбинацию обоих видов нагрузки). Выполнение упражнений в таком или большем объеме полезно для организма и может улучшать работу мозга. В дальнейшем клинические испытания расскажут нам больше об эффективности физических упражнений с когнитивными элементами: например, какие виды умственной и физической активности наиболее полезны, каковы должны быть оптимальная интенсивность и продолжительность упражнений для улучшения когнитивных способностей. Но в свете имеющейся на текущий момент информации мы считаем, что, продолжив тщательные исследования, в итоге сможем использовать связи между мозгом и телом и задействовать возникшую в процессе эволюции способность улучшать пластичность в пожилом возрасте с помощью физических упражнений. Совместная тренировка тела и мозга поможет сохранять острый ум на протяжении всей жизни.

Перевод: М.С. Багоцкая

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ Понцер Г. Эволюция и тренировки // ВМН, № 3, 2019. Exercise, APOE Genotype, and the Evolution of the Human Lifespan. David A. Raichlen and Gene E. Alexander in Trends in Neurosciences, Vol. 37, No. 5, pages 247–255; May 2014. Adaptive Capacity: An Evolutionary Neuroscience Model Linking Exercise, Cognition, and Brain Health. David A. Raichlen and Gene E. Alexander in Trends in Neurosciences, Vol. 40, No. 7, pages 408– 421; July 2017. Differential Associations of Engagement in Physical Activity and Estimated Cardiorespiratory Fitness with Brain Volume in Middle-Aged to Older Adults. David A. Raichlen et al. in Brain Imaging and Behavior. Опубликовано онлайн 17.06.2019. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11682019-00148-x

[03] март 2020 | В мире науkи

Мировая политика

МИ РОВАЯ ПОЛ ИТИ КА

РОССИЙСКИЕ ЭКСПЕРТЫ ЛИЦОМ К КИТАЮ:

ПЕРЕОСМЫСЛИВАЯ АЗИЮ Азия, и прежде всего Китай, опять бросает вызов всему миру. На этот раз из-за вспышки коронавируса пересматриваются планы мировой торговли, нарушены цепочки поставок по всему миру, а некоторые эксперты заговорили о «черных лебедях», которые на этот раз летят из Китая. Но ведь Азия уже в течение десятилетий все больше и больше задает мировые тренды не только в производстве, но и в науке, образовании. Так почему же мир оказался не готов к такому «стресс-тесту»?

В мире науkи | [03] март 2020

Мировая политика

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Мировая политика

На вопрос о том, насколько глубока наша экспертиза Китая, насколько точны методы научного анализа и прогнозирования тех процессов, которые происходят в Азии, отвечает известный российский востоковед и китаист, доктор исторических наук, профессор Школы востоковедения факультета мировой политики и мировой экономики НИУ «Высшая школа экономики» Алексей Александрович Маслов. Доктор исторических наук А.А. Маслов — Алексей Александрович, признайтесь, если бы вам сейчас предложили выбрать страну, в которой хотите родиться, выбрали бы Китай? — Нет, я бы никогда не стал выбирать Китай. Исследователь не должен идентифицировать себя с объектом исследования. Многим кажется, что если кто-то живет в Китае, в самой глубинке, он все про него знает. Это не так. Нам нужно отражать то, что мы изучаем, нужен критический подход, без этого нет ни исследований, ни науки, ни аналитики. В этом плане Россия — как раз очень удачный вариант. У нас есть исторически сложившийся особый тип переживания пространства, культуры. Мы можем смотреть на Китай не только как на некое гигантское географическое пространство. — Поскольку у нас тоже пространство отнюдь не малое. — Совершенно верно. Мы можем на Китай и вообще на Восточную Азию смотреть как на особую культуру — очень сложную, у которой, как и у нас, есть своя логика процессов, свои кризисы, подъемы. Мы можем себя сравнивать с Поднебесной. Российское китаеведение всегда смотрело на Китай именно как на предмет самоотражения. — Вспышка коронавируса в Китае многих напугала, поползли панические слухи, заговорили о кризисе мировой торговли. Можно ли хоть как-то предсказывать такие катастрофы? — Мы как специалисты по Азии не можем предсказывать время и место возникновения

В мире науkи | [03] март 2020

заболеваний — наша область науки не располагает такими методами. Но при этом мы можем вычислять различные риски, в том числе и влияние эпидемий, техногенных катастроф или даже политических переворотов, на развитие как отдельной страны, так и мира в целом. На мой взгляд, ситуация с коронавирусом обнажила проблему с крайне поверхностным пониманием ситуации в Китае — политической, социальной, экономической. Безусловно, и у нас, и во многих зарубежных центрах есть очень серьезные специалисты по ситуации в Китае, но, как видим, тон задают не они, а те, кто весьма неглубоко разбирается в социально-политических и экономических процессах в Азии. Именно это и становится источником многочисленных слухов о том, что «экономика Китая обрушится» или что коронавирус запущен едва ли не специально самими китайцами, чтобы решить внутрипартийные трения. Часто все упирается в мнение одного-двух людей, нередко случайных, которые просто не в состоянии осознать все стороны проблемы. И здесь серьезная многофакторная научная экспертиза должна давать ответ быстро и четко — и иметь заранее разработанные сценарии развития событий, исходя из особенностей развития Китая или Азии в целом. Обратите внимание: даже не самый большой уровень заболеваемости и тем более летальности нового коронавируса, несопоставимый ни с испанкой, ни с чумой XIV или XIX в., по сути, породил волну панического

Мировая политика страха во всем мире. Теоретически в таких случаях в России должен быть хотя бы один крупный аналитический центр по Азии, способный выдать в течение короткого времени экспертизу последствий для Китая, России, всего мира и использовать для этого не метод «один китаец мне рассказал», а, например, многофакторный количественный анализ. Можно бесконечно долго рассуждать о «новом востоковедении», но если у вас нет понимания новых методов, достаточного числа наработок, а главное — отработанной заранее системы экспертизы, то очередной «стресс-тест» мы можем и не пройти.

С ЗАПАДА НА ВОСТОК — У нас люди часто обижаются, когда кто-то говорит, что Россия — это Азия, хотят, чтобы мы были Европой. — Этот вопрос очень часто обсуждается, при том что глубинно он абсолютно бессмысленный. Вам, может быть, покажется странным, но слово «Азия» в Китае и вообще в Азии изначально отсутствовало. По-китайски сейчас оно звучит как «ясия», то есть это четкая транслитерация английского Asia. Пока Китай, Япония, Корея развивались сами в себе и сами по себе, они и не задумывались о том, что они — Азия, а есть еще «не Азия». Самоотражение началось только тогда, когда туда пришли европейцы. Тогда китайцы начали понимать: раз нас называют «Азия», значит они — те, кто называет, — это что-то другое. — Но стороны света же у них как-то именовались? Ведь параллель четкая: восток — Азия, запад — Европа... — В Китае все иначе. Это у нас по критерию «восток — запад» строится основная парадигма. А в Китае очень важное для нас слово «восток» означает только сторону света и ничего больше. Азиатское сознание делит мир не на Запад и Восток, а на Юг и Север. В Китае есть, например, южные и северные школы живописи, южные и северные школы поэзии, южные и северные династии и т.д. — Но для нашего сознания важно понимать, кто мы — Азия или Европа. — Потому что нам кажется, что самое главное — определить свою идентичность. Но очевидно, что никаких жестких разделений и демаркационных линий здесь нет. Мы говорим на неазиатском языке, одеваемся и мыслим себя не как азиаты. Но ведь и Европа отнюдь не гомогенна. Есть такая Европа, как Великобритания, а есть и такая, как Греция, это совершенно разные культуры. Есть Азия такая, как Китай, и Азия такая, как Филиппины. Это нам кажется, что там одна «большая Азия», на что местные жители обижаются. Наше непременное желание определиться с тем, кто мы такие, — это скорее отражение болезненности

w w w.sci-ru.org

сознания, присущее русской религиозной философии. Надо гнать такие мысли, потому что они отвлекают от действительно серьезных проблем. — Тем не менее в каких-то направлениях мы ближе к европейскому стилю, а в каких-то — к азиатскому. Скажем, в науке мы больше европейцы или азиаты? — В науке мы значительно ближе к Европе. И не только в науке. Наша культура формировалась под воздействием европейской культуры. Да мы и сами немало повлияли на европейскую культуру. Музыка Чайковского так же наполнена итальянскими мотивами, как и поздняя итальянская музыка наполнена мотивами Чайковского. Россия не отделялась от Европы, мы всегда были частью большой европейской культуры. Политика наша тоже строится по европейским сценариям. Наши учебники по мировой экономике, международным отношениям — по сути европейские, европоцентричные. Даже в школьных учебниках 90% всего объема информации посвящено Западу и западной истории и лишь процентов десять — восточной. — Потому что Европа к нам ближе. — Нет, потому что мы мыслим как европейцы. И когда мы начинаем движение к Азии, для нас очень сложно перестроиться. Когда вы приезжаете в Китай, Корею, Японию, вам надо овладевать специальным комплексом знаний: что означает тот или иной жест, можно ли в приличном обществе сидеть вытянув ноги, как подавать визитную карточку, где должен сидеть старший, а где младший и т.д. Если вы не выучите этих ритуалов, не овладеете этими культурными кодами, то будете казаться там чужим. — А в Европе я не буду казаться чужим? — Не будете, и не только в Европе, но и вообще на Большом Западе. Вы можете не знать язык местных жителей, но психологически вы будете с ними на одной волне. Потому что вы одеваетесь так же, ведете себя так же, реагируете так же, мыслите себя так же. Мы часть большой цивилизации, которая возникла в рамках одной культуры. Культура, наука, политика, экономика в России, конечно, европейские.

ВИРТУАЛЬНО О РЕАЛЬНОМ — Однако последние геополитические и макроэкономические события заставляют нас двигаться в сторону Азии. — Двигаться в сторону Азии надо было и без этих событий. Но мы слишком долго и упорно идентифицировали себя именно как Запад. Все европейское мы уже по определению воспринимали позитивно, а азиатское — плохо. «Азиатчина» по‑русски — до сих пор плохое, негативное слово. — Но сейчас у нас объявлен разворот на Восток.

[03] март 2020 | В мире науkи

Мировая политика — И это, как ни странно, в Азии показалось очень оскорбительным. На мой взгляд, «разворот» был объявлен непрофессиональными людьми, которые на самом деле хотели сделать хорошо, но не понимали, как работает азиатское сознание. Представьте, вы живете в Азии, в великой стране с многотысячелетней историей типа Китая. И вдруг к вам кто-то решил развернуться лицом. А до этого как он к вам стоял? Это действительно обидно. Когда англичане захватывали Индию, это тоже называлось «разворотом на Восток». Это абсолютно колониальный термин, который мы использовали, не понимая, что этим уязвляем миллиарды людей. Реальный «разворот на Восток» теоретически должен был изменить все: торговлю, политику, экономику. Но такого не произошло, а лозунг этот стал просто фигурой речи. К сожалению, многое из того, что мы провозглашаем в отношении Азии, остается именно фигурой речи. Так сложилось, что у России самая протяженная граница с Китаем. Наша страна граничит с самым большим числом азиатских государств, две трети нашей территории лежат в Азии, при этом Азией мы себя не мыслим. В этом серьезный парадокс. Нам уже давно надо было начать «обучаться Азии». — Разве мы ее не изучали? — Формально. Причем в рамках различных наук от экономики и востоковедения до политологии и культурологии. Но изучали мы какуюто абстрактную Азию, которая существует в нашем воображении. В культуре есть такое понятие «ориентализм». Это когда в XIX в. среди западных художников, поэтов, философов, музыкантов стало модным копировать азиатские мотивы. — Ария индийского гостя в «Садко», балет «Шехеразада», особняк Морозова и чайный дом в Москве... — Это самый типичный ориентализм, где Восток на самом деле лишь фон, который очень красиво смотрится. Тот же чайный дом москвичи называют китайским, но китайцы его как «свое» не опознают. Смотрят и говорят: «Какой странный русский дом». То, как зачастую мы подходим сегодня к Востоку, — это тоже ориентализм. Или посториентализм на новом уровне, когда нам кажется: то, что мы предлагаем Востоку, он должен принять с благодарностью. Все обстоит не так, и нам надо пересматривать свои навыки общения с этим гигантским регионом.

ЭКСПЕРТИЗУ ВЕДУТ ЗНАТОКИ — И кто же может нас этому научить? — Вопрос экспертизы в азиатских отношениях сейчас стоит на одном из приоритетных мест. Кризис востоковедения был не только у нас,

В мире науkи | [03] март 2020

но и в д ругих западных странах, потому что долгое время оно рассматривалось лишь как часть огромной историко-филологической традиции. Люди изучали языки, культуру, религию, философию... На этой почве родился гигантский массив востоковедения, в котором Россия играла важную роль. В XIX в. всемирные азиатские конгрессы проходили в России, в Санкт-Петербурге. Но внезапно Восток начал развиваться не так, как предполагалось. Он стал вырываться вверх, вперед. — Вышел из-под европейского контроля. — Концепция догоняющего развития Востока, в соответствии с которой предполагалось, что он всегда будет плестись за Западом, сломалась. И не потому, что Восток вдруг сделал что-то не ожиданное. Даже многие ученые из-за недостатка первичной информации проигнорировали факт, что тот же Китай всегда, во все эпохи был в мире на первом месте по ВВП. В XIX в. его доля в мировом производстве составляла от 25% до 35%. — То есть он не только сейчас мировая фабрика, но и всегда ею был? — Китайские товары шли по Шелковому пути во все страны древнего мира. Только в XIX–XX вв. Восток был сломлен и поставлен под контроль европейцев. И нам начало казаться, что это и есть норматив Востока. Оказалось, нет, норматив его состоит в том, что он развивается. Как только Восток вышел из-под контроля, многие западные школы — британская, немецкая, французская — пересмотрели свою систему азиатской экспертизы. — И сильно ее изменили? — Они не отказались от старого. По-прежнему изучаются и древнекитайская поэзия, и японская история. По-прежнему всех восхищают японские гейши и самураи, изучается история Месопотамии, все это не ушло с повестки дня, но теперь это встроено в новую систему, которая имплементирует знания в современности. По сути дела, сегодняшнее востоковедение — это понимание того, как живет Азия как организм. Если мы знаем биографию человека, мы приблизительно представляем, как он себя поведет в той или иной ситуации и как с ним надо общаться, если хочешь, чтобы он тебя понял. Если мы знаем историю какой-то страны, ее политическую культуру, мы понимаем, что скорее всего она будет воспроизводиться и в будущем. Такие знания — важная часть экспертизы. Настоящая экспертиза — не просто подсчет ВВП на душу населения, как часто бывает, не абстрактные размышления о том, поддержит Китай Россию или нет. Это понимание логики процесса. Мы не можем убедить китайцев, японцев, корейцев думать как мы. Но мы можем с помощью экспертизы понять, почему они так думают, как они будут поступать завтра, и в соответствии с этим выстраивать свое поведение.

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Мировая политика — Но для этого нам нужны высококлассные эксперты. — Сегодня экспертиза — это анализ огромных массивов данных от древней истории до современной экономики. Актуальные азиатские исследования проводятся не за счет одного или нескольких человек, какими бы гениальными они ни были. Простой пример. Надо понять, кто в Китае принимает решения, какие там есть властные группировки и т.д. А как вы поймете, если это закрытая страна? Вы видите лишь ареопаг, верхушку, которая управляет страной. Нам надо знать: если один руководитель передвинется на ступеньку вверх, кто будет подниматься вместе с ним, а кто, напротив, опустится? Нам надо вычленить систему, проследить ее в некоторой аппроксимации, а для этого заглянуть назад на 10–15 лет. Но тут оказывается, что китайские СМИ не хранят на своих сайтах архивы. Мы знаем, что там было три-четыре года назад, а раньше — не знаем. Если, конечно, мы все эти архивы себе заранее предусмотрительно не скачали. Но если отслеживать ситуацию годами, с помощью компьютерных программ, то можно составлять специализированные базы данных. А они позволят понимать, какие движения идут в КНР, какая группа там идет вверх, а какая вниз. Если мы при этом еще и видим, какая область промышленности поднялась, а какая притормозила, мы можем предположить, как связаны эти промышленные и политические группы. Получается хорошо работающая система, но один человек ее никак не осилит. Исследование — к сожалению, достаточно рутинный процесс. В этом плане мы сегодня отстаем. — У нас нет методологии такой продвинутой экспертизы? — Методы известны, они не секретны, но мы настолько остаемся в матрицах периода «догоняющего Востока», что эти методы часто просто не используем. И получается, что касающиеся Азии решения принимаются без должной экспертизы. Формально она проводится, но это часто просто поверхностный анализ: например, поднимается промышленность Китая или у нее спад, кто кого снял, а кто кого поставил на такую-то должность. Но главное не это: нам важно понимать вектор движения Азии. Очень большой и серьезный вопрос, который должен нас интересовать, — где и каким будет Китай через 25 лет и, соответственно, где будем мы. Тут серьезную роль играют много приходящих факторов — от развития в стране технологий искусственного интеллекта до возможной атаки на нее США. И все это надо просчитать. Вряд ли какой-то политолог или экономист сделает это в одиночку. Еще один момент, который важен для экспертизы, — нам нужны первичные данные. Нельзя пользоваться просто материалами из англоязычной прессы. Более того, мы должны

В мире науkи | [03] март 2020

не только читать статьи на китайском или японском языках, но и верифицировать получаемые данные. Данные, которые приводит китайский Госкомстат, столь же точны, как и данные российского Госкомстата. Но их можно проверить, сопоставив десятки баз данных. Простой пример: очень часто в прессе пишут, что Китай всех обманывает, что на самом деле его население меньше, чем 1,4 млрд, как они указывают. — Зачем это делать? — Чтобы запугать весь мир. — Как это можно проверить? Мы же не можем посчитать всех китайцев. — Но можно посчитать, например, средний расход электроэнергии на душу населения, посмотреть, сколько Китай использует продуктов питания, какова результативность сельского хозяйства или легкой промышленности, строительства, сколько потребляется бензина... В таких случаях используют 20–25 параметров. Если цифры не сильно бьются между собой, скорее всего, данным можно верить. Своевременный анализ, экспертиза азиатских вопросов — это огромный комплекс задач, которые должны решаться в мощных научно-исследовательских институтах. К сожалению, на мой взгляд, полноценная экспертиза в России просто отсутствует. У нас есть отличные школы, классные специалисты, но вся структура настолько устарела, что уже не может обслуживать интересы государства. — А как обстоят дела в других странах? — При выходе на Китай в США по каждой проблеме работают пять-шесть крупных центров и полученные результаты сопоставляются между собой. У нас этого нет. Посмотрите, что сейчас Штаты сделали с Китаем. Они ударили в самые болевые точки. Они все просчитали и ударили очень грамотно. Ясно видно, что над проблемой работали неординарные умы. — То есть это не лично Дональд Трамп или Майкл Помпео придумали? — Нет, конечно. В США есть группы высококлассных и очень антикитайски настроенных специалистов, которые все крайне грамотно рассчитали. Вот это и есть настоящая глубокая экспертиза, пусть и деструктивная.

КТО НАЧИНАЕТ, ТОТ И ВЫИГРЫВАЕТ — КНР вкладывает в науку в восемь-десять раз больше средств в пересчете на каждого научного сотрудника, чем мы. Не значит ли это, что у них шансов победить больше и нам пора начинать их бояться? — Если говорить о развитии китайской науки, тут дело не только в деньгах. В Китае очень хорошо работает система реализации этих денег. Главной проблемой Китая, когда он только начинал

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Мировая политика развиваться, была проблема низкой квалификации кадров. Сказалась культурная революция, когда интеллигенция была уничтожена, а люди годами не получали нормального образования. Первое, что стал делать Китай, помимо открытия рынков, — начал посылать своих студентов на обучение за рубеж. — Пока мы боролись с утечкой мозгов, они ее культивировали? — Только культивировали подконтрольно. Когда в 2004 г. в КНР поняли, что больше половины студентов остаются в США, Великобритании и т.д., они установили минимальную зарплату для возвращающихся на уровне, вдвое превышающем среднюю по рынку. Плюс обеспечили им хороший кадровый рост. Потому что главная задача была такая: ты должен поехать за рубеж и привезти передовую технологию. — Студенты воровали технологии? — Да, воровали, копировали, и это была сознательная государственная политика, потому что в конце концов они все это поставили на пользу государству. То, что мы сегодня видим, — это не результат только вложения денег, это результат реализации государственной программы, направленной на развитие национальной науки. Китайцы публикуют сегодня в престижных цитируемых журналах почти в 15 раз больше научных работ, чем россияне. Почему? Там были созданы гигантские программы стимулирования публикаций. Сначала китайские исследователи публиковались вместе с известными американскими, британскими авторами, потом они покупали научные журналы, в которых публиковали свои труды. Во всех крупных университетах КНР созданы специальные центры переводов и академического письма, чтобы довести число публикаций до максимума. И сейчас мы видим плоды реализации тех программ стимулирования. Бояться китайцев нам, наверное, не надо, но надо понимать, что во многих областях науки они уже опережают нас. Кроме большого числа публикаций, в КНР была создана очень эффективная система имплементации открытий. Сегодня на крупнейшие китайские технологические корпорации, такие как Huawei или ZTE, работает очень много талантливых молодых ученых из России, Беларуси, с Украины. Когда я спрашиваю у них, почему они выбрали КНР, они указывают три простых момента. Первый — очень хорошая зарплата и условия проживания. Второй — как они сказали: «Мы работаем в среде, которая нас поднимает, подтягивает». И третий — там видна перспектива. — А у нас она не видна? — У нас она не очевидна. Так что Китай действительно создал эффективную систему выкачивания мозгов из всех стран мира — не только из России, Восточной Европы и Центральной

В мире науkи | [03] март 2020

Азии, но и из США, Великобритании, Франции, Германии. Современная китайская наука эффективна, она замотивирована, самое главное — она живая.

ВМЕСТЕ МОЖНО, ТОЛЬКО ОСТОРОЖНО — На недавней пресс-конференции президент РАН А.М. Сергеев предложил такую схему сотрудничества с Академией наук КНР: если Китаю нужен наш интеллект, мы можем предложить ему научное сопровождение их проектов. При этом созданные в результате такого сотрудничества продукты и технологии должны принадлежать не только Китаю, но и России. — Идея хорошая. У нас подписано очень много договоров, этот и следующий годы объявлены годами научно-технического обмена России и Китая, так что формально для сотрудничества создана отличная база. Но есть одно обстоятельство, который необходимо учитывать. Китай — страна, которая всегда работала сама на себя. Так сложилось исторически, и за последние 2 тыс. лет китайское мышление не изменилось. Даже когда китаец создает с вами совместную научную лабораторию, вся система будет устроена так, чтобы созданные технологии и патенты оставались на китайской стороне. — Они нас обманывают? — Нет, они вовсе не хотят обмануть или что-то украсть, просто там действительно так устроена вся система. Поэтому идея создания совместных научных предприятий хорошая, но надо очень вдумчиво проработать юридическую базу. А значит, нужна серьезная экспертная работа. На мой взгляд, лучшим решением может стать создание совместных технопарков. — В Китае или в России? — Не имеет значения. Это могут быть технопарки разной принадлежности, которые работают над совместными проектами, в договорах между которыми четко прописаны вопросы использования полученной интеллектуальной собственности. Это нам кажется, что вот мы для китайцев все сейчас просчитаем, а они наладят производство и будут отдавать нам часть прибыли. Такого не будет никогда. — У них так устроено сознание? — Конечно. Наше сознание западного толка, оно кооперативное. Если у нас есть совместный интерес, мы вместе что-то создаем, вместе и реализуем. Зачем обманывать, если прибыли всем хватает? У китайцев психология другая. За всю многотысячелетнюю историю Поднебесной не было случаев, когда другая страна осталась бы в выигрыше от долгосрочной кооперации с Китаем. — Может, мы будем первыми?

Мировая политика — Думаете, на нас эти закономерности не распространяются? К сожалению, они работают для всех. Так что идея хорошая, но ее надо серьезно прорабатывать и разрабатывать. В противном случае, если мы не будем реализовывать совместные проекты, наши мозги из академгородков Новосибирска, Томска, Красноярска, из Москвы и т.д. будут утекать в Китай, потому что там выше зарплаты, выше уровень жизни. — Учитывая то, что сегодня наши отношения с Китаем находятся на подъеме, думаю, у нас есть хороший шанс договориться. — К сожалению, тут все зависит не только от хороших отношений. Действительно, оба наших руководителя, и российский, и китайский, говорят, что между нашими странами отношения сейчас лучше, чем когда бы то ни было. И это правда так. Объем нашей взаимной торговли в 2019 г. составил $110 млрд. Меньше, чем у Китая с США, но все равно неплохо. Но посмотрите: на территории Китая сегодня работает более 60 западных вузов. Нью-Йоркский университет, Ноттингемский, масса немецких университетов, в которые просто ломятся китайские студенты. Плюс там работают совместные лаборатории. То есть китайские студенты на лабораторном оборудовании, закупленном китайцами по заказу западных специалистов, делают исследования, например, по фармакологии. И потом на территории Китая известные фармакологические компании по результатам этих работ изготавливают инновационные лекарства. — Разве российских университетов в Поднебесной нет? — Есть один, в Шэньчжэне. Это совместный проект МГУ и Пекинского педагогического университета. Для его создания были предприняты гигантские усилия, но сейчас там учится всего 500 человек. — А на сколько он рассчитан? — Кампус построен на 5 тыс. человек. Это большой университет, его корпус — точная копия главного здания МГУ. Но там пока нет научных лабораторий, крупных аспирантских школ. То есть немцы, британцы, французы, итальянцы, не говоря об американцах, создают в своих филиалах именно научную среду, подпитываясь уже от китайских мозгов, а мы этого не делаем. И результат: США — главный «враг» Китая, а американский Нью-Йоркский университет там самый крупный. Мы — лучшие друзья, а у нас в КНР всего один университет, который развивается достаточно медленно из-за бюрократических проволочек.

НАУКА ПОБЕЖДАТЬ — В КНР на государственном уровне поставлена весьма амбициозная задача — к 2035 г. сделать страну мировым научным лидером. Получится?

w w w.sci-ru.org

— В Китае вообще все планы осуществляются. Провалившихся нет. Например, Китай планировал продвинуть свои университеты в список 200 лучших вузов мира. — Как наша программа «5–100» по выведению пяти российских вузов в первую сотню мирового рейтинга. — Разница в том, что мы стараемся выйти в верхушку рейтинга лучших университетов мира (THE World University Rankings), а китайцы уже вышли. У нас в первую двухсотку вошел только МГУ, занявший 198‑е место. А Китай ввел туда семь своих вузов, причем Университет Цинхуа и Пекинский университет в прошлом году заняли 23‑е и 24‑е места соответственно. Так что этот план они осуществили. Китай планировал выйти на первое место по количеству научных публикаций. Вышел. Поэтому, я думаю, научное лидерство к 2035 г. тоже возможно. — Но как определить, какая страна более передовая в науке? — Тут кто как измеряет. Китай прекрасно понимает: побеждает та страна, у которой лучше развита наука. Удары, которые сегодня наносятся по Китаю, бьют не по китайской промышленности, а именно по науке. Пока Китай был просто большой мировой фабрикой, производившей массу дешевых товаров, он никого не волновал. Напротив, все им восхищались. Но потом Китай понял, что надо переходить на высокотехнологичную продукцию. И начал лоббировать свои крупные компании — Huawei, ZTE или Xiaomi, — чтобы там внедряли суперсовременные технологии типа 5G или искусственного интеллекта. Вот в этот момент в США заволновались, потому что высокие технологии — это территория глобального будущего. И по Китаю тут же был нанесен удар, к которому он не был готов. Но технологии у Китая есть, и он прекрасно понимает, что, если ему удастся выиграть «войну» и довести дело до конца, он станет победителем не только в науке, а вообще в деле научно-технического обслуживания мира. Это новые облачные технологии, системы передачи данных, системы обработки информации, суперсерверы, которые доступны для потребителей в любой точке мира, и т.д. То есть Китай претендует не просто на абстрактное наукометрическое лидерство, а на научно-техническое обеспечение мира, как он сейчас обеспечивает мировую торговлю. В этом плане Китай сегодня конкурент не только США или России, но и любой стране. И если он победит в этой конкурентной борьбе, на смену концепции догоняющего Востока может прийти концепция отстающего Запада.

Беседовал Валерий Чумаков

[03] март 2020 | В мире науkи

Нейронауки

В мире науkи | [03] март 2020

Н Е Й РОНАУКИ

РЕВОЛЮЦИЯ В НЕВРОЛОГИИ Мозг — величайшая тайна Вселенной. Что ученым удалось понять, а что остается загадкой? Какие прорывные шаги в нейронауках сделаны в последнее время и какое практическое применение находят эти идеи? Доведется ли нам когда-нибудь познать мозг полностью? Об этом и многом другом — наш разговор с академиком Михаилом Александровичем Пирадовым, директором Научного центра неврологии. — Михаил Александрович, Научный центр неврологии, который вы возглавляете, — один из крупнейших в Европе и самый крупный в нашей стране. Чем можете похвастаться? — Хвастаться не будем, просто скажем, что за последние два десятка лет нам удалось в два раза снизить летальность от кровоизлияний в мозг, в полтора раза — от ишемических инсультов, в 11 раз — от тяжелых форм дифтерийной полиневропатии, в два раза уменьшить время восстановления самостоятельной ходьбы при острой демиелинизирующей полиневропатии, довести практически до нуля летальность от тяжелых миастенических кризов, создать совместно с коллегами из биологических институтов препарат, продлевающий жизнь при фатальном заболевании — боковом амиотрофическом склерозе, разработать и усовершенствовать новые технологии нейрореабилитации, нейровизуализации, профилактики и раннего обнаружения сосудистых и наследственных заболеваний мозга... Сложно все перечислить. — Знаю, что в состав вашего центра входит еще Институт мозга, где хранится мозг В.И. Ленина.

w w w.sci-ru.org

— Действительно, в нашем составе — Институт мозга, который был основан сразу после смерти Ленина в 1924 г. с целью изучения мозга вождя. В этом институте есть целый пантеон, где хранятся мозги В.И. Ленина и И.В. Сталина, лауреатов Нобелевских премий, ученых и писателей, в частности Д.И. Менделеева и А.М. Горького, многих наших академиков. Здесь вед утся фундаментальные исследования структуры и функций мозга человека. Мы занимаемся, например, так называемыми индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. За такие исследования несколько лет назад была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Мы берем соскоб с кожи, помещаем в специальную среду и из нее можем выращивать нейроны, то есть самые высокочувствительные, высокоорганизованные клетки. — Вы пересаживаете их людям? — Пока крысам, у которых смоделирована болезнь Паркинсона. После этой пересадки животные восстанавливают утраченные функции и начинают шустро бегать внутри клетки. Надеюсь, эти эксперименты скоро перейдут в клинику и помогут облегчить

[03] март 2020 | В мире науkи

Нейронауки

Академик М.А. Пирадов жизнь многим миллионам людей не только с болезнью Паркинсона, но и с целым рядом других тяжелых патологий. Институт неврологии, также входящий в состав Научного центра неврологии, занимается прежде всего клиническими исследованиями, разрабатывает новые методы диагностики, лечения и профилактики наиболее социально значимых заболеваний нервной системы. Вообще, в неврологии сейчас происходит своего рода революция. Раньше на вопрос, кто такие неврологи, традиционно следовал ответ: это люди, которые все знают и ничего не могут. Сейчас ситуация кардинальным образом изменилась. — Ничего не знают, но кое-что уже могут? — Ничего не знают, но на совершенно ином уровне. Мы теперь многое знаем о локализации, строении и функциях мозга, но как это работает все в целом, пока не до конца исследовано. Это уже другой уровень познания. — Ваш институт не только клинический, но и научно-исследовательский. А что важнее? — Это одинаково важно. С одной стороны, мы — серьезный научно-исследовательский институт, с другой — первоклассный клинико-диагностический центр, где своевременно диагностируют и эффективно лечат самые тяжелые и социально значимые

В мире науkи | [03] март 2020

аболевания человека, связанные с поражез нием центральной и периферической нервной системы. — Насколько я знаю, это именно ваша работа — самые тяжелые состояния. — Да, я пришел в ординатуру центра 40 лет назад. Из них 25 лет до самого последнего времени руководил отделением нейрореанимации, где занимался наиболее острыми и тяжелыми заболеваниями нервной системы. — Говорят, что мозг — величайшая тайна Вселенной. Вам удалось что-то в этой тайне разгадать? — Не знаю, согласятся ли со мной физики или космологи по поводу величайшей тайны Вселенной, но в том, что это самая сложная структура на нашей планете, особых сомнений нет. Приведу пример. Самый простой червячок имеет 302 нейрона. Для того чтобы исследовать все взаимосвязи этих 302 нейронов, биологам потребовалось около 15 лет. Наш мозг состоит из 86 млрд нейронов. Мы пока не имеем квантовых компьютеров, и сложно даже представить, сколько времени надо для того, чтобы исследовать все взаимосвязи этих нейронов друг с другом. По нашим прикидкам, ориентировочно несколько миллиардов лет. Действительно, мозг — сложнейшая структура. И самое интересное заключается в том, что мы с вами можем, скажем, изучить мозг дрозофилы и даже слона. С мозгом

Нейронауки ельфина, правда, уже много сложнее. д Но как может одна сложная субстанция изучать другую, такую же сложную? Как мы можем сами себя исследовать? Это вопрос философского плана. И в этом, мне кажется, одна из проблем. Мы очень хорошо узнали строение человеческого тела, прекрасно разобрались с печенью, ее функциями, сердцем, почками и т.д. Сейчас мы дошли до мозга. В мире существует огромное количество проектов, направленных на изучение мозга. Есть такой проект и у нас в стране. Все они ставят своей целью исследование фундаментальных и клинических аспектов деятельности мозга. На это выделяются миллиарды долларов, евро, рублей. Все хотят понять, кто мы. И есть успехи. Но пока нет грандиозных прорывов, в результате которых мозг человека стал бы для нас чем-то более ясным и понятным. — Давайте все же поговорим об успехах, которые, несомненно, имеются у вас в этой области. — Сейчас мы занимаемся очень важной и интересной проблемой, напрямую связанной с человеком, — сознанием. Сознание можно изучать с точки зрения не только философии, но и нейрофизиологии, нейропатологии и т.д. В наше отделение нейрореанимации часто попадают люди, которые, несмотря на тяжелейшее поражение мозга, выживают благодаря мастерству врачей. Но, выживая, они не всегда восстанавливают сознание. Что такое кома? Любое коматозное состояние заканчивается максимум через две-четыре недели. А чем? Вариантов несколько: это переход в ясное сознание, печальный конец, состояние минимального сознания или вегетативное состояние, когда у человека сохранены основные функции организма — дыхание и кровообращение, но у него нет сознания. — Выходит, истории про людей, которые годами лежат в коме, совсем не соответствуют действительности? — Конечно, это уже не кома. Изучая людей, находящихся в вегетативном состоянии или состоянии минимального сознания, мы пытаемся найти и изучить регионы мозга, где зарождается сознание, потому что в вегетативном состоянии, согласно современным представлениям, у человека сознания нет. Есть в арсенале неврологов интересная технология — функциональная магнитно-резонансная томография, которая позволяет нам провести такое исследование. Если говорить простым языком, сознание, видимо, зарождается в тех участках

w w w.sci-ru.org

мозга, где в момент перехода человека из вегетативного состояния в состояние минимального сознания впервые повышается кровенаполнение (это проявляется определенными изменениями при функциональной магнитно-резонансной томографии). Мы очень аккуратно об этом говорим, потому что уверенности пока нет. Может быть, не только там, но и где-то еще. Сейчас совместно с целым рядом групп из Бельгии, Италии, США мы занимаемся изучением этого вопроса. — Это важно с фундаментальной точки зрения или с прикладной тоже? — Это важно и с фундаментальной точки зрения — чтобы понять, где и каким образом появляется то, что сделало человека человеком, и с прикладной — чтобы понять, куда именно надо прикладывать усилия, чтобы вылечить человека. В частности, заниматься стимуляцией определенных зон мозга, чтобы из бессознательного состояния перевести его в состояние сознания. — Каким образом вы видите, что человек выходит из комы? — Первый классический клинический признак выхода из комы в ясное сознание — это фиксация взгляда. Существует целый ряд приемов, которые позволяют определить, действительно ли человек фиксирует взгляд, а не совершает какие-то бессознательные движения, которые родственникам этого человека могут казаться переходом в ясное сознание. И, надо сказать, нам уже удалось с помощью навигационной транскраниальной магнитной стимуляции переводить целый ряд больных из состояния минимального сознания в состояние ясного сознания. Это, конечно, большое достижение. В отношении вегетативного состояния пока результаты отрицательные. Но мы ищем новые пути, подходы, режимы стимуляции, чтобы реализовать и эту возможность. — Что вам еще удалось? — Сейчас в области реабилитации, в частности нейрореабилитации, происходят понастоящему удивительные вещи. Безусловно, это связано с научно-техническим прогрессом. Мир стремительно меняется. Сегодня мы говорим не только о свободе коммуникаций, но и о возможности передачи своих мыслей на расстояние, превращении мыслей в действия. — Это как? — Мы все читали сказки и фантастические произведения, где говорилось о том, что один персонаж о чем-то подумал, а д ругой

[03] март 2020 | В мире науkи

Нейронауки 1

воспринял этот импульс, который передался по эфиру. Человечество всегда мечтало превратить мысль в действие. Помните известное русское сказочное заклинание: «Сивка-Бурка, вещая каурка, встань передо мной, как лист перед травой!»? И чудо-конь тут же появляется, как из-под земли. — Чистая телепатия. — Вот именно. Но возможно ли это? Известна технология, которая считается одной из самых прорывных в наше время, — это мозг-компьютер-интерфейс. Что это такое? В 1924 г. Ханс Бергер открыл биотоки мозга. И эти биотоки стало возможным регистрировать с помощью электроэнцефалограммы. На этом основан диагноз эпилепсии и ряда других состояний, например болезни Крейтцфельдта — Якоба. Эта технология работает с помощью снятия биотоков мозга, когда на голову человеку надевается специальная шапочка и он дает какую-то команду — скажем, включить телевизор. Команда должна быть очень четкой, концентрированной. Тогда через биотоки она попадает в компьютер, где происходит самое сложное — вычленение из хаоса различных сигналов узконаправленной и ясной команды. Компьютер с помощью провода или обычной передающей антенны передает некий импульс на телевизор, у которого стоит принимающая антенна. Обычная телеметрия. Телевизор включается. Команда, таким образом, выполнена. Так же можно переключить программу или выключить телевизор. Этим мы тоже сейчас занимаемся, и это реальность. Человек может включать, выключать лампу, поднимать ставни, открывать, закрывать дверь.

В мире науkи | [03] март 2020

1, 2. Тренировка на роботизированном комплексе для восстановления ходьбы Lokomat (Швейцария). 3. Тренировка на механотерапевтическом тренажере с функциональной электростимуляцией и биологической обратной связью Thera-live RT300 (США). 4. Тренировка на роботизированном комплексе для ранней вертикализации Erigo (Швейцария). Один из самых ярких примеров такого рода — это люди, которые получили травмы шейного отдела позвоночника и полностью парализованы, но у них абсолютно сохранен интеллект, они могут разговаривать, думать, есть, пить. Эти люди, сидя в инвалидном кресле, мысленно контактируют с компьютером, установленным у них за спиной в кармане коляски, и эта коляска, соединенная с электродвигателем, выписывает фигуры, двигаясь в разных заданных человеком направлениях, при том что человек не может шевелить ни одним пальцем. Речь сегодня идет уже о том, чтобы с помощью этой технологии управлять дронами, беспилотными летательными аппаратами, машинами, самолетами и т.д., просто глядя на экран монитора и посылая машинам команды. Возможно, когда-нибудь мы дойдем и до той стадии, когда человеческий мозг разовьется настолько, что сможет передавать мысли другому. — Без компьютера? Или нам все-таки нужен будет посредник? Телепатия в чистом виде существует? — Я думаю, каждый человек знает этот эффект. Особенно часто это случается с родными, близкими людьми. Ты думаешь — надо позвонить, и он вдруг тебе звонит. Или ты подумал — он сказал. Бывают и случаи совершенно необычные, необъяснимые.

Нейронауки 3

В психологии есть такое понятие — раппорт. Это состояние, когда вы начинаете разговаривать с человеком и вдруг по совершенно непонятным причинам попадаете на одну волну. Вы можете видеть его впервые в жизни, но вот вы заговорили о чем-то — и ваш взаимный интерес к этой теме полностью совпал. Очень часто бывает, что это перерастает в глубокую симпатию. Вы вроде бы всего 20 минут общались — и все равно, встретив этого человека даже спустя год или десять лет, чувствуете с ним какое-то душевное родство. Что это такое? Интересный вопрос. Мы занимаемся сейчас в основном с пациентами, но планируем расширить наши исследования в области нормальной нейрофизиологии мозга. Это не менее важно. — Знаю, вы сейчас занимаетесь проблемой памяти. Почему это важно? — Память — одно из основных свойств мозга. Прежде всего, это возможность обучения. В наших последних исследованиях, используя навигационную транскраниальную магнитную стимуляцию, удалось примерно на 20% увеличить объем памяти у добровольцев. Думаю, эти возможности можно будет наращивать и дальше. Сейчас идут активные поиски в этом направлении. Многие боятся болезни Альцгеймера и сосудистой деменции. Меня часто спрашивают даже в академических кругах, что делать, чтобы улучшить память, скорость реакции, концентрацию внимания. — И какие советы вы даете? — Конечно, есть стимуляторы, которые действительно на какое-то время повышают определенные функции мозга. Если же говорить не о фармакологии, есть простые,

w w w.sci-ru.org

но весьма эффективные методы. Например, если вы правша, пытайтесь все делать левой рукой. И наоборот. Конечно, делать это лучше дома, когда находишься в спокойной обстановке. Одна моя знакомая, дама в серьезном возрасте, начала переписывать стихи А.С. Пушкина левой рукой. Это мощная встряска для мозга. Ведь если мы с вами сейчас попробуем писать левой рукой, кроме каракулей вряд ли что-то получится. А у нее через полгода был четкий, почти каллиграфический почерк. Человек тренировался, и результат в плане улучшения когнитивных функций был налицо. — А что можно делать еще? — Можно учить языки, стихи наизусть. Вы можете завязать глаза, опять-таки дома, где знаете каждый предмет и не рискуете получить травму, и стараться ориентироваться без помощи зрения. Это непросто, учитывая то, что мы на 90% воспринимаем мир с помощью зрения. Временно лишив себя зрительного восприятия, мы, соответственно, резко обостряем другие чувства. Это тоже влияет на память и другие важные функции мозга. Известно, что йоги могут неделями сидеть в темной пещере, куда вообще не проникает свет, почти без воды и еды, и в результате их сенсорика предельно обостряется. Они становятся людьми иных возможностей. Конечно, я не призываю повторять их опыт. Речь о том, что возможности человека колоссальны и мы действительно используем их далеко не в полной мере. Точнее сказать, почти не используем. Вместо этого мы придумываем себе многочисленных электронных помощников. А собственные резервы у нас дремлют.

[03] март 2020 | В мире науkи

Нейронауки 1

1. Тренировка на механотерапевтическом комплексе с разгрузкой веса руки и биологической обратной связью Armeo Spring (Швейцария). 2. Тренировка на системе виртуальной реальности Nirvana (Германия). 3. Транскраниальная магнитная стимуляция на аппарате NBS Eximia (Финляндия). 4. Система биологической обратной связи для восстановления из видов памяти, мы ухудшим другие функции? Я знала одного артиста оридвижений Pablo (Нидерланды). гинального жанра, который считал бы— Давайте все же вернемся к этим по- стрее калькулятора, однако в обычной мощникам. Вы говорили о революцион- жизни двух слов связать не мог, забывал ных переменах, которые происходят се- слова и путал все на свете. годня в нейронауках. Что еще в этой об— Да, есть люди с выдающимися, но одноласти нового? бокими способностями при общей ограни— Научно-техническая революция на на- ченности — саванты. У них могут быть заших глазах меняет мир. Если раньше че- предельно для обычного человека развиловек, перенесший тяжелый инсульт, уже ты вычислительные способности или иметь не мог надеяться на улучшение в дальней- место феноменальная память, но в чем-то шей жизни, то сейчас с помощью современ- другом они обычно совершенно беспомощных роботизированных, компьютеризиро- ны, как малые дети. Однако наша стимуляванных устройств значительное восстанов- ция такого эффекта вызвать не может. Самое ление движений возможно уже в течение опасное при стимуляциях мозга — это разне только первого года, но даже двух-трех витие эпиприпадков. Поэтому перед тем как лет. Если раньше речь можно было улучшать мы начинаем заниматься этой стимуляцией, в первые три года после того же инсульта, человеку делают электроэнцефалографию то сейчас возможно и дальнейшее ее восста- с провокационными пробами — гипервенновление. Появилось очень много техноло- тиляцией, фотостимуляцией. Если все хорогий, которые сильно мотивируют пациента шо, человек идет на такого рода процедуры. на продолжение сложных и длительных тре— И никаких других опасностей нет? нировок и дают ощутимый результат. Наш — Нет. Хотя есть вопросы. Пока мы не моцентр постоянно этим занимается. Присо- жем сказать, насколько тот или иной эфединяются такие методы, как виртуаль- фект будет закреплен, достаточно ли будет ная реальность, которая помогает больным курса стимуляций для того, чтобы сохранилюдям адаптироваться, социализировать- лась эта способность к резкому увеличению ся, навигационная транскраниальная маг- памяти. С помощью стимуляции можно нитная стимуляция, электрическая стиму- не только активизировать, но и подавлять ляция определенных зон мозга, и это также тот или иной участок мозга. Это также важдает большой эффект. Мы выполнили целый но, поскольку мы занимаемся структурныряд исследований впервые в мире, в част- ми нарушениями нервной системы. В ценности у больных с инсультами, рассеянным тре проведено около 3 тыс. таких процедур склерозом, по восстановлению двигательной с участием примерно 1,5 тыс. больных и дофункции и снижению спастичности. бровольцев, и мы хорошо видим эффект — Михаил Александрович, не получит- этой технологии. Но работы предстоит еще ся ли так, что, увеличив объем одного много.

В мире науkи | [03] март 2020

Нейронауки 3

— Михаил Александрович, не могу вас не спросить как человека, который многие годы занимался коматозными состояниями, возвращал людей, что называется, с того света. Как вы считаете, есть ли что-то там, за чертой? — Одна моя родственница, которой я полностью доверяю, была знакома с известнейшим нейрохирургом, у которого в общей сложности было более 100 клинических смертей вследствие остановки сердца. У него была редкая кардиальная патология, которая к этому приводила. И рядом с ним все время находились реаниматологи, которые каждый раз запускали ему сердце. И вот она его как-то раз спросила: «Слушай, что там, как все происходит?» Человек, который много раз это испытывал, сказал ей: «Ты знаешь, все начинается с холода в ногах, который поднимается все выше и выше, потом становится совершенно жутким, и когда он доходит до сердца, все меркнет». Это были ощущения человека, который побывал «там» не раз и не два. Никаких коридоров, света в конце тоннеля, встречи с родственниками. Я имею более чем 35-летний опыт работы в нейрореанимации и часто видел людей, которые вернулись «оттуда». Ни от одного из них я не слышал историй об ангелах или других потусторонних сущностях. — Как же можно объяснить все эти видения, о которых часто приходится слышать? Неужели люди все выдумывают? — Я не знаю, как это можно объяснить, поскольку мир далеко не всецело познан. Давайте лучше расскажу вам об одном интереснейшем явлении. Мы все видим сны. Бывает, что решения многих вопросов нам приходят в состоянии, которое называется сумеречным состоянием сознания, то есть в состоянии между сном и бодрствованием, когда мы пытаемся заснуть и еще не заснули, или когда мы пробуждаемся, но еще не пробудились.

w w w.sci-ru.org

Это очень необычное и продуктивное состояние. Я часто вспоминаю историю, которая связана с Томасом Эдисоном, который получил более 1 тыс. патентов на изобретения и был создателем крупнейшей мировой компании General Electric. Оказывается, он записывал многие свои выдающиеся замыслы, которые потом превращались в патенты, увидев их в том самом пограничном, дремотном состоянии. Он интуитивно понял, что во время сумеречного состояния сознания находятся ответы на целый ряд вопросов, на которые в обычном состоянии бодрствования мы зачастую ответить не можем. Мы отвлекаемся, наше сознание часто не сконцентрировано. Эти вопросы могут казаться нам неразрешимыми. Эдисон садился в очень удобное кресло, клал рядом с собой стальной лист и брал в руку тяжелый металлический шар. Рядом на столике у него лежала ручка с блокнотом. Он о чем-то размышлял и постепенно погружался в это полудремотное состояние. А когда мы начинаем засыпать, мышцы у нас расслабляются. И когда у него сумеречное состояние переходило в сон, он непроизвольно разжимал кисть, шар падал на металлический лист, раздавался грохот, он просыпался и сразу же записывал то, что пришло ему в дремотном состоянии в голову. А ведь обычно решение тех вопросов, которые приходят в этом полусне, мы, проснувшись, забываем. — Надо будет попробовать! Как вы думаете, нам когда-нибудь удастся полностью познать себя, свой мозг? — Может быть, когда-нибудь это станет возможным с помощью кого-то иного, находящегося на другом уровне развития сознания, или даже нас самих, если мы станем качественно иными. Но вряд ли это будет скоро.

Беседовала Наталия Лескова

[03] март 2020 | В мире науkи

Биология БИОЛОГИЯ

ЗЕМЛЯ АМУР

Сложные программы реинтродукции, позволяющие вновь заселить животных на территорию их обитания, проводятся для тех видов, которые находятся на грани вымирания или исчезли в дикой природе. Амурский тигр пока не дошел до опасного рубежа, но уже сейчас есть участки ареала, где он исчез из-за деятельности человека. 30

В мире науkи | [03] март 2020

Биология

СКОГО ТИГРА

О возрождении популяции амурского тигра, об охране тигра и среды его обитания, а также о необходимости академического подхода для сохранения популяции — наша беседа с доктором биологических наук, заведующим лабораторией вирусологии ФНЦ биологического разнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, заведующим лабораторией экологии микроорганизмов Дальневосточного федерального университета, руководителем Международного научно-образовательного Центра биологической безопасности Школы биомедицины ДВФУ Михаилом Юрьевичем Щелкановым. w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Биология

Доктор биологических наук М.Ю. Щелканов — Михаил Юрьевич, почему вы стали заниматься сохранением амурских тигров? — По роду своей академической деятельности я вирусолог, специализирующийся на природно-очаговых инфекциях, возбудители которых — сочлены природных экосистем и могут существовать без участия человека, сельскохозяйственных животных или растений. Но когда человек появляется на территории таких экосистем, возникают эпидемии, эпизоотии или эпифитотии. Кстати, здесь есть интересный момент. Большинство людей считают, что экономический ущерб причиняют вирусы, поражающие людей, — грипп, лихорадка Эбола и другие. Но на самом деле максимальный экономический ущерб наносят вирусы растений, поскольку они оказывают влияние на продовольственную безопасность и даже на региональную политику. В период обучения в докторантуре в НИИ вирусологии им. Д.И. Ивановского мне приходилось много работать в полевых условиях, ездить на Дальний Восток в экспедиции. И когда институт прекратил свое самостоятельное существование, у меня даже не возникало вопросов, куда отправиться. Во Владивостоке у меня уже были хорошие научные и чисто человеческие контакты. Надо сказать, вирусологи вынуждены обладать достаточно широкими общебиологическими знаниями. Это связано с тем, что вирусы — облигатные внутриклеточные паразиты, соответственно, понять экологию вируса можно, только поняв экологию его хозяев. Поэтому, когда однажды мне

В мире науkи | [03] март 2020

адали вопрос, хотел бы я выступить эксз пертом по проблеме инфекционной заболеваемости особо охраняемых крупных хищников Дальнего Востока — амурского тигра и дальневосточного леопарда, — я согласился. Со временем я стал изучать проблему в более широком смысле: полностью погрузился в эту тему и стал заниматься зоологией и генетикой тигров. Сейчас мы отсеквенировали несколько полноразмерных митохондрий — все 17 тыс. пар нуклеотидов — амурских тигров. В принципе, в генном банке можно найти около десятка полноразмерных митохондриальных геномов, но они принадлежат либо животным из зоопарков, либо убитым браконьерами. А в нашем центре реинтродукции сотрудники пошли другим путем. Мы нашли нескольких тигрят, матери которых исчезли по неизвестным причинам, и воспитывали их в центре реинтродукции в специальных условиях, при которых они не привыкали к человеку. Это сложная задача, но наши зоологи и этологи — профессионалы, они на этом специализируются. Неоценимую помощь в такой работе оказывают АНО «Центр "Амурский тигр"» и Амурский филиал Всемирного фонда дикой природы (WWF). Главное условие состоит в том, чтобы тигры, выращенные в полузакрытых вольерах, сохраняли боязнь по отношению к человеку и умели добывать себе пищу. В рамках этой программы я осуществлял микробиологическое сопровождение и следил за состоянием крови животных. Из образцов мы отсеквенировали тот самый

Биология итохондриальный геном диких амурских м тигров, которые сейчас бороздят просторы Дальнего Востока. Более того, сегодня мы заканчиваем сборку полноразмерного ядерного генома амурского тигра. При поддержке государства и общественных организаций, в первую очередь Центра «Амурский тигр», мы постепенно выходим на тот уровень, когда можем замахнуться на генетическую п аспортизацию значительной части по пуляции амурских тигров. Каждый следующий геном будет секвенироваться все дешевле и дешевле, и, возможно, лет через 20 у нас будет около сотни полноразмерных геномов, которые дадут ценнейшую информацию об истинном состоянии популяции. Может оказаться, что уровень популяции ниже критического, и у нас будут основания с уверенностью сказать, что она не будет самостоятельно развиваться в среднесрочной перспективе. Тогда нужно будет добавлять свежую кровь. Без генетических исследований мы не сможем ответить на вопрос, действительно ли популяция в исторической перспективе останется устойчивой. Наша цель состоит в том, чтобы каждый охотовед, каждый сотрудник охотнадзора получил доступ к единой базе знаний. Вопрос о популяционной генетике тигров имеет и чисто практическое значение, поскольку ареал тигров постоянно расширяется благодаря программам реинтродукции на территории, где этот зверь обитал исторически, но потом был истреблен. По сути, это территория вдоль всего Амура. Есть даже свидетельства того, что еще в начале XIX в. отдельные особи доходили до Якутии. Но, скорее всего, это так называемые подвижные самцы, которые могут перемещаться на сотни километров. И сейчас мы пытаемся этот ареал, пусть искусственно, но расширить. Главный вопрос — как это сделать грамотно, чтобы не сузить генетическое разнообразие и чтобы небольшие отдаленные популяции не оказались на грани вырождения. Нужно правильно выбрать политику реинтродукции. И здесь без генетических исследований обойтись нельзя. Вот так, отчасти волею судьбы, отчасти из-за моего интереса к биологии, я оказался в центре этих событий. И нисколько не жалею. — Тигр может быть счастливым? — Я как биолог считаю: «счастливый» тигр может поддерживать свою видовую идентичность и разнообразие внутри вида

w w w.sci-ru.org

и успешно размножаться. Счастливый, успешный вид — счастливая особь. Но чтобы вид был счастлив, он должен находиться в гармонии со средой своего обитания. Без научного академического подхода нельзя обеспечить сохранение такого вида. Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, который ранее назывался Биолого-почвенным институтом, как раз занимается сохранением среды обитания тигра и всей уссурийской тайги в целом. — А какова сейчас ситуация с популяцией амурских тигров? Дальний Восток экономически развивается, соответственно, разрастается весь регион. Как в этих условиях будут существовать амурские тигры?

Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН занимается сохранением среды обитания амурского тигра и всей уссурийской тайги в целом — Я не хотел бы акцентировать внимание на том, что это проблема, скорее — интересная задача. Условия задачи вы уже сформулировали: как в условиях опережающего развития региона сохранить тренд на рост популяции опасного крупного хищника, у которого иногда бывает девиантное поведение, выражающееся в различных формах агрессии по отношению к человеку? Как в этих условиях сохранить гармонию между рациональным использованием ресурсов уссурийской тайги и сохранением национального символа России? Задача непростая, но пока нам удается ее решать. Во многом эта возможность существует благодаря слаженной работе нашей большой команды, куда входят и охотоведы, и представители уже названных мною общественных организаций, и ветеринары, и академическая наука, которая имеет серьезные многолетние наработки. Конфликтные животные, конечно, встречаются. Это неизбежно, поскольку каждый тигр рано или поздно дряхлеет, стареет. Кто-то

[03] март 2020 | В мире науkи

Биология умирает в тайге, кого-то съедают соплеменники. К сожалению, каннибализм у кошачьих развит, в том числе по отношению к тигрятам. В дикой природе нет места гуманизму, особенно среди хищников. Животные, которые оказываются вблизи населенных пунктов, будучи ослабленными, часто начинают конфликтовать, пусть не с человеком, но с домашними собаками. Воровать собак — их излюбленный прием. Все-таки это тоже кошка, хоть и большая, и к собакам она относится так же, как и домашняя. Собака для тигра — настоящее лакомство. Что, кстати говоря, отчасти тормозит развитие охотничьего собаководства на Дальнем Востоке. Ведь хорошая собака — это штучный товар, в который надо серьезно вкладываться. Впрочем, тигр — далеко не главная проблема охотничьего собаководства...

Как правило, при виде человека тигр должен притаиться, но не нападать. Он должен не бояться человека панически, но при этом не проявлять агрессию Итак, ослабленный тигр начинает воровать собак, а порой и домашний скот. А что еще остается делать немощному хищнику — есть-то хочется. И у нас есть целая методика купирования этих конфликтных ситуаций. Например, местное население получает материальные компенсации. Конфликтного тигра отлавливают и перевозят в п ункты передержки. Специалисты выявляют причину его поведения. Иногда причина может быть банальной, скажем, больной зуб. На этот случай, каким бы экзотичным он ни казался, имеются профессиональные ветеринарные стоматологи, которые умеют лечить зубы даже тиграм (белоснежную улыбку не обещают, но дело свое знают). Бывают причины серьезнее — инфекционные заболевания. Есть вирусы, которые хорошо известны тем, что влияют на поведение кошачьих, даже у домашних питомцев. Вирус бешенства обсуждать не будем, хотя тигров в отличие от домашних кошек н икто не прививает от бешенства — за исключением тех

В мире науkи | [03] март 2020

немногих особей, которые попадают в пункты передержки. Но и помимо бешенства есть весьма серьезные возбудители инфекционных заболеваний, заставляющие кошек вести себя неадекватно: вирус панлейкопении (которую часто называют кошачьей чумкой), ринотрахеита, калицивирус кошек. Еще раз подчеркну: важно, что у нас есть взаимопонимание между всеми звеньями цепочки профессиональных взаимодействий — начиная от Департамента по охране, контролю и регулированию использования объектов животного мира Приморского края, который возглавляет Д.В. Панкратов, до руководителя АНО «Центр "Амурский тигр"» С.В. Арамилева. Нам активно помогают общественные организации — Амурское отделение Фонда дикой природы. Особое место по понятным причинам занимает Центр реабилитации и реинтродукции тигра и других диких животных, возглавляемый В.Б. Кузьменко. Российская академия наук выступает в этой схеме, как и положено, ведущей экспертной организацией. У нас есть четкий план действий. Не могу сказать, что мы всегда «белые и пушистые» по отношению друг к другу, иногда искрит, как и в любой профессии. Но все нацелены на результат. Не припомню ни одного случая, когда мы сработали откровенно плохо. Сегодня группировка тигров на территории России насчитывает около 550 особей. Но охранять тигров только на территории России не всегда эффективно. Среда обитания не знает государственных границ. Да и тигр их плохо понимает. Я бы не исключал провинции Китая и даже Северную Корею. О тиграх на территории этих стран мало что известно. Академическое сотрудничество могло бы стать неким дипломатическим импульсом для взаимодействия РФ, КНР и КНДР. — В список мероприятий по охране тигра и среды его обитания может входить создание сафари-парков? — Сафари-парк может быть полезен, если он интегрирован в сложную систему природоохранных мероприятий. Важно, чтобы сафари-парки страны не повторяли худшие африканские примеры. Хочется, чтобы сафари-парк во Владивостоке стал действительно флагманом нового академического подхода к организации комплекса природоохранных мероприятий. — Поговорим о реинтродукции. У тигра остаются воспоминания о том, как его поймали, лечили? Как он себя ведет после того, как побывал в человеческой среде?

Биология — Конечно, это накладывает определенный отпечаток. Я не зря упомянул, что это сложный процесс — содержать тигра так, чтобы он не потерял навыков дикого зверя. И самая опасная из этих потерь — естественная боязнь человека. Как только тигр поймет, что человек совсем не страшный и даже покормит, если подойти ближе, наступает, так сказать, «этологическая смерть хищника» (этология — наука об инстинктах и поведении животных. — Примеч. ред.). Такого тигра нужно отправлять только в зоопарк или сафари-парк. И, конечно, тигр все помнит. Даже когда лежит под наркозом, он все чувствует. Я не думаю, что у него сохраняются зрительные образы, но благодаря прекрасному обонянию он запомнит каждого, кто лечил ему зубы. Понимает ли он, благо это или вред, не знаю. Но то, что он помнит каждого, кто участвовал в операции, — это наверняка. Однако тигров выпускают в дикую природу, и вероятность встречи с ветеринаром слишком мала, чтобы всерьез это обсуждать — Как оборудованы полузакрытые вольеры в центре реинтродукции? — Это достаточно большие вольеры. Конечно, тигр ограничен в передвижениях, но, по сути, находится на участке огороженной естественной среды своего обитания. Когда мы видим, что можно возвращать его в дикую природу, начинается специальная подготовка к выпуску. Главное условие — тигр начинает самостоятельно добывать себе еду: оленя, кабана. Мы же наблюдаем за тем, насколько эффективно он охотится. Специальная комиссия по разработанным тестам оценивает его охотничьи навыки и то, как он реагирует на человека. Как правило, при виде человека он должен притаиться, но не нападать. Он не должен панически бояться человека, но при этом не должен и проявлять агрессию. Это тонкая грань, которую оценивают опытные дальневосточные специалисты. Только после этого принимается решение выпустить т игра в дикую природу. Я не знаю ни одного случая, когда бы мы ошиблись. Если мы выпускаем тигра, то он не становится снова конфликтным. У тигров бывают и случаи людоедства, тут ничего не поделаешь: хищник есть хищник. Но когда дело касается амурского тигра, в большинстве случаев виноват сам человек. И современная форма браконьерства только способствует этому. Поэтому искоренение случаев браконьерства — уже профилактика конфликтных ситуаций. Этим

w w w.sci-ru.org

нужно заниматься комплексно. Необходимо понимать функционирование всей природной среды, а также среды социальной, которая зачастую плотно переплетается с первой, особенно на отдаленных территориях. Понимая все факторы в комплексе, мы можем обоснованно планировать мероприятия по предотвращению конфликтных ситуаций. И здесь принципиальна роль Российской академии наук. Ведь невозможно сохранять только самого тигра, его можно сохранить лишь вместе с его средой обитания, включая антропогенный прессинг. — Что сейчас необходимо сделать, чтобы этот комплекс мер работал для сохранения и даже увеличения популяции амурского тигра? — Я не член правительства, а академический ученый. У всех есть своя мера компетенции. Но я считаю, что на территории юга Дальнего Востока должна функционировать полноценная федеральная целевая программа под названием «Охрана амурского тигра и среды его обитания». Я намеренно не использовал слова «естественная среда», поскольку ее почти не осталось (за исключением, разумеется, заповедников, да и те вынуждены подрабатывать экологическим туризмом). Тигр, идущий по просеке, вырубленной «черными» лесорубами, уже находится не в естественной среде обитания. И недобросовестные лесорубы сильно рискуют и отчасти провоцируют тигра. Потому что встреча с тигром зимой на такой просеке — тоже вещь неприятная (не всегда конфликтная, но всегда неприятная). Федеральная целевая программа должна действовать с упором на среду обитания. Второе важное условие: руководители этой программы должны находиться здесь, в Приморском крае, на постоянной основе. В силу того, что основной человеческий капитал нашей страны (и интеллектуальные ресурсы — не слишком заметное исключение) сосредоточен в европейской части России, руководство большинства федеральных программ сосредоточено в столице. Но в случае с охраной амурского тигра работа над программой вполне осуществима научно-административным консорциумом в составе Дальневосточного отделения РАН и организаций, которые я перечислял выше. Этот консорциум уже доказал свою жизнеспособность, и этим необходимо пользоваться в государственных интересах.

Беседовала Анастасия Пензина

[03] март 2020 | В мире науkи

Космос КОСМОС

Галактический архипелаг Калеб Шарф 36

В мире науkи | [03] март 2020

Illustration by María Corte

Даже если Млечный Путь кишит путешествующими по космосу инопланетянами, не следует удивляться тому, что никто из них еще не посетил Землю

Космос

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Космос ОБ АВТОРЕ

Калеб Шарф (Caleb Scharf) — директор Колумбийского астробиологического центра и автор ряда книг, в том числе «Комплекс Коперника» (The Copernicus Complex, 2014) и «Масштабируемая Вселенная» (The Zoomable Universe, 2017). Ведет для журнала Scientific American блог «Жизнь без границ» (Life, Unbounded), публикуется во многих других изданиях. Живет в Нью-Йорке.

января 1790 г. девять мятежников с английского корабля «Баунти» и 19 таитян, среди которых один младенец, высадились на остров Питкэрн — одно из самых изолированных мест на планете. Окруженный со всех сторон водами южной части Тихого океана и удаленный на сотни километров даже от ближайших к нему островов, Питкэрн был воплощением уединенности. До того как там появились беглецы с «Баунти», на остров, вероятно, не ступала нога человека с 1400-х гг., когда на нем еще обитали полинезийцы. Та община, возможно, существовала на протяжении веков — веков, которые, по-видимому, завершились истощением природных ресурсов, а также конфликтами с другими, далекими островами, которые отрезали им пути торговли и снабжения, что привело к фактическому исчезновению населения на Питкэрне. То, что было, по крайней мере на первый взгляд, обитаемым местом, стало безжизненным пространством до появления в тот роковой день 1790 г. «Баунти». Примечательно, что прошло 18 лет, прежде чем другой корабль бросил якорь у Питкэрна, хотя, по свидетельствам поселенцев, они видели суда, проплывавшие вдали. История Питкэрна — всего лишь один яркий пример необычной динамики заселения людьми южной части Тихого океана. В Полинезии, Микронезии и Меланезии существуют десятки тысяч островов, разбросанных в океане на площади

в миллионы и миллионы квадратных километров. Многие из них — едва ли более чем скалистые выступы в окружении кораллов, и даже пригодные для обитания места в каждый данный момент заселены не все. Но все вместе они представляют собой обширный участок земель для потенциального заселения и развития цивилизации для людей, по тем или иным причинам вынужденных перемещаться через водные пространства Земли. Параллели между этой очевидно земной средой и нашим космическим окружением поразительны. В галактике Млечный Путь, по-видимому, существует не менее 300 млрд звезд. Самые точные оценки, полученные в ходе охоты за экзопланетами — вроде той, что ведется с помощью космического телескопа «Кеплер» NASA, — дают основания предполагать, что в этом океане небесных тел, возможно, существует более 10 млрд небольших каменистых планет на орбитах, подходящих для поддержания благоприятных условий на их поверхности. Не исключено, что, как и острова на Земле,

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Простейшая экстраполяция дает основание предполагать, что если в Млечном Пути существуют другие космические цивилизации, то они, вероятно, распространились бы по всей Галактике с удивительно большой скоростью. Тогда почему же мы не нашли неопровержимых доказательств посещения Земли инопланетянами? Все популярные ответы на эту загадку — то, что мы одиноки, что межзвездные путешествия невозможны, что инопланетяне прячутся от нас, — основаны на предположениях, которые граничат с неправдоподобием. Наиболее вероятное объяснение наблюдаемого одиночества Земли, возможно, состоит в том, что заселение Галактики происходит волнами и что наша цивилизация родилась на планете, расположенной в захолустье, в период временного затишья в нем межзвездных исследований.

В мире науkи | [03] март 2020

Космос эти крупинки экзопланет порождают и поддерживают системы живых организмов и могли бы стать некоей сетью перевалочных пунктов для любых видов, решивших мигрировать по межзвездному пространству. И вот здесь дело приобретает действительно интересный поворот. Так же как жители Западной Европы в конце концов поняли, что люди южной части Тихого океана расселились на тысячи километров по его просторам на простых лодках, скользя по волнам со скоростью всего несколько узлов, мы теперь видим, что для расселения по нашей Галактике требуются не более чем настойчивость и умеренное количество космического времени. Хорошо известно, что в 1950 г. за обедом с коллегами-учеными физик Энрико Ферми первым осознал этот факт — и, как гласит история, выпалил: «Вы никогда не задумывались, где же они все?» «Всеми» в данном случае были любые путешествующие по космосу разумные существа, и этот вопрос со временем трансформировался в не менее известный, хотя и получивший немного неудачное название, парадокс Ферми: если технологически продвинутые существа не исчезающе редки, они к настоящему времени должны были распространиться практически по всей Галактике, однако мы не находим никаких признаков их существования. Ферми, хорошо известный своей способностью делать в уме так называемые грубые прикидки, приблизительно подсчитал, что Млечный Путь был бы заселен в мгновение космического ока, если каждое тиканье галактических часов соответствует нескольким миллионам лет. В 1975 г. астрофизик Майкл Харт (Michael Hart) выполнил первое по-настоящему количественное и детальное исследование этой идеи, в котором он выдвинул то, что получило название «факт A Харта». Он опирался на отсутствие на Земле в настоящее время инопланетян. Этот неоспоримый (для большинства трезвомыслящих людей) факт привел Харта к выводу, что в настоящее время в нашей Галактике не существует — или не существовало — ни одной другой технологически развитой цивилизации. Ключ к этому утверждению (наряду с исходной интуитивной догадкой Ферми) лежит в относительно коротком времени, которое, очевидно, потребовалось бы разумным существам, чтобы распространиться по всей окружности Млечного Пути размером 100 тыс. световых лет, даже используя ограниченные возможности двигательных установок, развивающих скорости намного меньшие, чем скорость света. Физик Фрэнк Типлер (Frank Tipler) также изучал эту проблему и в 1980 г. в своей работе показал, как и Харт, что через несколько миллионов лет надлежащим образом мотивированная внеземная цивилизация, вероятно, проникла бы всюду.

w w w.sci-ru.org

С у четом того, что возраст нашей Солнечной системы — около 4,5 млрд лет и что Млечный Путь сформировался по крайней мере 10 млрд лет назад, времени было более чем достаточно, чтобы разумные существа оказались на всех пригодных для обитания планетах. Немаловажно и то, что в упомянутых исследованиях распространение жизни рассматривалось по-разному. Харт предположил, что процесс расселения происходит «вживую», биологическими видами, тогда как Типлер представил летящие от звезды к звезде стаи самовоспроизводящихся зондов-роботов, которые распространяются без всяких ограничений. В большинстве сценариев колонизации нашей Галактики планетные системы поочередно становятся обитаемыми, если они еще не таковы, и в свою очередь служат в качестве производственных баз для экспедиций к новым системам. Для самовоспроизводящихся машин Типлера главным ограничением распространения служит наличие достаточного количества энергии и сырья для воспроизводства каждого последующего поколения.

Для расселения по нашей Галактике требуются всего лишь настойчивость и весьма умеренное количество космического времени Эти радикально отличающиеся друг от друга подходы выявляют основные трудности при построении конструктивных предположений в отношении межзвездной миграции. В любом подобном исследовании всегда существует множество важных допущений. Часть из них вполне разумны и легко подтверждаемы, однако другие куда более мудрены. Например, все сценарии предполагают тот или иной вариант уровня развития техники, используемой для межзвездных путешествий. Более того, когда разумные существа сами участвуют в деле покорения Галактики, а не посылают с этой целью совершенных эмиссаров-роботов, самое существенное предположение состоит в том, что живые существа способны выжить в межзвездном путешествии. Мы знаем, что путешествие даже с пустяковой скоростью, составляющей 10% от скорости света, требует весьма экзотической техники — например, двигательной системы на основе термоядерных взрывов или колоссальных парусов, надуваемых светом мощных лазеров. Должна быть также защита от разрушительных для корпуса корабля

[03] март 2020 | В мире науkи

Космос

Одинокие в толпе Из всех возможных ответов на вопрос, почему мы не видели другие космические культуры в Млечном Пути, возможно, самый правдоподобный состоит в том, что они существуют, но не по соседству с нами. Эта ситуация может возникнуть, если межзвездные исследования и миграция имеют разрозненный характер и идут волнами, когда космические цивилизации периодически расширяют сферу своего распространения и заселяют ближайшие, избранные планетные системы. Моделирование такого процесса, учитывающее движение звезд и конечный срок жизни каждой цивилизации, дало кластеры непрерывно обитаемых систем — а также изолированные, почти не населенные области, одна из которых могла бы дать приют и нашей собственной одинокой планете.

Галактические диаспоры

На изображении, полученном на основе модели, показан результат 10 млн лет освоения 10 тыс. пригодных для обитания систем внутри куба с ребром примерно 464 световых года. (Число систем, непригодных для переселения, превышает количество привлекательных систем в 22 раза, но они здесь не показаны.) В этом масштабе звезды движутся подобно частицам в газе, затрудняя межзвездные путешествия или способствуя им своими траекториями по отношению друг к другу. Космические зонды, посылаемые культурами, рассеянными по этому виртуальному космосу, летят со скоростью 3 тыс. км в секунду — в 100 раз быстрее средней скорости окружающих звезд, которая соответствует плотности распределения звезд в нашей области Галактики. Каждая точка представляет текущее положение заселенной или пригодной для колонизации планетной системы. В результате моделирования (показано здесь) зонды посетили 6948 из рассмотренных систем, но только 403 из них стали прибежищем активных колоний; 3052 пригодных для колонизации систем никто не посетил. Это породило 11 независимых звездных «империй», состоящих по крайней мере из десяти колонизированных систем, каждая из которых окрашена в свой цвет, указывающий на общих предков. Дополнительные волны колонизации, в результате которых было заселено меньше систем, окрашены в серый цвет. Блеклые краски показывают системы, в которых больше нет активных колоний: активные в настоящий момент колонии окружены полупрозрачными пузырьками радиусом в десять световых лет, разграничивающими условные сферы влияния любой отдельной системы. Не было активных колоний в течение последнего 1 млн лет

Колонии прекратили существование 0,5 млн лет назад

Активные в настоящее время колонии

Десять световых лет

SOURCE: JONATHAN CARROLL-NELLENBACK University of Rochester; Graphic by Nadieh Bremer

Более раннее присоединение

Более позднее присоединение

Более крупный план

В мире науkи | [03] март 2020

Где расположена Земля?

Эта модель — довольно грубое приближение к нашему галактическому окружению. Солнечная система может быть расположена внутри неколонизированной части этого куба. Образованные статистическими флуктуациями траекторий и планетной архитектуры окружающих звезд, эти меняющиеся во времени «пустоты» — не что иное, как области, в которых обитаемые планеты находятся вне досягаемости окружающих цивилизаций.

Космос

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Космос столкновений с атомами газов межзвездной среды и способных полностью уничтожить корабль каменных крошек, встреча с каждой из которых на скорости, составляющей немалую долю скорости света, сравнима с взрывом бомбы. Путешествия с более скромными скоростями в принципе намного безопаснее, но в результате время перелета между звездами составит несколько столетий или даже тысячелетий — и далеко не очевидно, как сохранить экипаж звездолета живым и здоровым в течение времени, намного превышающего продолжительность жизни человека. И все-таки самые спорные допущения крутятся вокруг вопросов мотивации и предположений, которые мы делаем относительно продолжительности существования самих цивилизаций и их колоний. Например, если инопланетные существа просто-напросто не заинтересованы в полетах к другим звездам, сама идея о колонизации Галактики в буквальном смысле рушится. Это стало одним из аргументов, выдвинутых Карлом Саганом и Уильямом Ньюманом (William Newman) в 1983 г. в качестве контраргумента к тому, что они назва-

перемещаться в межзвездном пространстве окажется слишком высокой даже для цивилизаций, обладающих выдающимися технологическими возможностями. Это, безусловно, могло бы резко сократить число покорителей межзвездного пространства и объяснить хартовский факт А. Или же, может быть, рост популяции не служит столь сильной мотивацией для полета к звездам, как это предполагали многие исследователи, особенно для цивилизаций, сдерживающих импульсы алчности и развивающих действительно устойчивую модель существования в своих системах. «Зеленая революция» в конечном итоге может устранить все стимулы дальнейшей экспансии, кроме научно-исследовательских. Более зловещей нотой звучат такие понятия, как «Великий фильтр», — идея, что существует нечто, всегда ограничивающее биологические виды: скажем, неизбежная неудача в попытках добиться «зеленой революции» ведет к стремительному вымиранию всей потенциально технологической жизни. С другой стороны, возможно, просто природные катаклизмы — начиная с взрывов сверхновых и кончая вспышками излучения от черной дыры, находящейся в центре Млечного Пути, — регулярно сокращают количество галактических очагов жизни в степени, достаточной для того, чтобы не дать ей широко распространиться. Еще более возмутительные предположения включают в себя «гипотезу зоопарка». В этом сценарии инопланетные властители мира умышленно держат нас в изоляции и полном неведении. Стоит упомянуть также то, что я люблю называть параноидальным сценарием: другие цивилизации существуют, но прячутся друг от друга по причине чего-то вроде космической ксенофобии. Хотя, возможно, есть и более простые способы объяснить отсутствие у нас сегодня каких-либо сведений об инопланетянах. Эти ответы, повидимому, имеют те же самые характеристики, что и пример, находящийся буквально под нашим носом, — изменчивая и очаговая природа заселения людьми островов Южно-Тихоокеанского региона. В случае как земной, так и внеземной цивилизации существуют базисные, универсальные факторы начиная с ограниченности количества подходящих мест, где можно бросить якорь, и кончая временем, которое может потребоваться населению, чтобы подготовиться к дальнейшему продвижению через бездну.

Где-то в другом месте Галактики, возможно, существуют звездные архипелаги разумных существ, для которых космические гости — норма ли «солипсистским подходом» к внеземному разуму. Однако, как указывает мой коллега, астроном Джейсон Райт (Jason Wright), такого рода предположение само по себе — не более чем «монокультурное заблуждение». Другими словами: представляется невозможным с любой долей точности рассуждать о поведении целого сообщества, как если бы оно управлялось одним общим для всех разумом. Мы, люди, определенно не вписываемся в эту парадигму. И даже если подавляющее большинство гипотетических космических цивилизаций в Млечном Пути не предпринимают попыток создать галактические диаспоры, все, что требуется, чтобы распространить признаки жизни и технологии на сотни миллиардов звездных систем, — лишь одна культура, плывущая против течения. На самом деле история парадокса Ферми изобилует многочисленными спорами относительно лежащих в основе его допущений, а также огромным разнообразием предлагаемых «решений». Немногие из этих решений, если таковые и существуют, легко поддаются проверке. Хотя ряд из них включают в себя идеи, которые достаточно очевидны, другие — в чистом виде научная фантастика. Например, дело может обстоять так, что стоимость ресурсов для достижения возможности быстро

В мире науkи | [03] март 2020

Как-то в 2015 г. я со своим коллегой Адамом Фрэнком (Adam Frank) из Рочестерского университета обедал в Нью-Йорке, недалеко от кампуса Колумбийского университета. Так же как и во время

Космос знаменитого обеда с участием Энрико Ферми 65 лет назад, разговор зашел о природе существ, осваивающих космос. Вдохновляемые способностью Ферми быстро делать в уме приблизительные оценки, мы пытались выработать стратегию поиска, которая позволит совершить как можно меньше необоснованных предположений и которую можно было бы каким-то образом проверить или связать с реальными данными. В основе этого интеллектуального упражнения лежала простая мысль, что так же, как и в случае с временными обитателями острова Питкэрн, волны первооткрывателей или поселенцев могли приходить и уходить дальше по просторам Галактики, а человечество возникло в один из таких периодов одиночества. Эта идея имеет непосредственное отношение к исходному хартовскому факту А: что на сегодня на Земле нет ни одного свидетельства существования внеземных разведчиков. Но она ведет дальше, ставя вопрос, можем ли мы получить имеющую смысл оценку пределов галактической жизни, ограничивая точную продолжительность времени, в течение которого Земля могла оставаться вне поля деятельности инопланетян. Вполне возможно, что когда-то давным-давно инопланетяне прилетали и улетели. Ряд ученых в течение многих лет обсуждали возможность поиска артефактов, которые могли бы остаться после таких посещений нашей Солнечной системы. Масштаб необходимых поисков трудно заранее предсказать, но если ограничиться одной Землей, то ситуация здесь оказывается более определенной. В 2018 г. еще один из моих коллег, Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt) из Института космических исследований им. Годдарда NASA, вместе с Адамом Фрэнком предпринял критическую оценку того, можно ли вообще выяснить, существовала ли когда-либо ранее промышленная цивилизация на нашей планете. Как фантастично это ни покажется, утверждают Шмидт и Фрэнк (а с ними и большинство ученыхпланетологов), но время на самом деле очень легко стирает практически все следы технологической цивилизации на Земле. Единственным реальным свидетельством спустя миллион и более лет останутся изотопные или химические стратиграфические аномалии — странные признаки, такие как синтетические молекулы, пластики или радиоактивные осадки. Ископаемые остатки и другие палеонтологические маркеры настолько редки и настолько зависят от особых условий формирования, что в этом случае вряд ли расскажут нам что-либо. И действительно, современная урбанизация коснулась около 1% поверхности планеты, что даст палеонтологам далекого будущего лишь небольшую зону для поисков. Шмидт и Фрэнк пришли также к выводу, что пока еще никто на Земле не предпринимал исчерпывающих поисков таких не встречающихся в дикой природе признаков

w w w.sci-ru.org

исчезнувших цивилизаций. Суть заключается в том, что если промышленная цивилизация масштаба нашей нынешней и существовала несколько миллионов лет назад, то мы, возможно, никогда об этом не узнаем. Это никоим образом не означает, что она действительно существовала, а говорит только о том, что такую возможность нельзя сбрасывать со счетов. В течение последних нескольких лет мы изучали наиболее важные, галактического масштаба, следствия этих идей в рамках исследования, проводимого под руководством Джонатана КэрроллНелленбэка (Jonathan Carroll-Nellenback) и при участии Джейсона Райта из Университета штата Пенсильвания. Ключевым прорывом стала разработка серии агентных компьютерных моделей, подкрепленных традиционной «бумажно-карандашной» математикой, которые позволили нам выстроить более реалистичную картину того, как разумные существа могли бы перемещаться по Галактике, которая и сама по себе полна движения. Если вы сделаете снимок звезд, расположенных в паре сотен световых лет от Солнца, то обнаружите, что они двигаются как [броуновские] частицы в газе. По отношению к любой фиксированной точке в этом пространстве звезда может перемещаться быстро или медленно и практически в любом направлении. Сожмите картинку до масштабов в несколько тысяч световых лет, и вы заметите гигантское общее орбитальное движение, увлекающее звезду, подобную нашему Солнцу, вокруг центра Млечного Пути, совершающего полный оборот приблизительно каждые 230 млн лет. Звездам, расположенным ближе к центру Галактики, требуется заметно меньше времени, чтобы завершить полный круг. Кроме того, существуют быстро движущиеся звезды гало, ныряющие в галактический диск и выныривающие из него, которые образуют сфероидальный рой, окружающий этот диск. А это означает, что для цивилизации, оглядывающейся вокруг себя в поисках звезды для исследования, то, что находится ближе всего, и то, что будет самым близким в будущем, с течением времени значительно меняется. Хорошей иллюстрацией этого служит наша Солнечная система. Прямо сейчас ближайшая к нам звезда, Проксима в созвездии Кентавр, расположена от нас на расстоянии 4,24 световых лет; но примерно через 10 тыс. лет она приблизится на расстояние всего 3,5 световых лет, значительно сократив длительность возможного межзвездного путешествия. Если бы мы подождали 37 тыс. лет, нашим ближайшим соседом на время стал бы красный карлик Росс 248, который окажется на расстоянии около трех световых лет от нас. Чтобы смоделировать эту изменяющуюся звездную карту, в нашей модели был использован трехмерный куб звезд, который двигался так же, как

[03] март 2020 | В мире науkи

Космос и звезды в небольшой части реальной Галактики. Затем в модели инициировался «фронт» расселения путем выбора части звезд в качестве носителей цивилизации покорителей космоса. У этих цивилизаций было конечное время жизни, поэтому планетная система могла стать необитаемой. Кроме того, каждая цивилизация, прежде чем обрести способность запускать космические роботы или начать первые попытки переселения на ближайшую из соседних звезд, имеет определенный период ожидания. Все эти факторы можно было видоизменять, корректировать и исследовать, чтобы посмотреть, как они влияют на результат. Для создания большого диапазона возможных исходных параметров неровный фронт заселения распространялся через межзвездное пространство. Скорость этого движущегося фронта и служит ключом для сравнительной оценки и подтверждения возможных решений исходной загадки Ферми. То, что мы обнаружили, одновременно и просто, и лихо закручено. Во-первых, естественное, наподобие молекул в газе, движение звезд в Галактике означает, что даже самые медленные межзвездные зонды, летящие со скоростью 30 км в секунду (почти в два раза больше теперешней скорости «Вояджера-1», 17 км/с, с которой он удаляется от нашего Солнца), гарантируют, что фронт расселения пересечет Галактику гораздо быстрее, чем за 1 млрд лет. Если мы учтем другие движения звезд, связанные с вращением Галактики или быстрым перемещением звезд гало, этот временной интервал сожмется еще больше. Иными словами, как и предвидел Ферми, заполнить всю Галактику жизнью не представляет труда. Однако степень заполнения Галактики зависит от числа имеющихся в ней действительно подходящих для расселения планет (отдавая дань эпическому научнофантастическому роману Кима Стэнли Робинсона 2015 г. «Аврора», мы назвали это «эффект Авроры»), а также от продолжительности существования цивилизации на планете. В одном из крайних случаев легко сделать Галактику безжизненной, просто сократив число подходящих планет и заставив цивилизацию существовать, скажем, всего 100 тыс. лет или около того. Эти факторы легко нивелировать, заполнив космос поселениями активных покорителей Галактики. Если подходящих планет достаточно много, то средняя продолжительность существования цивилизации почти не играет роли. Если сохраняются технологии, позволяющие цивилизациям осуществить первый межзвездный перелет, то достаточное их количество сможет продолжить освоение космоса и в конечном счете заполонить всю Галактику. Но наиболее убедительные и теоретически реализуемые ситуации возникают как раз между этими экстремальными возможностями. Когда вероятность встретить в Галактике пригодную

В мире науkи | [03] март 2020

для поселения планету принимает промежуточное значение, где-то посередине между высокой и очень низкой, могут случиться чрезвычайно интересные вещи. А именно, обычные статистические флуктуации числа и расположения подходящих планет на отдельных участках галактического пространства могут породить кластеры систем, которые постоянно посещают или на которые переселяются волна за волной межзвездные путешественники. Представьте себе, что это архипелаг, группа или цепь островов. Оборотная сторона существования таких кластеров состоит в том, что они обычно окружены большими областями незаселенного пространства. Если кластеры разбросаны слишком редко и значительно удалены друг от друга, то не возникает желания прикладывать усилия по их заселению. Может ли этот сценарий «галактического архипелага» прояснить ситуацию на Земле? Как ни удивительно, может. Например, если типичная планетная цивилизация может существовать миллион лет и лишь 3% планетных систем пригодны для колонизации, то существует вероятность около 10%, что планета вроде Земли еще ни разу не посещалась, по крайней мере за прошедший миллион лет. Другими словами, не будет такой уж неожиданностью, если мы обнаружим себя в одиночестве. И наоборот: этот сценарий предполагает, что где-то в другом месте Галактики существуют кластеры, архипелаги разумных существ, для которых соседи по космосу или гости — норма. Чтобы имела место какая-либо из описанных выше ситуаций, никаких радикальных гипотез не требуется. Нужны лишь не более обычного числа планет и определенный характер звездного движения относительно кружащихся звезд Млечного Пути. И хотя справедливости ради следует отметить, что можно лишь высказывать предположения относительно принципиальной возможности любого вида межзвездных перелетов и вероятности того, что раз умные существа в конце концов его предпримут, остальные факторы — это просто параметры, которые нужно правильно подобрать. Часть из них, например такая величина, как число пригодных для обитания планет, уже на повестке дня астрономов по мере того, как мы расширяем наши знания об экзопланетах. Другие, такие как продолжительность существования цивилизации, — предмет интенсивного исследования, поскольку мы пытаемся совладать с нашими собственными проблемами планетарной устойчивости. Есть вероятность, что мы найдем свидетельства существования населенного звездного архипелага или происходящего в настоящее время продвижения фронта колонизации. Новой интересной стратегией может стать перенаправление наших усилий

Космос по поиску внеземного разума и технологий не просто на изучение отдельных, известных экзопланет, а на выявление областей Галактики, в которых топография звезд сама располагает к межзвездной колонизации или созданию обитаемого кластера. До последнего времени наша трехмерная карта Галактики была крайне ограниченной, но с помощью таких инструментов, как обсерватория «Гея» Европейского космического агентства, картирующая миллиард астрономических объектов и регистрирующая движение звезд, мы, возможно, сумеем составить карту таких горячих точек. Впрочем, истинный парадокс парадокса Ферми заключается в том, что это вовсе и не парадокс. Как показывает работа моих коллег, это совершенно естественная ситуация, когда пригодная для жизни обитаемая планета, такая как Земля, не выказывает никаких видимых свидетельств того, что она когда-либо посещалась или служила пристанищем для внеземных разумных существ. Это утверждение справедливо независимо от того, отсутствует ли в Галактике другая технологически развитая жизнь или же она буквально кишит межзвездными исследователями. Так же как и Питкэрн, который по-видимому, оставался необитаемым в Тихом океане на протяжении целых

w w w.sci-ru.org

трех веков, Земля, возможно, просто проходит через еще один период изоляции, прежде чем ее снова омоют космические волны пангалактической жизни. Главный вопрос, как и в случае с полинезийскими поселенцами, заключается в том, останется ли еще на нашей планете цивилизация, когда все это случится.

Перевод: А.П. Кузнецов ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ Одни посреди Млечного Пути // ВМН, № 11, 2018. Interstellar Migration and the Human Experience. Edited by Ben R. Finney and Eric M. Jones. University of California Press, 1985. The Great Silence: Science and Philosophy of Fermi’s Paradox. Milan M. irkovi . Oxford University Press, 2018. The Fermi Paradox and the Aurora Effect: Exo-civilization Settlement, Expansion, and Steady States. Jonathan Carroll-Nellenback et al. in Astronomical Journal, Vol. 158, No. 3, Article No. 117; September 2019. If There Are Aliens Out There, Where Are They? Mario Livio and Joe Silk; ScientificAmerican.com, January 6, 2016. Starship Humanity. Cameron M. Smith; Scientific American Special Editions, October 2016.

[03] март 2020 | В мире науkи

Физика

В мире науkи | [03] март 2020

ФИЗИ КА

ЭКСПЕРИМЕНТ

С ТРЕМЯ ЩЕЛЯМИ Обновленный классический эксперимент устанавливает новые квантово-механические истины и прокладывает путь к альтернативной стратегии квантовых вычислений Урбаси Синха

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Illustration by Andrea Ucini

«Двухщелевой опыт» показал, что и свет, и вещество — это и частицы, и волны, и продемонстрировал принцип суперпозиции — то, что частицы могут находиться в нескольких состояниях и местах одновременно. Недавно ученые проделали версии эксперимента с тремя щелями вместо двух. Видоизмененный опыт раскрыл новые детали того, как следует рассчитывать суперпозицию с учетом граничных условий щелевого опыта. Трехщелевой опыт к тому же оказался полезным для квантовых вычислений. Он предоставляет шансы сформировать трехмерные квантовые биты (вместо обычных двумерных), которые, возможно, помогут создать квантовые компьютеры, пригодные для решения практических задач.

[03] март 2020 | В мире науkи

Физика

Щелевые эксперименты

ОБ АВТОРЕ

Урбаси Синха (Urbasi Sinha) — физик из Научно-иссле довательского института им. Венкаты Рамана в Бангалоре, а также ассоциированный член Института квантовых вычислений Университета Уотерлу и Центра квантовой информатики и квантового управления Торонтского университета. Ее исследования сосредоточены на экспериментальной квантовой информатике и квантовых вычислениях.

Широко известный двухщелевой опыт позволил установить два краеугольных принципа квантовой теории: принцип корпускулярно-волнового дуализма (концепцию, согласно которой вещество и свет — одновременно и частицы, и волны) и принцип суперпозиции (представление, что частицы могут находиться в нескольких состояниях и местах одновременно). Недавно ученые провели версии этого эксперимента не с двумя, а с тремя щелями, распахнув двери для новых теоретических и технологических прорывов.

Основы интерференции

Частицы, проходя через щели, ведут себя как волны. Там, где гребни двух волн, попадая на экран, сливаются в одну точку, они складываются. Когда встречаются гребень и впадина, они взаимно ослабляются. В результате образуется «интерференционная картина» из чередующихся светлых и темных полосок. Пластина со щелями (вид сверху) Свет

Когда свет достигает проекционного экрана, находящегося за ним, он образует характерную «интерференционную картину»: светлые полоски перемежаются с темными. Такая картина получается только в том случае, если фотоны ведут себя как волны, а не как точечные частицы, и гребни и впадины волн, проходящих через две щели, интерферируют друг с другом, местами суммируя световые волны, а местами взаимно их уничтожая. Когда Юнг проделал этот эксперимент, используя усовершенствованную установку, казалось, было установлено, что свет — это волна, а не частица. Или все же частица? Странным образом в экспериментах, проведенных спустя несколько веков, в которых ученые позаботились о том, чтобы в каждый момент в направлении щели испускался лишь один фотон, интерференционная картина

В мире науkи | [03] март 2020

Гребень

Впадина

Усиливающая интерференция

Гасящая интерференция

сохранялась, как если бы одна частица интерферировала сама с собой. Еще более странно то, что, если вы помещаете у щелей детектор, чтобы зарегистрировать, через какую именно щель прошла частица, интерференционная картина исчезает. Вместо этого на экране вы получаете две светлые полоски — ровно то, что вы ожидали бы увидеть, если бы через щели проходили точечные частицы, а не волны, — как если бы сам акт измерения менял природу частиц. До настоящего времени двухщелевой эксперимент с присущей ему концептуальной простотой остается одним из самых интригующих опытов из когда-либо проводившихся. Он был многократно повторен с частицами как света, так и материи. Он ясно демонстрирует странность квантовой механики: свет, равно как и материя, — фактически и частица, и волна одновременно. Эта

Illustrations by Nick Bockelman

ПО МЕТКОМУ ЗАМЕЧАНИЮ НОБЕЛЕВСКОГО ЛАУРЕАТА Ричарда Фейнмана, вся тайна квантовой механики заключена в двухщелевом эксперименте. В этом эксперименте, впервые предложенном в 1801 г. британским ученым-энциклопедистом Томасом Юнгом, пучок фотонов — частиц света — направляют на непрозрачный экран с прорезанными в нем двумя щелями.

Физика

Интерференционная картина

Падающий свет

Пластина со щелями (вид сверху)

Интерферен ционная картина

Пластина с двумя щелями

Положение

Экран

Источник света

Темный

Яркий

Интенсивность света

Пластина с тремя щелями

Картины интерференции с двумя и тремя щелями

Когда экспериментаторы поместили пластину с тремя щелями вместо двух, они получили другую интерференционную картину. Изучая эту новую картину, ученые обнаружили изъян в традиционной трактовке принципа суперпозиции. Подобная схема экспериментальной установки также предоставляет возможности для квантовых вычислений.

концепция получила название корпускулярноволнового дуализма. Опыт также устанавливает принцип суперпозиции: частицы могут одновременно находиться во множестве состояний и даже во множестве мест. В двухщелевом эксперименте частицы не должны проходить через одну либо другую щель — чтобы происходила интерференция, каждая частица должна проходить через обе. Каким бы хорошо известным этот эксперимент ни был, мы еще до конца не прочувствовали его глубины. Недавно моя научная группа Лаборатории квантовой информации и вычислений Научно-исследовательского института им. Венкаты Рамана в Бангалоре провела «трехщелевые» эксперименты в СВЧ-диапазоне длин волн — вместо двух щелей мы использовали три. На первый взгляд, простая модификация, но это имеет принципиальные следствия. С точки зрения теории наши

w w w.sci-ru.org

трехщелевые опыты прояснили, каким образом принцип суперпозиции применяется в этих обстоятельствах, и выявили новые тонкости в нашем фундаментальном понимании этого явления. Архитектура нашего трехщелевого эксперимента также предоставляет интригующие возможности для нарождающейся области квантовых вычислений. Квантовые компьютеры могут позволить выполнять вычисления, невозможные ранее, — при условии, что нам удастся поставить на службу их созданию всю мощь квантовой физики. Одна из центральных проблем в квантовых вычислениях — найти способ увеличить число бит квантового компьютера, называемых кубитами, так, чтобы не разрушить суперпозицию, которая позволяет кубитам находиться одновременно в двух состояниях, — ключевая задача для того, чтобы достичь огромного увеличения скорости вычислений.

[03] март 2020 | В мире науkи

Физика

От щелей к кутритам и квантовым вычислениям Квантовые компьютеры позволят проводить вычисления быстрее, чем классические. Большинство квантовых битов, называемых кубитами, имеют два возможных состояния (базисные состояния), так же как традиционные биты. Однако квантовые биты с тремя и более базисными состояниями дают преимущество.

Формирование кутрита с помощью одного фотона

Когда фотон (частица света) летит к щелям, она с равной вероятностью может пройти через любую из них. Классическая частица проходит только через одну, а квантовая действительно может пройти через все три, перейдя в состояние суперпозиции, позволяющее ей находиться в трех местах одновременно. Фотон теперь можно использовать как «кутрит» с тремя базисными состояниями.

Фотон А В С

Супер позиция всех трех возмож ностей

Пластина со щелями (вид сверху)

Квантовые вычисления с кутритами

Если ученые хотят создать квантовый компьютер с определенным суммарным числом возможных состояний, им потребуется меньше кутритов, чем двумерных кубитов. Это свойство — большое преимущество, поскольку чем больше бит в квантовом компьютере, тем больше вероятность, что он потеряет свои квантовые свойства.

Бит

Классический компьютер имеет два базисных состояния. Он может находиться только либо в одном, либо в другом. С двумя битами мы можем получить четыре состояния.

Кубит

Квантовый бит также имеет два базисных состояния, но он может находиться в обоих одновременно. Суммарное число состояний равно 2 n , где n — число кубитов.

В мире науkи | [03] март 2020

Кутрит

Кутрит имеет три базисных состояния и дает полное число возможных состояний, равное 3 n . Например, два кутрита дают 32 = 9.

В то время как б льшая часть ученых, занятых в этой области, работают над увеличением числа кубитов в системе, моя лаборатория пытается пойти альтернативным, менее исследованным путем, используя вместо двумерных кубитов квантовые биты большей размерности — кудиты. Используя трехщелевую систему, мы можем создавать трехмерные кудиты, называемые кутритами (кутрит — квантовая ячейка, имеющая три возможных состояния. — Примеч. пер.).

Принцип суперпозиции

Квантовая теория описывает фундаментальные частицы не просто как физические волны, но и как волны, определяемые так называемым волновым уравнением, решения которых обозначают греческой буквой пси ( ). Эти решения показывают амплитуду вероятности для частицы находиться в любом данном состоянии. Между тем наши исследования выявили изъян в том, как физики традиционно рассматривают решения волнового уравнения в приложении к двухщелевому эксперименту. Представим себе классический эксперимент и обозначим две щели соответственно A и B. Решение волнового уравнения, описывающего частицу в этой системе, можно обозначить A , когда открыта щель А, и  B , когда открыта щель B. Что происходит, когда открыты обе щели? Обычно в учебниках утверждается, что решение A + B представляет собой тот факт, что частица находится в состоянии суперпозиции, в котором она проходит через обе щели. Это и есть приложение принципа суперпозиции, однако оно неполное. Причина проста: ситуация, когда одновременно открыты обе щели, — это не то же самое, что комбинация ситуаций, когда открыта только одна из двух щелей. Мы знаем, что, когда они открыты одновременно, частица каким-то образом одновременно проходит через них обе и взаимодействует сама с собой, причем мы не можем представить это взаимодействие, просто сложив два решения. Ученые уже предполагали, что, возможно, требуется некоторый поправочный член, чтобы сделать наше уравнение точным. Эта поправка носит название «параметр Соркина», поскольку была предсказана в 1994 г. физиком Рафаэлем Соркиным (Rafael Sorkin) из Сиракьюсского университета. Однако большинство ученых считали этот член настолько малым, что им можно пренебречь. И действительно, мы знаем, что он не может быть слишком большим, иначе его обнаружили бы уже давно. Но наш трехщелевой эксперимент доказал, что этот член все-таки существует и что он не всегда настолько мал, чтобы им можно было пренебречь. Использование трех и более щелей дает нам естественную испытательную площадку для оценки этого корректировочного члена, поскольку мы

Физика можем измерить величину (параметр Соркина), которая равна нулю, если коррекционного члена не существует, и отлична от нуля, если он все же существует. (В случае двух щелей коррекционный член прибавляется к некоторой величине, которая уже не равна нулю, и поэтому в таком случае он не проявляется заметным образом.) Я занималась трехщелевыми экспериментами в течение более десяти лет. В 2010 г. мы с коллегами опубликовали первые результаты в статье в журнале Science. В 2014 г. я начала со своей научной группой новую серию наших трехщелевых экспериментов с СВЧ‑волнами в Гаурибиданурской радиообсерватории в индийском штате Карнатака. Мы проводили эксперимент на открытой площадке в палатке рядом с полями пшеницы. Хотя такая окружающая обстановка, возможно, покажется странной для проведения высокоточного физического эксперимента, пшеница служила хорошим поглотителем паразитного СВЧ‑излучения, которое могло бы повлиять на наши измерения. Помогло также то, что у нас на площадке не было стен или громоздкого оборудования, которые могли бы отражать радиоволны. Более того, в нашей глуши почти не было сотовой связи — еще одно обстоятельство, помогшее избежать нежелательных помех, — и мы могли проводить эксперимент в очень большом масштабе. В нашей схеме использовались две рупорные антенны: одна излучавшая фотоны СВЧ‑излучения и одна принимавшая их. Между ними располагалась плита с тремя щелями шириной 10 см каждая, разнесенными друг от друга на 13 см. Строго придерживаясь стиля первых щелевых экспериментов, мы водрузили детектор на рельс таким образом, чтобы его можно было перемещать для измерения различных интерференционных картин, меняя положение детектора. Мы обнаружили, что полученная нами интерференционная картина не соответствует приближенному решению волнового уравнения, полученного сложением A + B , а соответствует решению, включающему ненулевой параметр Соркина. Мы также использовали материал, блокирующий излучение, чтобы заслонить пространство между щелями, существенно прекратив перемещение фотонов между щелями и взаимодействие с соседними щелями. Когда мы это делали, мы увидели, что величина параметра Соркина меняется с размером блокирующего элемента, — показатель того, что этот параметр действительно служит индикатором взаимодействия между щелями и что он меняется в зависимости от степени взаимодействия. Это открытие позволило сделать вывод, что корреляционный член, который мы измерили, — не систематическая ошибка нашего эксперимента, которую мы не сумели выявить, а действительно именно то, что мы и искали.

w w w.sci-ru.org

Мы первыми получили оценочную величину параметра Соркина как поправочного члена к принципу суперпозиции в классической СВЧ-области. Эти результаты, опубликованные в New Journal of Physics в июне 2018 г., уже привели к исправлениям в некоторых учебниках и влияют на наше понимание основ физики. Возможно, они повлияют также на результаты работ, проводимых в настоящее время в астрономии и астрофизике по изучению сигналов из ранней Вселенной. В этих исследованиях часто используются массивы радиоантенн, разбросанных по всей Земле. Обычно данные, полученные разными антеннами, суммируются. Однако теперь, когда мы знаем, что ре-

B квантовом мире выключатель может быть одновременно и включен, и выключен. В кубите мы определяем состояние с конечной вероятностью находиться в состоянии «включен» и «выключен» одновременно. Эта комбинация обоих состояний с определенной вероятностью каждого из них и есть суть суперпозиции шение волнового уравнения — это не просто сумма отдельных решений, некоторые вычисления, возможно, потребуют уточнения с корректным параметром Соркина. Наши результаты в конечном итоге могут помочь ученым разработать улучшенные модели оценки ошибок при таких наблю дениях.

Квантовые кутриты

Наш эксперимент интересен не только с теоретической точки зрения, но, возможно, также и с практической. Мы надеемся использовать наш трехщелевой процесс, чтобы помочь в разработке новых инструментов для квантовых вычислений. В квантовых компьютерах квантовые законы, такие как суперпозиция, используются, чтобы получить возможность производить вычисления намного быстрее, чем с помощью классических

[03] март 2020 | В мире науkи

Физика м ашин. Рассмотрим традиционный компьютерный бит, как если бы он был выключателем света: он может быть в положении «включен» или «выключен» (соответствовать значениям «1» или «0» в двоичном коде). Однако в квантовом мире выключатель не обязательно должен быть включен или выключен: он может быть одновременно и включен, и выключен. В кубите мы определяем состояние с конечной вероятностью находиться в состоянии «включен» и «выключен» одновременно. Эта комбинация обоих состояний с определенной вероятностью каждого из них и есть суть суперпозиции.

Кутрит, который мы создали, еще очень далек от того, что требуется для функционального квантового компьютера. Нам необходимо будет воспользоваться нашей системой щелей, чтобы сгенерировать множество кутритов, а затем направить их в устройство с вентильной архитектурой, которое умеет использовать кутриты для организации вычислений Два состояния, образующих состояние суперпозиции, называются базисными. Обычный кубит имеет два базисных состояния, а для n кубитов мы имеем 2 n возможных состояний. Таким образом, в случае двух кубитов существует 22 = 4 возможных состояний. В то время как для n классических битов имеет место единственное из 2n состояний, в случае n квантовых битов все 2n возможностей могут сосуществовать. Мощь квантовых вычислений возникает в результате хитроумным образом разработанного квантового алгоритма, который способен использовать состояние суперпозиции в процессе вычисления и выполнять определенный класс операций с экспоненциально более высокой скоростью, нежели классический комп ьютер.

В мире науkи | [03] март 2020

Но чтобы достичь этой цели, нам необходимо достаточно большое число кубитов — заведомо больше, чем лишь два. Число кубитов, которого пытаются достичь многие из работающих в настоящее время в этой области, — 50, что открывает множество интересных возможностей для квантовых алгоритмов. В случае 50 кубитов мы имеем 250 возможных состояний для квантовых операций. Недавно компания Google объявила, что достигла этого рубежа, сумев успешно реализовать расчет случайной выборки на 54-кубитовом квантовом процессоре. Однако получение большого числа кубитов на словах гораздо легче, чем на деле. Чем больше кубитов мы объединяем, тем больше шансов, что они утратят свою особую квантовую способность создавать суперпозицию, снова превратившись в нормальные классические биты. Это происходит, когда кубиты взаимодействуют с внешней средой и теряют когерентность. По мере того как мы пытаемся добавить дополнительные кубиты в когерентное состояние суперпозиции, становится все труднее поддерживать это состояние достаточно долго. Это все равно что собрать людей в комнату на вечеринку. Если у вас десять человек находятся в помещении площадью около 9 м 2, им достаточно места, чтобы они пребывали там, не нарушая пространства друг друга. Если мы увеличим количество людей до 30, начнется давка, которая, как обычно, приведет к утрате мира и спокойствия. Аналогичная ситуация создается в случае с кубитами. Одна из альтернатив обычной стратегии — увеличить размерность каждого квантового бита, а не пытаться засунуть большее количество кубитов в то же пространство. Чтобы разобраться, почему это помогает, давайте обратимся к элементарной математической задачке. Сколько будет 23? Ответ, конечно, 8 (2 × 2 × 2 = 8). А сколько будет 32? В этом случае ответ 9 (3 × 3 = 9). Эти результаты одного порядка величины, они очень близки. Таким образом, если бы мы вместо трех кубит воспользовались двумя кутритами, то есть трехмерными квантовыми битами, мы получили бы аналогичное число возможных состояний. Поэтому вместо того чтобы наращивать показатель, почему бы не попытаться изменить основание? Если мы увеличим число базисных состояний, нам потребуется меньшее число бит, чтобы достичь той же цели. Именно понимание этого факта определяет исследование квантовых систем большей размерности. Наша стратегия имеет и еще одно преимущество: мы больше не привязаны к двоичному коду.

Физика Рассмотрим исход футбольного матча. Обычно мы ожидаем одного из двух исходов, победы или поражения, которые можно представить, используя два состояния, поэтому в квантовом мире достаточно кубита. Но если мы добавим еще два возможных исхода матча — скажем, отмена и ничья, — то одного кубита недостаточно, чтобы объявить результаты, необходимы два кубита. Такая система будет «куквадом». Квантовые системы более высокого порядка, или системы кудитов, могут упаковать больше информации в меньшее число систем. Как было теоретически доказано, этот выигрыш дает квантовым компьютерам преимущество при решении определенных задач — а именно, при разработке неуязвимых для хакерских атак коммуникаций, использующих так называемое квантовое распределение ключей. Суть метода в том, что две стороны создают общий секретный ключ, который могут использовать для декодирования сообщений только они. Если вы увеличите размерность ваших квантовых бит, увеличив число базисных состояний, в результате получится ключ, который более устойчив к определенному роду атак. Помимо возможности более высокой степени секретности, кудиты обещают также и б льшую степень случайности при генерировании случайных чисел — еще одна долгожданная сфера применения квантовых компьютеров. Несмотря на все эти достоинства, системы, основанные на кудитах, имеют ряд недостатков. На практике очень трудно придумать стабильные физические системы, в которых все базисные состояния достигаются одинаково легко. Например, иногда система может быть смещена в сторону самой низкой энергии, или основного состояния, и на результаты вычислений может накладываться отпечаток этого смещения. Второе препятствие заключается в том, что это направление исследований возникло позднее кубитов, поэтому для кудитов было разработано меньше алгоритмов и инструментов. Хотя предстоит еще много труда, число нерешенных проблем делает исследования в этой области интересными и потенциально плодотворными.

измеряем один из фотонов, используя однофотонный детектор, и это измерение возвещает о существовании другого фотона, поскольку мы знаем, что они родились одновременно. Теперь мы можем использовать второй фотон для экспериментов. В ходе работы нашей группы мы варьировали характеристики материнского фотона, чтобы убедиться, что дочерние фотоны наследуют его характеристики. Материнский фотон направляется на три щели, и его пространственный профиль теперь соответствует трехщелевому профилю. Дочерние фотоны, в свою очередь, несут этот профиль дальше. Фотон переходит в состояние суперпозиции, которое дает нам кутрит «с пространственным интервалом», три базисных состояния которого — положения трех щелей. Однако кутрит, который мы создали, еще очень далек от того, что требуется для функционального квантового компьютера. Нам необходимо будет воспользоваться нашей системой щелей, чтобы сгенерировать множество кутритов, а затем направить их в устройство с вентильной архитектурой, которое умеет использовать кутриты для организации вычислений. Эта область находится в центре исследований моей группы. Наша задача — разработать специальные оптические элементы, необходимые для выполнения этой операции, а затем миниатюризировать, чтобы можно было полностью определить схему рабочей компьютерной системы. По этой причине тройные щели представляют собой инь и ян физических исследований — как фундаментальных, так и прикладных. Наше исследование принципа суперпозиции и впервые измеренный его коррекционный член раскрывают фундаментальные концепции физики. Меж тем трехщелевые кудиты представляют собой технологический трюк в продвижении вперед, к многомерным квантовым вычислениям и квантовым линиям связи. Самый известный из физических экспериментов, как оказалось, подпитывает новые идеи и рисует радужные перспективы.

Перевод: А.П. Кузнецов

На пути к квантовому компьютеру

Так как же нам перейти от нашего базисного трехщелевого эксперимента к работающим кутритным системам? Первый шаг — научиться генерировать отдельные фотоны. Мы начинаем с очень мощного лазерного пучка, которым освещаем особый кристаллический материал. При определенных условиях один из 108 – 1010 фотонов расщепляется на два фотона меньшей энергии в результате процесса, называемого спонтанным параметрическим рассеянием. Дочерние фотоны всегда рождаются парами. Мы

w w w.sci-ru.org

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Urbasi Sinha et al. in Science, Vol. 329, pages 418–421; July 23, 2010. Measuring the Deviation from the Superposition Principle in Interference Experiments. G. Rengaraj et al. in New Journal of Physics, Vol. 20, Article No. 063049; June 2018.

[03] март 2020 | В мире науkи

Цифровая экономика

В мире науkи | [03] март 2020

Жар холодных числ

Цифровая экономика

ЦИФРОВАЯ ЭКОНОМИ КА

Человечество вступило в новую эру цифровой экономики. О стратегии цифрового лидерства и о том, как большие становятся быстрыми, нам рассказала профессор экономического факультета МГУ, доктор экономических наук Лариса Владимировна Лапидус.

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Цифровая экономика — Лариса Владимировна, вы выступали с темой «Стратегии цифрового лидерства: как большие становятся быстрыми?» в Сколкове, проводили мастер-класс в Высшей школе экономики, на Ломоносовских чтениях в МГУ анализировали стратегии цифрового лидерства на эволюционной шкале цифровой экономики. Не могли бы вы вкратце рассказать о том, как наши российские компании могут стать быстрыми? Возможно ли это в принципе? — Да, эта тема сейчас одна из самых востребованных. На самом деле не все так просто, как кажется. Если взять бизнес, существует мнение, что в нем крупная компания, эдакая большая рыба, поедает маленькую. — А разве не так? Всегда так было. — Так было всегда до цифровой экономики. Это был своего рода императив. Если на улицу приходил крупный супермаркет, маленькие магазины вокруг автоматически дрейфовали к банкротству. Однако несколько лет назад основатель и бессменный президент Всемирного экономического форума Клаус Шваб сказал: «В новом мире не большие съедают маленьких, а быстрые съедают медленных», с чем можно согласиться частично.

БИЗНЕС НЕТРАДИЦИОННОЙ ОРИЕНТАЦИИ — Что такое большие или маленькие компании, можно понять, но как поделить их на быстрые и медленные? — Под медленными раньше чаще всего понимали традиционные компании — офлайновый бизнес. В цифровой экономике до 2015–2017 гг., до того как всех охватила «цифровая лихорадка», маленькие могли расти очень быстро, но даже когда они уже сами становились большими, и тогда никого не съедали. Они меняли конкурентный ландшафт и мешали большим традиционным компаниям наслаждаться своим лидерством, чем заставляли их относиться к себе с б льшим уважением. При этом традиционные гиганты никуда с рынка не уходили. Кстати, та цитата Шваба породила много мифов, вот один из них: «Стартапы очень быстрые, за ними будущее, они убьют большие компании». С некоторого времени это мнение можно считать ошибочным. — Почему? Большие корпорации съедают мелкие, быстрые — медленных... — По отношению к бизнесу эту мысль Шваба я бы развила так: «Большие, используя цифровые стратегии, становятся быстрыми». В реалиях цифровой экономики сегодня уже недостаточно быть быстрым инновационным стартапом. Он все равно проиграет в схватке с большой традиционной или онлайновой компанией, которая запускает цифровую трансформацию. В ближайшие годы лидерское будущее для малого бизнеса может быть

В мире науkи | [03] март 2020

Доктор экономических наук Л.В. Лапидус обеспечено только путем выхода на новые рынки с уникальным цифровым продуктом, где ему еще есть куда расти. Сегодня всеобщая ориентация на обоснованную цифровую трансформацию приведет, и даже уже приводит, к тому, что такие инновационные и быстрые стартапы будут все сильнее тяготеть к большим традиционным компаниям. При адекватной оценке цифровой среды малый бизнес уже сегодня понимает, что в одиночку ему ничего не сделать. — То есть будущее за традиционными компаниями? — За большими традиционными компаниями, которые уже запустили системную цифровую трансформацию, создали центры по развитию цифровых компетенций и разработке новых технологий и движутся в сторону образования мощных цифровых экосистем. Они и займут в будущем лидерские позиции на новых рынках. На эти же места будут претендовать и успешные российские онлайн-компании, которые осуществляют экспансию на рынки искусственного интеллекта. У них одна цель — стать большими и быстрыми. — С медленными разобрались, а какую компанию можно считать быстрой? — Это компания, способная быстро реагировать на изменяющиеся условия ведения бизнеса, накапливать компетенции в области разработки

Цифровая экономика и внедрения цифровых технологий, создавать многосторонние платформы, выходить за «титульный» бизнес в целях усиления устойчивости компании в цифровой турбулентной среде. Доминирование большой компании обеспечит быстрая реакция на проникновение новых технологий в модели производства, распределения, обмена и потребления, а также извлечение из цифровых технологий выгод, приводящих к качественным сдвигам в эффективности. — Что же тогда остается малому бизнесу? — Малый бизнес будет хорошо развиваться на смежных рынках, например обслуживать основные бизнес-процессы больших, сотрудничать с ними при решении их отдельных отраслевых проблем. Сегодня уже ясно, что большие компании при бурном цифровом развитии не всегда успевают справляться с пиковыми нагрузками собственными силами. Большие российские традиционные и онлайновые компании будут тяготеть к построению экосистем, в которых будет много места для инновационного бизнеса, способствующего достижению положительных синергетических эффектов для больших и быстрых партнеров. — Хороший вариант — продать свой малый бизнес большой компании. — Если вспомнить историю Google, то каждый сотрудник мечтал создать новый сервис, который он мог позже продать своей корпорации за миллионы долларов. Сегодня малые компании не могут доминировать на рынках, требующих серьезных капиталов и инвестиций в разработки и исследования. И в одиночку они не смогут противостоять большим при вызовах цифровой экономики. В нашей стране мы как-то быстро перескочили фазу, когда это было возможно. Все изменилось, и теперь всех победят большие и быстрые.

БОЛЬШЕ, БЫСТРЕЕ, ДОРОЖЕ — Все в их руках? — Да. Обратите внимание, в 2016 г. первые три строчки в мировом рейтинге по капитализации занимали компании с цифровыми стратегиями, а уже в 2017 г. они заняли пять первых мест. Это Apple, Google, Microsoft, Amazon и Facebook. При этом старшей из них, Microsoft, к тому времени едва исполнилось 40 лет, а младшей, Facebook, — только 13. Общая капитализация «потрясающей пятерки» тогда оценивалась в $3,3 трлн. Более того, не стоит забывать, что почти все эти компании становились драйверами новых рынков в цифровой экономике. Следующий факт: в 2018 г. Amazon и Apple достигли капитализации в $1 трлн каждая. Никакие другие компании в мире ни до, ни после столько не стоили и не стоят. Сервису Amazon для того, чтобы добраться до триллиона, понадобилось

w w w.sci-ru.org

всего 24 года. А ведь его основатель Джефф Безос начинал свой бизнес в 1994 г. за самодельным столом, сколоченным из старой двери. Сегодня все эти компании — большие и быстрые, причем настолько, что они уже лидеры на некоторых мировых рынках и вряд ли отдадут кому-то свои позиции. — В конце XIX в. Джону Рокфеллеру для того, чтобы стать первым в истории человечества миллиардером, тоже понадобилось 24 года. — Правильно, потому что тогда драйверами роста экономики были энергоносители, нефть. Сейчас же мы стоим на пороге четвертой промышленной революции, а в цифровой экономике главный драйвер — цифровые технологии, технологии искусственного интеллекта, достижение сетевых эффектов за счет возможностей интернета. И компании, которые работают в этом направлении, часто достигают невиданных до того результатов. Самый красноречивый пример — YouTube, которому на то, чтобы дойти до капитализации в $1,65 млрд, потребовалось всего девять месяцев, в то время как раньше у традиционных компаний путь до миллиарда занимал более 20 лет. Можно с уверенностью сказать, что происходящие на протяжении последних трех десятилетий изменения, связанные с эволюцией цифровых технологий, приводили к трансформациям, наступление которых мало кто мог спрогнозировать. — Ну да, сколько в детстве читал фантастики — и не помню, чтобы кто-то предсказал, как может изменить нашу жизнь обычный карманный телефон... — Цифровая экономика фактически достигла своего апогея в 2017 г. Именно в 2015–2017 гг. страны приняли в этом направлении больше всего программ, государственных стратегий, инициатив «Индустрия 4.0». Именно тогда во всем мире в массовом порядке начали тиражироваться центры цифровых компетенций: кремниевые долины, парки высоких технологий, регулятивные песочницы. И все же главный старт был дан в 1990 г., когда для жителей нашей планеты был открыт доступ к интернету.

ГОНКИ ЗА ЛИДЕРОМ — Это был настоящий прорыв. Кстати, тоже фантастами упущенный. — С тех пор цифровая экономика прошла несколько стадий развития. И, кстати, ответ на вопрос, как нашим российским компаниям стать большими и быстрыми, хорошо иллюстрирует анализ стратегий цифрового лидерства на эволюционной шкале цифровой экономики. Мой метод корреляционных зависимостей в цифровой турбулентной среде позволил сделать вывод: то, что определяло лидерство на каждом этапе развития цифровой экономики, работает до сих пор. В этом

[03] март 2020 | В мире науkи

Цифровая экономика уникальность и в то же время сложность цифровой среды! У того, кто был первым, было больше шансов победить, потому что практически не было конкурентов. — Давайте пройдем по этим этапам. — Давайте сперва посмотрим на стратегии цифрового лидерства через призму эволюции цифровой экономики. Для начала определимся, что мы под этим понимаем. По моему мнению, стратегии цифрового лидерства — это стратегии, которые позволяют компаниям сохранять устойчивость и повышать конкурентоспособность в цифровой турбулентной среде. Как показал анализ, такие стратегии приводят компанию к долгосрочному лидерству и доминированию на новых рынках — цифровых продуктов, электронных услуг, технологий «Индустрии 4.0». Важный момент: стратегии цифрового лидерства присущи как компаниям, которые полностью ведут бизнес в интернете, так и традиционным компаниям. — Начнем с первого этапа. — Начиная с 1990 г. цифровая экономика прошла несколько стадий развития. Первая — становление цифровой экономики, это 1990–2005 гг. В ней можно выделить две фазы: бум доткомов (1990–2000) и развитие новых рынков электронных услуг, электронного бизнеса и электронной коммерции (2000–2005). С 1990 по 2000 г. происходило формирование бизнеса в интернете. Тогда появились сегодняшние интернет-гиганты — Amazon, Alibaba, Google, Yandex... И тот факт, что они смогли пережить кризис доткомов, можно считать результатом стратегии цифрового лидерства. То есть драйвером цифрового лидерства в то время выступало формирование новых бизнес-моделей и выход на новые интернет-рынки — ведение бизнеса онлайн. — Так это же был пузырь! — Совершенно верно, пузырь доткомов, который начал резко сдуваться в марте 2000 г., и к концу 2001 г. было признано, что он лопнул. До 2000 г. акции интернет-компаний взлетали в цене без объяснения причин всего происходящего. Очень похоже на то, что было недавно с криптовалютами.

ПРОДАЙ ТО, НЕ ЗНАЮ ЧТО — То есть цифровое лидерство определяется ведением бизнеса в интернете? — Определялось в тот период. Мы пока говорим об этапе становления цифровой экономики. Второй фазой стал период развития новых рынков электронных услуг, электронного бизнеса и электронной коммерции, продолжавшийся до 2005 г. В этот период важнейшую роль сыграли новые технологии wiki, VoIP, социальные сети. Благодаря им появились Wikipedia, YouTube, Facebook,

В мире науkи | [03] март 2020

Skype... Это дало импульс для развития новых рынков электронных услуг. Электронный бизнес получил новую жизнь. В то время уже стало понятно, что нужно искать новые цифровые продукты для решения проблем людей, компаний. У инвесторов постепенно возрождался интерес к интернет-бизнесу, раздавленный кризисом доткомов. Начали расти рынки электронной коммерции, интернет-торговли, электронных библиотек. Amazon из обычного виртуального книжного магазина превратился в полноценный маркетплейс. Бурно развивался рынок рекламы, что приводило к усилению положения поисковых систем. — Они до сих пор прекрасно живут и зарабатывают в основном за счет продажи контекстной рекламы. — Но уже в 2000–2005 гг. цифровое лидерство определялось новыми бизнес-моделями — построением многосторонних платформ, маркетплейсов, виртуальных бирж в сегменте В2В. Интернет как новый канал для осуществления обмена товарами, услугами и сервисами начал набирать новые обороты. Конечно, в то время еще мало кто верил в работу без посредников, дилеров, дистрибьюторов. Это произошло позже. Сокращение горизонтальных цепочек создания стоимости — наша реальность, порождение цифровой экономики. В 2005–2010 гг. продолжался рост новых интернет-рынков и смежных рынков. Цифровое лидерство определялось выстраиванием успешных каналов коммуникаций в интернете. Переход на омниканальность, к фулфилменту и новым бизнес-моделям В2В2С очень быстро стал признаком успеха. Не стоит забывать, что уже к тому времени взращиванию цифровых лидеров способствовали происходящие сдвиги в потребительском поведении. К 2010 г. наступила эпоха агрегаторов и шеринг-экономики. Шеринг — это обмен, совместное пользование. В экономике этим термином определяется бизнес-модель, когда с помощью специальных технологий и онлайн-платформ люди могут обмениваться активами, которые они не используют или недоиспользуют. Можно обмениваться навыками. Первый шеринговый сервис ZipCar был запущен в 2000 г. Тогда к нему никто серьезно не относился. Знаковой датой для шеринговой экономики стал 2006 г., когда француз Фредерик Маззелла запустил онлайн-сервис поиска автомобильных попутчиков BlaBlaCar. Чуть позже, в 2008 г., шустрые молодые дизайнеры из Сан-Франциско Брайан Чески, Джо Геббиа и Нейтан Блечарзик в своей съемной квартире догадались сдавать за деньги надувные матрасы участникам конференции по промышленному дизайну. Для этого они быстро разработали сайт Airbedandbreakfast. c om («воздушная кровать и завтрак»), или airbnb.com. Сегодня это ведущая мировая площадка для

Цифровая экономика в мире достигло 7 529 млрд и превысило численность населения мира (7 357 млрд). Время выхода в интернет с мобильных устройств во многих странах превысило 50%. Распространение мобильного интернета в России на конец 2015 г. оценивалось в 64%. Взрывной рост рынка смартфонов наблюдался с 2009 г. вплоть до 2016 г., а жизненный цикл инновационных моделей смартфонов при этом сократился до пяти-шести месяцев. — iPhone и смартфоны других производителей, набиравшие популярность в то время, способствовали созданию новых рынков: мобильных приложений, мобильных игр, мессенджеров и т.д. В недрах этих серверов — целая дополненная жизнь. Виртуальные фабрики — Сегодня мы все знаем, что наипроизводят реальные продукты, виртуальные магазины продают реальные более популярные магазины прилотовары, виртуальные банки выдают реальные кредиты, виртуальная жений — это Apple App Store и Google реклама заманивает реального потребителя... Play. Я много раз летала в Токио к раткосрочной аренды частного жилья и не толь- и все время удивлялась, насколько у них был попуко. Ее стоимость превышает $30 млрд, а годовая лярен национальный мессенджер LINE, созданный прибыль приближается к миллиарду. всего в 2010 г., — настоящая коммуникационная — Миллиард на том, чего не имеешь? Вот это платформа. Уже тогда она позволяла им общатьстратегии цифрового лидерства! ся на любом языке через внутреннего переводчи— Представляете? Тогда же, в 2009 г., появился ка. По мере роста количества сообщений, отправUber. Но в целом до 2010 г., хотя наиболее значи- ленных через мессенджеры, во всем мире сокрамые трансформации наблюдались именно во Все- щалось количество переданных СМС‑сообщений. мирной паутине, понятие «электронный бизнес» Снимая об этом в Японии видеоролик, я делала было почти исключительно сетевым. Он жил сво- прогноз, что скоро мессенджеры из потребителей ей жизнью, традиционные компании на него поч- интернет-трафика превратятся в конкурентов соти не обращали внимание. Они его недооцени- товых операторов. вали и выходить в интернет не торопились. Хотя — Первый мессенджер, ICQ, появился значиможно вспомнить, как в начале 2000-х гг. крупные тельно раньше — еще в конце прошлого века. авто- и авиапроизводители создавали электрон— Не имеет особого значения, когда он появилные биржи для сокращения расходов на закупки. ся, важно, когда взлетел рынок. Когда мы видим Но в остальном разговоры о ведении электронной бурный интерес потребителя, его готовность все коммерции часто вызывали ироничную улыбку. чаще и чаще потреблять новые продукты/услуПозже стало очевидным, что Китай еще в 2005 г. ги, именно это приводит к массовым изменениям, видел новые драйверы конкурентоспособности тогда можно говорить о существенных сдвигах — и в те далекие годы вывел задачу развития элек- зрелости. Онлайн-поведение «в один клик» привело тронной коммерции в целях стимулирования про- к значительному сдвигу в моделях распределения мышленного производства! и потребления, к переходу «цифровой экономики» — Мелкие вещи в интернете уже можно на новую стадию: от роста к зрелости. было купить. Первый свой смартфон я купил — Количество цифровых технологий перешло в 2006 г. на сайте eBay. Уже тогда на нем рабо- в качество рынков и бизнес-моделей, что и потала своя платежная система PayPal. родило новых лидеров? — По-настоящему революционным стал 2007 г., — Именно. В период с 2010 по 2015 г. началось когда Apple вывел на рынок первый iPhone. Смарт- массовое встраивание онлайн-каналов и проникфоны были и до того, это вы правильно сказали, новение цифровых технологий в бизнес-модели HTC выпустил свой первый телефон-миником- традиционных компаний. К этому времени мнопьютер с сенсорным экраном на операционной си- гие традиционные компании поняли, что с помостеме Windows CE еще в 1998 г. Но именно iPhone щью цифровых технологий можно выдавливать стал драйвером мобильной экономики. По состоя- посредников и напрямую взаимодействовать с понию на август 2015 г. число мобильных устройств требителями, при этом еще и накапливая данные

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Цифровая экономика об их поведении. И с этим тоже было связано цифровое лидерство. Те компании, которые сумели это распознать раньше других, смогли надолго обогнать тех, кто до сих пор недооценивает значение данных, в первую очередь в маркетинговых целях, конкуренции за потребителей. Компании-лидеры Google, Amazon, Apple выходили на рынок искусственного интеллекта. Amazon, Microsoft, IBM к этому времени уже занимали ведущие позиции на рынке облачных технологий, хранения и обработки больших данных. Сегодня мы видим, как это важно для достижения лидерства. По данным McKinsey, рекомендательные системы приносят Amazon 35%, а Netflix — 75% выручки. — Следовательно, чтобы стать лидером, необходимо выходить за рамки «титульного» бизнеса? — В том числе на рынок искусственного интеллекта. Все это определяло и будет определять траекторию цифровой трансформации и построения новых бизнес-моделей. Повторюсь, что на всех стадиях развития цифровой экономики традиционные компании, которым угрожали новые рынки, вынуждены были сами выходить на них. Так, Microsoft вышел на рынок дата-центров, Volkswagen и Mercedes-Benz — на рынок шеринговых сервисов, а Ford — на рынок дронов. Уверена, что в ближайшее годы и российские традиционные компании, запустив цифровую трансформацию, покажут нам, как первыми формировать новые рынки.

СВОИ СРЕДИ ЧУЖИХ — Цифровая трансформация становится одним из приемов в конкурентной борьбе? — Не просто «одним из», а основным. Если полстолетия назад конкурентоспособность бизнеса зависела в первую очередь от уникальных активов и ресурсов, в 1980-е гг. — от корпоративной культуры, то сегодня, в эпоху цифровой экономики, драйвер конкурентоспособности сместился в сторону потребительского опыта, новых бизнес-моделей и взаимосвязей бизнес-моделей и стратегий цифровой трансформации. В настоящее время особое значение приобретает построение экосистем, платформ с сообществами разработчиков, производителей, потенциальных и реальных потребителей. Капитализация компаний стала напрямую зависеть от количества интернет-подписчиков, пользователей, участников сообществ. Потребитель стал неотъемлемой частью мобильной экономики, шеринговой экономики, научился жить онлайн. — И это ему понравилось. — Конечно, но особенно молодежи. Традиционные компании сегодня осознают важность онлайновых коммуникаций, они понимают, что если не будут в тренде, то завтра начнут терять потребителя. Поэтому начинается выстраивание

В мире науkи | [03] март 2020

изнес-моделей с использованием новых каналов б коммуникаций. Крупные традиционные компании открывают собственные интернет-магазины, строят интегрированные торговые платформы. Мне кажется, уже все оценили удобство быстрого онлайн-банкинга, мгновенных переводов, электронных билетов, которые не боишься забыть дома, покупок в интернет-магазинах без потери времени на походы в офлайновые магазины. — Но все это — до 2015 г. А что стало после? — Этап эволюции цифровой экономики, который начался в 2015 г. и продолжается до сих пор, я называю цифровой лихорадкой. Его главные признаки — хаотичное перестраивание бизнес-процессов и трансформация бизнес-моделей под воздействием технологий «Индустрии 4.0». Ее «симптомы» еще больше обострились после того, как бизнес и страны поняли, что в цифровой трансформации в ответ на новый технологический сдвиг кроются драйверы конкурентоспособности. В период с 2015 по 2017 г. правительства самых разных государств разработали и приняли наибольшее количество программ по цифровой трансформации. — Весь мир лихорадит. Как у Александра Блока: «жар холодных числ». — И это очень хорошо. Стратегии цифрового лидерства сегодня опираются на новые возможности технологий «Индустрии 4.0». К ним относят разные классы искусственного интеллекта, роботизированные системы, технологии виртуальной и дополненной реальности, распределенные реестры и др. Компании выходят на новые рынки, создают центры компетенций, разрабатывают технологии для оптимизации внутренних бизнес-процессов и идут с ними на внешние рынки. В этом залог их цифрового лидерства. — И что на этом этапе становится драйвером конкурентоспособности? Интернет вещей? — Последние 15–20 лет изобиловали появлением новых драйверов. Драйверов много, а ресурсов, как всегда, не хватает. Компаниям сегодня как никогда сложно выбрать, на чем сосредоточить усилия. Технологии «Индустрии 4.0», в том числе и интернет вещей, входят в их число. Для каждой отрасли можно выделить свои приоритетные и перспективные технологии, в которых кроются наиболее существенные эффекты. Что же касается интернета вещей, то в 2014 г. число выходов в интернет различных устройств превысило число выходов в Сеть людей. — Вещи обретают самостоятельность. — Интернет вещей, IoT, включая промышленный интернет вещей, сначала не был так востребован, потому что были проблемы с инфраструктурой, энергопотреблением — питанием датчиков. Немецкая инициатива «Индустрия 4.0» была разработана только под эту технологию и ориентирована на ее внедрение в промышленности. Это был

Цифровая экономика 2011 г. Сегодня цифровая лихорадка во многом опирается на поиск эффективных решений на основе интернета вещей. И все же пока мы можем чаще видеть точечные стратегические решения и запуск пилотных проектов. Так, «Российские железные дороги» достигли заметных успехов в использовании интернета вещей. Приведу только одну цифру: 75% развернутой длины главных путей сети РЖД оснащены датчиками измерения фактической температуры закрепления рельсов для автоматического мониторинга состояния бесстыкового пути. Интересен и мировой опыт. Сегодня поезда национального железнодорожного перевозчика Италии Trenitalia оснащены датчиками, и в процессе осуществления перевозок пассажиров и грузов устройства накапливают и передают их показания, а специалисты оценивают состояние железнодорожного полотна и подвижного состава. Интересен опыт Гамбургского порта, когда IoT позволяет собирать и анализировать данные о приходящих в порт грузовиках с помощью датчиков. В результате за два года пропускная способность порта увеличилась на 178%.

Лидерских позиций на рынках высоких технологий достигнут те компании, которые быстрее других создадут центры компетенций и выйдут на новые рынки, сумеют разглядеть перспективные трансформации задолго до их массового проявления ЗАДАНИЕ НА БУДУЩЕЕ — Борьбу за цифровое лидерство развернули государства. Для них цифровая экономика открыла возможности повышения конкурентоспособности. Правительства начали все больше опираться на перспективные разработки в области искусственного интеллекта, которые позволят сохранять устойчивость экономики. В настоящее время конкурентоспособность стран и их потенциал экономического роста связаны не с ресурсами, а с технологическим развитием. Связь экономического роста и инновационной трансформации экономики теоретически подтверждена лауреатами Нобелевской премии по экономике за 1995 г. Робертом Лукасом и за 2018 г. Полом Ромером.

w w w.sci-ru.org

— Сколько же нас так будет лихорадить? — Не стоит беспокоиться, эта лихорадка — не серьезная болезнь и не временное наваждение. Четвертый этап развития цифровой экономики уже совсем скоро все расставит на свои места. Если говорить о сроках, то вы же понимаете, что эта периодизация достаточно условна. Думаю, перехода от этапа лихорадки к новому стоит ждать уже в 2020 г. Лидерских позиций на рынках высоких технологий достигнут те компании, которые быстрее других создадут центры компетенций и вый дут на новые рынки. Хорошие перспективы имеют компании, руководители которых сумеют разглядеть перспективные трансформации задолго до их массового проявления. Сегодня бизнесу приходится вести хозяйственную деятельность по принципу «Трансформируйся или уступи место быстрорастущим конкурентам и инновационно настроенным компаниям». Вместе с тем цифровая турбулентная среда способствует ускорению процесса появления инноваций, которые обеспечат компаниям конкурентное преимущество и доминирование на новых рынках. — И что нас ждет на новом этапе? — Цифровых лидеров будет отличать запуск системной цифровой трансформации, извлечение ощутимого результата из накопленного опыта в разработке и внедрении технологий «Индустрии 4.0». Этап системной цифровой трансформации ознаменует переход к обоснованной цифровизации с позиции системного подхода, ориентации на построение экосистем и качественным системным сдвигам. Традиционные компании, которые сегодня первыми запускают цифровую трансформацию (для России это в первую очередь «Росатом», «Ростех», РЖД, «Газпромнефть», «Сбербанк»), будут все чаще смотреть в сторону новых рынков. Технологии, которые они сегодня разрабатывают для себя, необходимо выводить на рынок, а в идеале — научиться экспортировать. Главной задачей станет поиск путей тиражирования цифровых решений с целью снижения расходов и минимизации рисков. — А что станет с теми компаниями, которые не пойдут по этому пути? — Я уверена, что по пути цифровой трансформации пройдут все, кто-то встанет на него раньше, кто-то позже. Платформенность, бесшовность, развитие инновационного бизнеса, переход к модели «коопетишен» (coopetition, от англ. cooperation — «кооперация» и competition — «конкуренция») — это основа быстрых экосистем. Ключевая задача — разработка стратегии цифровой трансформации и непрерывное развитие нового стратегического мышления на пути к экосистемам будущего.

Беседовал Валерий Чумаков

[03] март 2020 | В мире науkи

Медицина

В мире науkи | [03] март 2020

МЕДИ ЦИ НА

Illustration by Brian Stauffer; Photographs by Grant Delin

ОБОЙТИСЬ БЕЗ ОПИОИДОВ

Семь с лишним миллионов больных, страдающих от хронической боли, принимают опиоиды с риском для жизни. Клиницисты и ученые пытаются найти способы отказа от этих анальгетиков или уменьшить их дозы без возобновления болей Клаудиа Уоллис

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Медицина ОБ АВТОРЕ

Клаудиа Уоллис (Claudia Wallis) — журналист, постоянный автор рубрики «Науки о здоровье» в журнале Scientific American.

рупный мужчина Бретт Муччино с трудом втискивается в свой старенький Ford Ranger. В 1986 г. в страшной автокатастрофе он повредил позвоночник в области шеи и нижней части спины. С тех пор вот уже 34 года он живет с хронической болью и принимает опиоиды, которые эту боль заглушают. В один из солнечных осенних дней Муччино, надев шляпу и куртку, украшенные эмблемой со словами «Ветеран вьетнамской войны», отправился в Уэст-Хейвенский медицинский центр по делам ветеранов войны в штате Коннектикут. Он медленно двигался по коридорам, слегка наклонившись на одну сторону. Его мучил не только поврежденный позвоночник. Во время войны Муччино подвергся действию дефолианта Agent Orange и заработал диабет, что сказалось на его походке. Кроме того, он страдал от хронической инфекции в области искусственного коленного сустава. В уэстхейвенскую клинику Муччино попал в возрасте 68 лет, после того как перенес семь операций на позвоночнике при все возрастающих дозах опиоидов и курсах физиотерапии, которые не принесли никакого облегчения. В 1990-х гг. его перевели с перкоцета — препарата непродолжительного действия — на новое пролонгированное обезболивающее оксиконтин в дозе 40 мг в сутки. В течение месяца дозу пришлось удвоить — только тогда наступило облегчение. Но никто не сказал больному, что к препарату развивается привыкание. Он столкнулся с этим, когда один из хирургов резко

снизил дозу перед проведением неких процедур на позвоночнике. В течение 48 часов после этого Муччино находился в реанимации, испытывая страшные мучения в связи с синдромом отмены — боль, судороги, невозможность принимать пищу. Вернувшись к опиоидам, он вдобавок к прописанным препаратам принимал купленные на улице, так что в конце концов дошел до 320 мг оксиконтина в сутки. Периодически он пытался снизить дозу, и тогда боль возвращалась. К лету 2016 г. Муччино, пройдя весь этот порочный круг, был близок к полному истощению. После финальной операции на позвоночнике наступило некоторое облегчение, и он сказал своему лечащему врачу: «Как бы мне хотелось избавиться от всего этого!» Момент был подходящим: несколько лет назад центр по делам ветеранов открыл специализированную клинику в часе езды от дома Муччино. Врачи обучили его нескольким противоболевым упражнениям и снабдили лекарствами, которые не только уменьшали боль, но и контролировали синдром отмены. Так начался медленный, растянувшийся на несколько месяцев процесс снижения дозы оксиконтина, завершившийся полной его отменой.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Резкое ограничение числа рецептов, выписываемых на опиоиды, стало катастрофой для миллионов людей с хронической болью.

В мире науkи | [03] март 2020

Эксперты в области медицины, посвященной борьбе с этой патологией, пытаются разработать безболезненные способы отказа от опиоидов.

Методы включают психосоциальную поддержку пациентов при очень медленном снижении дозы.

Медицина

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Медицина То, что произошло с Муччино, было скорее исключением. Число смертей от легального и нелегального употребления опиоидов выросло в США с 9489 в 2001 г. до 47 600 в 2017 г.! В связи с этим в стране начался процесс повсеместного снижения числа прописываемых рецептов на сильные анальгетики. Работники системы здравоохранения, страховые компании и даже фармацевты стали ратовать за резкое уменьшение количества отпускаемых препаратов. Эти ограничения привели к увеличению числа страдающих от хронической боли с 7 до 10 млн человек, принимавших эти медикаменты при самых разных состояниях — от фибромиалгии до повреждения спинного мозга и ран, полученных во время войны. Несмотря на то что большинство случаев передозировки были связаны с нелегальным приемом препаратов (в первую очередь запрещенного к продаже фентанила), власти полагали, что более трети смертей от опиоидов приходится на случаи приема прописанных врачом таблеток. В 2016 г. Центры по контролю и профилактике заболеваний издали указ, согласно которому врачи могли прописывать сильнодействующие анальгетики при хронической боли только в крайних случаях, при этом суточная доза не должна была превышать 50-миллиграммового морфинового эквивалента (ММЕ). Штаты тоже не остались в стороне. Органы системы здравоохранения в 36 из них составили собственные инструкции по ограничению количества прописываемых опиоидов. Вдобавок многие лечащие врачи ужесточили требования для инструкций, даже когда дело касалось пациентов, принимавших опиоиды длительное время. К 2017 г. почти 70% семейных врачей прибегли к этой мере и еще 10% вообще перестали выписывать рецепты на опиоиды. Такие решительные меры, однако, небезопасны: больные стали приобретать опиоиды нелегально, резко возросло число самоубийств. «Ситуация дистабилизировалась — как в чисто медицинском, так и в психологическом плане», — заявила психолог Бет Дарналл (Beth Darnall) из Медицинской школы Стэнфордского университета. Она входила в группу из 92 экспертов, подписавших в сентябре 2018 г. открытое письмо в федеральные органы, в котором выражалась обеспокоенность по поводу увеличения числа сообщений о пациентах, испытывающих

В мире науkи | [03] март 2020

Когда обойтись без опиоидов не получается В то время как исследователи ищут способы избавления пациентов с хронической болью от приема высоких доз опиоидов, становится все более ясно, что не все хотят или могут это сделать. Центры по контролю и профилактике заболеваний недвусмысленно дают понять пациентам с хронической болью, связанной с онкологическими заболеваниями или серповидно-клеточной анемией, что при приеме опиоидов нужно быть максимально осмотрительными. Эксперты часто опасаются навредить пациентам, страдающим от такой сильной боли, осознавая, что их жизнь висит на волоске. Андреа Андерсон (Andrea Anderson), исполнительный директор Alliance for the Treatment of Intractable Pain, раз за разом рассказывает о людях, находящихся в экстремальных условиях, — о мужчине, выжившем после 20-минутного воздействия сильного электрического тока, или о пациенте, объятом пламенем, — все они принимали опиоиды в высоких дозах и не отваживались их снизить. Врачам встречались пациенты, находящиеся в стабильном работоспособном состоянии при приеме опиоидов в средних дозах. «Мы знаем таких, кто годами принимал 15–20 ММЕ и прилично себя чувствовал, — говорит Уилл Беккер, возглавляющий УэстХейвенский медицинский центр по делам ветеранов войны, и добавляет: — Но при этом гораздо больше таких, кто не мог оставаться на низких дозах». Труднее всего приходится пациентам, которые принимают обезболивающие в высоких дозах. Перед ними стоит вопрос, продолжать ли борьбу с болью и низким качеством жизни или положиться на волю божью. Часто такие пациенты страдают от множества других физических и психологических расстройств, что мешает понять, в какой степени их состояние обусловлено основным заболеванием, а в какой — побочными эффектами от приема лекарств или от других патологий. «Здесь мы вступаем в полосу неопределенности, — говорит Шон Маки из Стэнфордского университета. — Мы должны персонализировать наш подход и работать вместе со специалистами из других областей медицины». Далеко не все пациенты хорошо переносят снижение дозы, даже если это происходит медленно и с соблюдением всех предписаний. Возьмем, например, Надин Хьюгл, 53-летнюю женщину, которая попала в клинику Беккера после многолетнего приема высоких доз перкоцета (одной из комбинаций оксикодона и ацетаминофена). Хьюгл — сложный пациент во многих отношениях. Помимо артрита она страдает посттравматическим стрессовым расстройством, а в 2014 г. перенесла операцию на желудке, потеряв при этом 59 кг. Ее травмированный желудок не переносит нестероидные противовоспалительные обезболивающие, которые могли бы заменить опиоиды. Ей мало помогает бупренорфин, применяемый при синдроме отмены.

Медицина

Помимо этого, у Хьюгл проблемы психосоциального характера, связанные с ПТСР и тем, что у ее единственного сына наблюдаются признаки аутизма. В клинике Беккера ей старались найти замену опиоидам, но боль только усиливалась. Была предпринята попытка вернуться к перкоцету на фоне комплексной нелекарственной терапии и непрерывного мониторинга. Эксперты по ситуациям, сходным с той, в которой находится Хьюгл, сходятся в том, что лечение должно сопровождаться отслеживанием побочных эффектов и признаков передозировки. Во всех штатах принята программа мониторинга, которая позволяет выявить случаи приема препаратов, выписанных другими врачами. Использование всех возможных способов убеждения пациентов перейти на меньшие дозы, вероятнее всего, приведет к уменьшению числа людей, принимающих эти препараты длительное время. Марк Салливан припоминает такие случаи 30‑летней давности, когда он начал специализироваться в этой области. «Я думаю, мы достигнем точки, в которой, как это было в начале моей деятельности, опиоиды будут применяться только в исключительных случаях», — говорит он.

w w w.sci-ru.org

страдания вследствие недостатка обезболивающих, и сообщалось о росте случаев суицида. В апреле прошлого года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) передало информацию о соответствующих рисках лечащим врачам. Разумеется, резкий отказ от опиоидов — это плохо. Но, к сожалению, мало что известно о том, каким способом уменьшить зависимость от них у пациентов с хронической болью. Никто не может привести научно обоснованных доводов в пользу приема этих сильнодействующих веществ месяцами и даже годами, и уж совсем неизвестно, как от них уйти. К счастью, поиски ответов на эти вопросы уже начались благодаря выделению средств из федерального бюджета. Вот один из первых результатов: необходимо снижать дозу очень медленно, учитывая при этом индивидуальные особенности пациента, и использовать альтернативные способы борьбы с болью — именно такой подход помог Муччино. Согласно результатам некоторых исследований, многие пациенты чувствуют себя лучше, принимая опиоиды в малых дозах, поскольку исчезают такие побочные эффекты, как вялость, затуманенность сознания и запор. Новое руководство по снижению дозы, выпущенное в октябре прошлого года Министерством здравоохранения и социальных служб США, одобрило эти растянутые во времени, «пациентоцентричные» методы. Многие вопросы еще ждут ответов, в том числе такие основополагающие, как: в каких случаях эти препараты остаются уместными при хронической боли и в каких дозах, кому необходимо отменять их и как быть, если пациент этого не хочет? «Вопрос, больше всего волнующий общественность именно сейчас, состоит в следующем: насколько безопасен длительный прием опиоидов и какова их эффективность, — говорит Шон Маки (Sean Mackey), заведующий отделением терапии болевого синдрома в Стэнфорде. — Если честно, мы этого не знаем». Но медленно и неуклонно проблема пристрастия американцев к опиоидам решается.

Сила и слабость опиоидов

Отношение к опиоидам как к препаратам первого ряда при терапии хронической боли начало меняться в середине 1990‑х гг. Это было время, когда медицинское сообщество стало относиться к этой

[03] март 2020 | В мире науkи

Медицина патологии более серьезно, поместив ее на пятое место в ряду «жизненно важных показателей» (после артериальной гипертензии, частоты сердечных сокращений, респираторных инфекций и температуры). В это же время на рынке появилась одна из пролонгированных версий оксинодона, встреченная с огромным энтузиазмом и с уверенностью в его безопасности при долговременном приеме и отсутствии привыкания — это заблуждение впоследствии обернулось многомиллионными судебными тяжбами. Ранее природные опиаты, такие как морфин, и синтетические опиоиды, например оксикодон, применялись в основном для купирования острых недолговременных болей, для облегчения состояния онкологических больных и в качестве паллиативной меры. Они рассматривались как дешевая альтернатива золотого стандарта при устранении упорной хронической боли: междисциплинарного подхода с участием команды психологов, лечащих врачей, физиотерапевтов и других специалистов. Все вместе они работали с пациентом в течение нескольких недель в специализированных клиниках. Такой подход гораздо более продуктивен, чем простой прием таблеток, но он адресуется к биопсихосоциальной природе хронической боли — к тому факту, что ощущения пациента определяются не только распространением болевых сигналов по нервным волокнам, но и силой духа, личностными особенностями, социальным фоном и даже значением, которое пациент придает боли. «Боль, свидетельствующую о прогрессировании рака, переносить труднее, чем боль в мышцах после интенсивной тренировки», — замечает Марк Салливан (Mark Sullivan), психиатр из Центра по устранению боли при Вашингтонском университете в Сиэтле. Даже если опиоиды одномоментно назначались большому количеству пациентов с болью в спине, за их действием наблюдали не более шести недель. Этого совершенно недостаточно для того, чтобы судить о физических и психологических последствиях по прошествии нескольких месяцев и лет или о том, как часто следует повышать дозу, что сопряжено с увеличением риска респираторных проблем, головокружения и передозировки. Впрочем, пробелы в этих знаниях беспокоили немногих. Ирин Кребс (Erin Krebs) в середине 1990‑х гг. училась в медицинской школе. Она помнит, как ее удивило, что лекарства, не прошедшие долговременных испытаний, пациенты принимают по предписанию врачей месяцы и даже годы. Сегодня Кребс возглавляет терапевтическое отделение в Системе помощи ветеранам вой ны в Миннеаполисе и занимается исследованиями, цель которых — помочь так называемым легальным пациентам, принимающим опиоиды, в подборе безопасной дозы. Но одновременно она

В мире науkи | [03] март 2020

п ытается найти ответ на вопрос, действительно ли опиоиды — незаменимое средство для избавления от хронической боли. В прошлом году она опубликовала результаты первого рандомизированного испытания, в котором проводилось прямое сравнение эффективности опиоидов и неопиоидных анальгетиков — от хорошо всем известных противовоспалительных средств, таких как ибупрофен, до препаратов, применяемых при неврологических болях, таких как габапентин. Испытания длились целый год. Руководимая ею группа наблюдала за 240 пациентами, страдающими болью от средней степени тяжести до высокой в спине или суставах. Оказалось, что члены «неопиоидной» группы испытывали менее сильную боль и у них отсутствовали побочные эффекты. Кребс обнаружила и другие свидетельства того, что прием опиоидов не всегда оказывается наилучшим способом избавления от хронической боли. На конференции, посвященной этой проблеме и состоявшейся в 2018 г., она представила шокирующие предварительные данные по долговременному наблюдению за 9245 ветеранами, принимавшими опиоиды более шести месяцев. Только четверть из них оценили результаты лечения как очень хорошие или даже отличные, а 80,9% заявили, что боль распространилась на все тело — один из побочных эффектов, болевой синдром под названием «опиоидная гипералгезия». «У меня в голове промелькнуло: какой ужас! — сказала мне Кребс. — Такие люди испытывают невыносимые страдания, а мы ничем не можем им помочь».

Как справиться с синдромом отмены

Когда риск приема опиоидов превышает преимущества — например, пациент не придерживается предписаний врача или появляются симптомы передозировки, — согласно новым инструкциям Министерства здравоохранения и социальных служб США, препараты следует отменять. Но как это сделать, не вызвав новые мучения, и что предложить взамен? В идеале пациенты с неукротимой болью должны находиться в многопрофильных реабилитационных клиниках, где есть опыт перехода от опиоидов к другим болеутоляющим средствам. Но многие такие центры закрылись, когда медицинское сообщество стало воспринимать опиоиды как панацею, а лечение в многопрофильных клиниках оставалось слишком дорогим. В 2018 г. Дарналл одной из первых предложила выход: очень медленное снижение дозы с учетом индивидуальных особенностей пациента. В пилотном исследовании с участием 68 пациентов, результаты которого были опубликованы в JAMA Internal Medicine, было показано, что 51 участнику испытаний удалось уменьшить дозу вдвое без усиления боли. Они получили четкое предписание от лечащего врача и руководство

Медицина по самопомощи. Медленное снижение дозы было особенно важно в первые четыре недели; в этот период уменьшение не должно было превышать двух пятипроцентных приростов, что значительно меньше 10% в неделю, предписанных в 2016 г. «карманным справочником», и соответствовало сегодняшней версии, принятой Министерством здравоохранения. «Придерживаясь этой микрошаговой схемы, мы даем возможность пациенту адаптироваться к меньшим дозам и обрести уверенность как в отношении лечащего врача, так и в отношении самого себя», — поясняет Дарналл. По ее словам, цель такой схемы — не уменьшение дозы до нуля, но достижение минимальной эффективности ее величины. Четыре участника испытаний попытались совсем прекратить прием опиоидов, но четверо других остались на исходной позиции или даже увеличили прием. 17 испытуемых вообще выбыли из игры. Примечательно, что отсутствовала всякая корреляция между исходной дозой и продолжительностью приема опиоидов, с одной стороны, и переносимостью пациентом уменьшения дозы — с другой. Дарналл не терпится выяснить, могут ли какие-либо дополнительные меры помочь большему числу пациентов успешно пройти процесс отказа от опиоидов. Получив грант от Института исследований результатов, ориентированных на пациента (PCORI), она намеревается провести годичные испытания с участием 1365 пациентов с хронической болью, получившие название EMPOWER (Effective Management of Pain and Opioid-Free Ways to Enhance Relief, «Эффективное управление болью и свободные от опиоидов способы усиления облегчения»). Пожелавшие остаться на прежней дозе 500 участников станут контрольной группой. Остальных случайным образом разделят на три подгруппы. Первые будут получать лечение в соответствии с пилотным методом Дарналл. Вторые в дополнение к этому пройдут девятинедельный курс групповой когнитивно-поведенческой терапии, некую разновидность кратковременного психологического тренинга, нацеленного на изменение образа мыслей пациента. Третьи тоже будут лечиться по методу Дарналл и пройдут шестимесячный курс по самоконтролю болевых ощущений. Самоконтроль боли — недорогая процедура; ею руководит один из участников, прошедший специальную подготовку, а не профессионал, но ее не апробировали применительно к опиоидам. Метод разработан преподавателем из Стэнфордского университета Кейт Лориг (Kate Lorig) и состоит из строго упорядоченных видов деятельности, теоретических занятий и дискуссий, которые позволяют контролировать болевые ощущения и побуждают вести более активный образ жизни. Так, пациенты составляют щадящий план действий,

w w w.sci-ru.org

которых в обычной обстановке они стараются избегать по причине их болезненности: например, они совершают ежедневную прогулку или чистят электроплиту; обучаются упражнениям, разогревающим суставы; организуют мозговой штурм с целью оптимизации взаимодействия с медицинским персоналом. Пациенты отмечают, что групповой подход с участием страдающих одинаковой патологией дает лучшие результаты, чем если бы каждый занимался самостоятельно. «Вы осознаете, что все находитесь в одной лодке, и это помогает», — говорит Сильвия Номикос (Sylvia Nomikos), ушедшая на пенсию преподавательница с тяжелым спинальным стенозом, которая прошла курс самоконтроля боли в Плезантвилле, штат НьюЙорк. Участники двух других подобных тренингов отмечали уменьшение болевых ощущений, депрессии и тревоги по поводу своего состояния. Дарналл с коллегами намеревается выяснить, как метод саморегуляции работает при когнитивно-поведенческой терапии и можно ли включить его в основной протокол постепенного снижения дозы опиоидов. Между тем они собирают данные по употреблению участниками марихуаны, чтобы проверить, влияет ли это на процесс уменьшения дозы опиоидов. «Такие исследования не терпят отлагательства», — говорит Дарналл. Но в любом случае результаты пилотного проекта уже продемонстрировали безопасность и экономичность использованного способа отказа от опиоидов, и теперь такую практику можно применять повсеместно.

Альтернативный подход

Другое направление исследований — им занимаются, в частности, Салливан и Кребс — тестирование реалистичного недорогого способа помощи больным с хронической болью, направленного на уменьшение зависимости от опиоидов. Кребс руководит крупномасштабными испытаниями, также спонсируемыми PCORI. В его рамках 500 ветеранов будут подбирать, находясь на телефонной связи с фармакологом, безопасную и эффективную дозу принимаемых лекарств. Кураторами других 500 участников будет команда экспертов разных специализаций (терапевт, физиолог, фармацевт или физиотерапевт), в меньшей степени нацеленных на медикаментозное лечение и в большей — на достижение индивидуальных целей и на улучшение образа жизни, и все это на фоне не поддающейся устранению боли. Кроме того, одной из задач испытаний поставлено построение схемы терапии, смягчающей синдром отмены. «Ни от кого не ждут полного отказа от опиоидов», — отмечает Кребс, но участники, принимающие их в высоких дозах, должны быть проинформированы о возможных рисках. Тех, кто намеревается совсем уйти от опиоидов, разделят

[03] март 2020 | В мире науkи

Медицина случайным образом так, что часть будет получать заместительную терапию в виде бупренорфинналоксона (дженерика субоксона). Он соединяет в себе опиоидное болеутоляющее и опиоидный блокатор и ослабляет боль, смягчает синдром отмены и характеризуется сравнительно небольшим риском передозировки. «Этот препарат хорошо зарекомендовал себя в случае опиоидной зависимости, — поясняет Кребс, — и было бы интересно посмотреть, поможет ли он в нашем случае». Свои исследования Кребс проводит в той самой клинике, куда обратился Муччино. Ее директор Уилл Беккер (Will Becker) в своей повседневной практике назначает бупренорфин-налоксон для подготовки к процессу снижения дозы опиоидов. Две трети пациентов дали согласие на такое лечение; к ним относится и Муччино. Беккер считает, что этот препарат обеспечивает «мягкую посадку» пациентам, принимавшим опиоиды несколько лет. Он полагает также, что простое наличие выбора очень важно для принятия решения. Методика Беккера делает упор на достижение целей, задаваемых самим пациентом. Это может быть возвращение на работу или просто более раннее вставание по утрам. «Мы стараемся направить все усилия на достижение следующих целей: специфичных, поддающихся оценке, направленных на выполнение определенных действий, реалистичных и хронометрируемых, — поясняет Беккер. — Все это конкретные, вполне реальные вещи, позволяющие уменьшить боль». Главная цель Муччино — иметь возможность проводить время со своими семью внуками, «наблюдать, как они растут, — как можно дольше и со светлой головой». Он так много упустил в общении со своими детьми: «Я работал по 60–70 часов в неделю, меня выбивали из колеи опиоиды. Придя домой, я без сил валился на диван». Прием бупренорфина помог ему отказаться от оксиконтина. Немногочисленные исследования и клинические испытания свидетельствуют о том, что если пациент поборол свои страхи, то он чувствует себя гораздо лучше при снижении дозы или отказе от опиоидов. Боль как таковая может оставаться прежней, но при пониженных дозах, что проявляется в улучшении самочувствия и настроения. «Прежде всего это связано с тем, что опиаты — включая те, что вырабатываются в нашем организме, — действуют на разные отделы головного мозга, в том числе на те, которые опосредуют эмоции и внимание. Когда вы нагружаете эти отделы лекарствами, все ваши чувства притупляются». Однако есть небольшое число больных, у которых реакция на опиоиды имеет особый характер, и экспертов очень беспокоит ситуация, когда таких людей заставляют отказаться от опиоидов. Не каждый из них выдерживает даже небольшое снижение дозы, не говоря уж о полной отмене.

В мире науkи | [03] март 2020

Без опиоидов

Отход от опиоидов означает, что все меньшему числу пациентов они будут назначаться впервые и все чаще будут применяться другие подходы, в частности физические и поведенческие, а также неопиоидные препараты. Первая часть этого положения уже реализуется: масштабное исследование, проведенное в прошлом году, показало, что доля пациентов, которым опиоиды были назначены впервые, снизилась на 54% в период с июля 2012 г. по декабрь 2017 г. Изменить что-либо в терапии труднее. По наблюдениям Салливана, «ничто не сделает человека с хронической болью более счастливым, чем прием оксиконтина, — он почувствует себя лучше сразу после выхода из клиники». Другие медикаменты действуют медленнее. Может случиться так, что вам станет хуже, прежде чем вы почувствуете облегчение. «Принимая их, нужно набраться терпения — так, как при физической и поведенческой терапии», — продолжает Салливан. Лечащим врачам, особенно работающим в отделениях первой помощи, очень помог бы тренинг, рекомендуемый Национальной стратегией по борьбе с болью (National Pain Strategy) и практикуемый с 2018 г. (в США студенты медицинских вузов проходят практику по устранению боли в объеме от четырех до 12 часов, в то время как у студентов — будущих ветеринаров она составляет 28 часов). В рекомендациях по тренингу отмечается также, что «обществу в целом» было бы полезно ознакомиться с тем, насколько сложен сам феномен боли и как ею можно управлять. Муччино все это освоил на практике. Сегодня он не только принимает бупренофин-налоксон в малых дозах, но и регулирует болевые ощущения с помощью релаксации, упражнений на растяжение и методов когнитивно-поведенческой терапии. Дома он занимается физиотерапией под записи Джеймса Тейлора. Он очень дорожит поддержкой членов семьи, много времени посвящает внукам, совершает велосипедные прогулки. И никаких опиодов!

Перевод: Н.Н. Шафрановская

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ Филдс Д. Новые подозреваемые по делу о хронической боли // ВМН, № 1, 2010. Effect of Opioid vs Nonopioid Medications on Pain-Related Function in Patients with Chronic Back Pain or Hip or Knee Osteoarthritis Pain — The SPACE Randomized Clinical Trial. Erin E. Krebs et al. in Journal of the American Medical Association, Vol. 319, No. 9, pages 872–882; March 6, 2018.

СПЕЦРЕПОРТАЖ

ПРИ ПОДДЕРЖКЕ МЕДИЦИНСКОГО ЦЕНТРА ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

В мире науkи | [03] март 2020

Cover and main illustrations by Enan Liang

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Устранить причину заболевания На протяжении многих лет врачи занимались симптоматическим лечением, не затрагивая причин заболевания. Они удаляли опухоли, вырезали тромбы из артерий, вводили инсулин и сбивали температуру. Однако они не могли воздействовать на биологические команды, заставляющие клетки и ткани бесконтрольно расти, проводить неправильные сигналы по нервам, давать слишком много или слишком мало энергии, отекать при воспалении. Команды, определяющие, что и когда должна делать данная клетка, записаны в молекуле ДНК, и когда в ней появляются какие-то нарушения, возникают страшные заболевания. Практически не было лекарств, которые могли бы повлиять на ДНК и ее РНК‑посредников, исправив возникшие нарушения. Этот специальный репортаж рассказывает, что теперь все иначе. Ситуация начала меняться еще в начале столетия, когда была прочитана полная последовательность ДНК человеческого генома. А в последние несколько лет, когда научились создавать короткие цепочки с заданной последовательностью нуклеотидов, ученые поняли, что лучшее вещество, способное добраться до ДНК, — сама ДНК. Создание новых генов, выключающих или заменяющих неисправные варианты, привело к появлению 14 одобренных ДНК‑препаратов (с. 86). Исследования последних лет выявили, что для более эффективного лечения лучше использовать не линейные цепочки ДНК, а ДНК-сферы, которые проще попадают внутрь клетки (с. 74). Анализ ДНК также открывает новые возможности. Несмотря на то что в США новорожденным сейчас уже делают анализ на 30– 60 генетических заболеваний, вероятно, удастся выявить еще порядка 1 тыс. генов, связанных с детскими болезнями, которые могут стать новыми мишенями для лечения (с. 80). Однако та же самая наука создала и проблемы. Иногда генетический анализ младенцев может вызвать ложную тревогу, так как если в результате обнаруживается ген, связанный с каким-нибудь заболеванием, это не обязательно приводит к развитию самой болезни. Кроме того, при исследовании образцов ДНК присутствует неравенство. Большинство данных о последовательностях ДНК получены на белых людях, поэтому мы не знаем каких-то генетических вариантов, вызывающих болезни у других рас. Если мы это не исправим, то неравенство в исследованиях приведет к неравенству в здравоохранении (с. 88). Сейчас генетики запускают проекты для получения более разносторонних данных. Генная терапия — это могучая сила, которая должна быть доступна всем, а не только избранной группе людей. Создание отчета о ДНК-препаратах и сопутствующих методах, опубликованного в журналах Scientific American и Nature, поддержано Медицинским центром Питтсбургского университета. Спецрепортаж подготовлен самостоятельно редакторами Scientific American, которые несут личную ответственность за все представленные материалы. Медицинский центр согласился быть спонсором репортажа, но не внес никакого вклада в его содержание.

СОДЕРЖАНИЕ Сила в сферах

Чад Миркин, Кристин Ларами и Кацпер Скакуж Молекулы ДНК или РНК, упакованные в сферы, могут атаковать рак мозга и другие заболевания, недоступные для традиционных лекарств

Инфографика: ДНК для лечения ДНК

Генетические тесты для младенцев

Таня Льюис Сегодня мы можем проверять новорожденных на тысячи генетических заболеваний, однако это не всегда полезно

Достижения генетической терапии

Джим Дэли После нескольких фальстартов препараты, влияющие на гены, наконец смогут изменять жизни людей

Все мы

Стефани Девани Чтобы избежать неравенства, генная терапия должна учитывать многообразие меньшинств, и для этого создан большой генетический проект

Джош Фишман, ведущий редактор

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

РАЗРАБОТКА ЛЕКАРСТВ

Сила в сферах Молекулы ДНК или РНК, упакованные в сферы, могут атаковать рак мозга и другие заболевания, недоступные для традиционных лекарств

Кристин Ларами, Чад Миркин и Кацпер Скакуж

В мире науkи | [03] март 2020

РАК МОЗГА УЖАСЕН. Он поражает орган, который мы привыкли считать основой нашей личности, мышления и всех человеческих качеств. А поскольку это заболевание возникает внутри мозга, его невероятно трудно вылечить. В процессе эволюции мозг выработал много способов самозащиты, чтобы не пустить внутрь посторонние вещества, поэтому туда не проникают большинство противораковых препаратов. Использование скальпеля или радиотерапии несет серьезный риск для органа, где гнездится наш разум. Поэтому относительная пятилетняя выживаемость людей с самой распространенной первичной опухолью мозга — глиобластомой — составляет печальные 5%. Это заболевание убило Джона Маккейна, Эдварда Кеннеди и Бо Байдена и уносит жизни примерно 15 тыс. менее известных американцев каждый год. Сейчас разработан нанопрепарат, который, распространяясь по организму, попадает в мозг, где может убивать раковые клетки. Его лекарственные частицы состоят из олигонуклеотидов — коротких цепочек ДНК или РНК, то есть веществ, которые диктуют каждой клетке, что ей надо делать. Олигонуклеотиды торчат из центрального ядра, как множество колючек морского ежа. Такие шипастые частицы получили название «сферические нуклеиновые кислоты» (СНК). В первых экспериментах на восьми пациентах было показано, что они достигли клеток глиобластомы и связались с теми командными молекулами, которые отвечают за бесконтрольный рост опухоли. По-видимому, подобные сферические препараты могут помогать в борьбе с разными заболеваниями. Спинальная мышечная атрофия (СМА) — один из страшных недугов, поражающих младенцев. Она постепенно лишает детей возможности управлять своими мышцами, со временем дыхательные и глотательные движения становятся затрудненными, а потом и вовсе невозможными. Большинство детей с данным расстройством умирают, не достигнув детсадовского возраста, и до последнего времени врачи ничего не могли с этим поделать. В 2016 г. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило одно средство: препарат «Спинраза», который надо вводить непосредственно в спинной мозг несколько раз в год. Стоимость одной инъекции составляет $125 тыс., это одно из самых дорогих в мире лекарств. Недавно, в исследовании на грызунах, мы сравнили препарат «Спинраза» с нашими сферами, покрытыми торчащими нуклеиновыми кислотами, которые вмешиваются в передачу молекулярных команд, вызывающих симптомы СМА. Оказалось, что сферы продлевают срок жизни в четыре раза (115 против 28 дней) и у них значительно слабее токсичное побочное действие. Сферические нуклеиновые кислоты не вызывают проблем, часто возникающих при разработке новых лекарств. Обычные препараты неспецифичны: они могут подействовать не только на больные, но и на здоровые клетки и органы, и, следовательно, у них много побочных эффектов. Нуклеиновые кислоты, напротив, разработаны так, что

w w w.sci-ru.org

могут вмешиваться в работу только тех генов, которые вызывают данное заболевание, или взаимодействовать с молекулами-посредниками, через которые испорченный ген посылает сигнал клетке. Биологи раньше уже пытались использовать нуклеиновые кислоты для этой цели, но преимущественно линейную форму и практически не имея возможности направить их точно в нужное место в организме. А поскольку организм хорошо защищен от чужеродного генетического материала, в частности с помощью иммунной системы, то чаще всего защитные механизмы повреждали препараты или сразу отправляли их для выведения в печень и почки. Однако СНК, будучи размером всего лишь в несколько миллиардных метра, по-видимому, могут перемещаться по организму и проникать внутрь клеток прежде, чем иммунная система их заметит. Сферическая форма позволяет в небольшом объеме плотно упаковать «иголки» нуклеиновых кислот. Такая плотность обеспечивает надежное взаимодействие с рецепторами на клеточной поверхности и, соответственно, попадание такой частицы внутрь. Определенная последовательность элементов (это те же самые нуклеотиды — A, T, C и G, с помощью которых записана генетическая информация) обеспечивает действие СНК только на комплементарные последовательности ДНК или РНК. РНК вместо T содержит U (урацил), и мы учитываем это. Мы создаем наши цепочки так, чтобы они подходили только к тем последовательностям в клетке, которые необходимы для развития заболевания. СНК — не волшебное средство, и, прежде чем его можно будет начать массово применять на пациентах, оно должно пройти множество тестов. Однако у него есть потенциальная возможность справиться с некоторыми наиболее тяжелыми болезнями в мире за счет того, что нуклеотиды в СНК можно переставить так, чтобы они могли специфично связываться с разными молекулами, вызывающими заболевания.

Программирование лекарств

Обычно ученые находят лекарства против болезней, перебирая сотни тысяч небольших синтетических или природных соединений, проходя долгий путь проб и ошибок, чтобы понять, есть ли

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

от них какая-нибудь польза для лечения. И хотя благодаря такому конвейеру появилось много отличных препаратов, таких как, например, антибиотики, у всех у них, даже у самых прогрессивных, есть нежелательные побочные эффекты. Даже для создания биопрепаратов — лекарств нового типа, которые обычно изготавливают на основе белков, вырабатываемых иммунной системой мышей, кроликов или других животных, — требуется некоторое количество проб и ошибок. В идеале при создании лекарства ученые должны иметь возможность быстро и рационально разработать специфичный препарат, который использует тот же самый язык, что и наши клетки, а не искать нужное вещество как иголку в стоге сена. Клетки передают множество сложных сообщений, используя ДНК и РНК, чтобы синтезировать миллионы белков. Для получения нужных белков клетке необходимо правильно выполнить много шагов: найти правильную последовательность ДНК нуклеотидов, перевести (транскрибировать) ее в молекулу РНК, которая называется матричной РНК (мРНК), а затем аккуратно прочитать мРНК, чтобы из отдельных аминокислот составить цепочку, которая может достигать в длину до 35 тыс. аминокислот, образуя единый белок. Ошибки в ДНК, когда, например, один нуклеотид добавляется, удаляется или перемещается в неправильное место, могут остановить синтез белка или привести к созданию нестандартного белка, что может вызвать заболевание. Слишком много копий мРНК, следовательно, слишком много белка, также могут быть причиной болезни. Заражение клетки нуклеиновыми кислотами вируса приводит к появлению в ней вредоносных вирусных белков. Однако можно синтезировать короткие цепочки ДНК и РНК — олигонуклеотиды. Генетический алфавит подчиняется определенным правилам: A всегда связывается только с T, а G — с C, поэтому мы можем создать такие олигонуклеотиды, которые специфически свяжутся и заблокируют только ту последовательность, которая вызывает заболевание. Таким образом, эти синтетические цепочки влияют на работу клетки, не позволяя пораженным клеткам синтезировать опасные белки. Хотя существует оборудование, способное автоматически синтезировать олигонуклеотиды с любой заданной последовательностью, какую только можно пожелать, для лечения пациентов одобрено менее десятка подобных препаратов. Дело в том, что, попадая в кровеносное русло, такие цепочки нуклеотидов сталкиваются с трудностью: будучи чужеродными для организма, они распознаются как опасное вещество или как отходы. Иммунная система либо уничтожает их, либо направляет в почки и печень для выведения из организма. Поэтому олигонуклеотиды не достигают заданной цели. Даже если они доберутся до нужной клетки,

В мире науkи | [03] март 2020

они должны еще пройти через мембрану, которая служит барьером, не пускающим вещества внутрь. В результате фармацевтические компании, работающие с олигонуклеотидами, обычно ограничиваются лечением заболеваний, при которых клетки мишени находятся в печени. Печень — безусловно, очень важный орган, но такая узкая область применения олигонуклеотидов сильно ограничивает их возможности. Альтернативный способ введения олигонуклеотидов — непосредственно в пораженный орган, как это делают, вводя «Спинразу» в спинной мозг. Технически это сложно и до сих пор не обеспечивает поступления лекарства во все пораженные клетки.

Удивительный результат

Наша группа в Северо-Западном университете вместе с другими исследователями совершила открытие в нанотехнологиях, приведшее к появлению СНК, которые могут стать решением этой проблемы. До 2006 г. мы интересовались использованием СНК для высокочувствительной диагностики. Благодаря способности к специфичному связыванию СНК можно было бы применять для вылавливания фрагментов раковой ДНК из образца крови. Мы смогли сделать такую структуру, напоминающую морского ежа, взяв золотую наночастицу и прикрепив к ней множество нитей ДНК только одним концом. На другом конце ДНК содержалась последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности раковой ДНК, таким образом, конструкция отлично работала как датчик. Мы использовали подобные сферы и для того, чтобы из этих искусственных частиц с программируемыми связями создавать новые виды материалов. При этом мы не занимались разработкой лекарств. Ведь согласно господствующим представлениям в химии и биологии, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК не могут естественным образом проходить через клеточную мембрану. Однако нам было любопытно, каким образом нуклеиновые кислоты с новой геометрической формой будут взаимодействовать с живыми системами. Фармакологи уже экспериментировали с цепочками олигонуклеотидов, правда, не очень успешно. Занимаясь исследованием диагностических свойств СНК, мы знали, что когда олигонуклеотиды упакованы, как иглы у ежа, они могут гораздо сильнее связывать целевые ДНК и РНК, чем это удается одиночным цепочкам. Причина в том, что на поверхности наночастицы они упакованы более плотно. Это делает их более жесткими и помогает нуклеотидам A, T, G и C на каждой нити выравниваться в линию и соединяться с комплементарной цепочкой при встрече. Поэтому мы предположили, что при правильном подборе последовательности нуклеотидов СНК могут стать мощным лекарственным средством.

Для того чтобы проверить эту идею, мы провели эксперимент, особо не надеясь на успех. Мы взяли отдельные цепочки олигонуклеотидов и поместили их в экспериментальную пробирку с клетками мыши. В другую пробирку мы добавили такие же олигонуклеотиды, но упакованные в СНК, и такие же клетки мыши. И к отдельным цепочкам, и к сферам мы прикрепили красные флуоресцирующие метки, чтобы проследить путь этих молекул. Затем мы посмотрели на клетки в микроскоп. Те клетки, к которым добавили отдельные цепочки, оказались, как и ожидалось, прозрачными. Олигонуклеотиды не прошли через клеточную мембрану. Однако те клетки, к которым добавили СНК, засветились на экране ярко-красной флуоресценцией. Сферы проникли внутрь! Как же это могло произойти? В целом клеточная мембрана строго регулирует, какие молекулы могут через нее пройти. Более того, и олигонуклеотиды, и поверхность клетки несут отрицательный заряд. Как два магнита, эти два биологических объекта должны отталкиваться друг от друга. Тем не менее когда мы воспроизвели наш эксперимент на 50 типах клеток человека и животных, во всех случаях, кроме одного, клетки светились красным, сигнализируя, что опыт прошел успешно. Сейчас, как нам кажется, мы знаем, через какие ворота проходят молекулы. Это фагоцитарные рецепторы, которыми усыпана поверхность клетки. Данные рецепторы играют важную роль во взаимодействии клетки с окружающей средой, когда, например, клетке нужно получить наноразмерные молекулы извне. Благодаря некоторым структурным особенностям окончания «игл» СНК похожи на естественные молекулы, которые связываются с этими рецепторами. Как мы уже писали, нити олигонуклеотидов упакованы в сфере очень плотно, а чем больше точек сцепления, тем прочнее связь, тот же принцип верен и для застежкилипучки. А если фагоцитарные рецепторы распознают одиночную нить олигонуклеотидов, силы сцепления не хватит и молекула просто уплывет прочь. С помощью электронного микроскопа мы смогли увидеть, что, когда СНК связываются с этими рецепторами, мембрана изгибается, формируя углубление, и СНК входят внутрь клетки.

Сферы как лекарство

Попасть внутрь клетки — пока только половина победы. Чтобы СНК работали в качестве лекарств, они должны найти, связать и блокировать определенные молекулы мРНК, которые несут инструкции по синтезу вредоносных белков. Первая мРНК, ставшая нашей мишенью, не имела отношения к болезням, она несла информацию о белке, который светится под микроскопом ярко-зеленым цветом. Нашей целью было

w w w.sci-ru.org

аблокировать эту мРНК. Когда мы добавили к мыз шиным клеткам с такой РНК подходящие комплементарные СНК, изменение цвета было заметным. Клетки, к которым не добавляли никаких сфер, светились ярким зеленым цветом, значит, у них с этой мРНК синтезировался белок. Но если к клеткам добавляли СНК, они становились прозрачными, следовательно, мы смогли заблокировать мРНК до того, как они передадут инструкции, необходимые для синтеза зеленого белка. Результаты были опубликованы в журнале Science в 2006 г. Затем мы занялись главной проблемой, с которой сталкиваются линейные олигонуклеотиды: взаимодействием с защитными системами организма. Оказалось, что на наших сферах за счет плотной упаковки молекул накапливается сильный электрический заряд, который помогает им избежать вмешательства иммунной системы. Сильный заряд мешает приблизиться защитным нуклеазам — белковым молекулам, которые разрушают чужеродные ДНК и РНК.

Настоящее испытание

Мы получили важные данные, но только в лаборатории. Другие исследователи независимо воспроизвели наши результаты и улучшили их. Среди них были дерматолог Эми Паллер (Amy Paller), эксперт по СМА Артур Бургес (Arthur Burghes), специалист по иммунотерапии Бин Чжан (Bin Zhang), биолог, изучающий рак, Алекс Стег (Alex Stegh), хирург-трансплантолог Джейсон Вертхайм (Jason Wertheim) и онколог Прия Кумтекар (Priya Kumthekar). Однако путь от лабораторных открытий к лечению пациентов долог и сложен, и примерно десять лет назад исследователи из нашей группы основали компанию Exicure для продвижения в клинику препаратов на основе СНК. Первоначально мы исследовали возможность доставки потенциальных лекарств к поврежденным тканям с помощью крема для кожи и глазных капель. Это было бы заметно лучше, чем инъекции, и вполне осуществимо, поскольку СНК легко поглощаются клетками. Мы выбрали два заболевания — псориаз и плохую заживляемость ран, и для них уже есть несколько перспективных кандидатов СНК, находящихся на стадии клинических испытаний. Несомненно, кожа — орган, до которого легко добраться. А вот мозг — нет. Он защищен бдительной иммунной системой и сетью сосудов, образующих барьер между кровью и мозгом (гематоэнцефалический), не допускающий проникновения чужеродных молекул. Все это сильно затрудняет лечение мозговых опухолей, в частности глиобластомы. Однако мы подумали, что СНК могут проходить через этот барьер с помощью тех же рецепторов, которые обеспечивают и проникновение через мембрану клетки. Попав в мозг, наши сферы

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

могли бы бить по раковым клеткам, нацеливаясь на гены и белки, отвечающие за поддержание клетки в жизнеспособном состоянии, которые раковые клетки производят в огромных количествах. Мы запустили проект, создав препарат СНК с множеством коротких фрагментов РНК, специально синтезированных так, чтобы выключать производство белка Bcl2L12 в глиобластоме. Данный белок работает как биохимический защитник, который помогает раковой клетке поддерживать свою жизнедеятельность. Мы решили, что, перехватив молекулы мРНК, которые командуют клеткам синтезировать этот белок, мы сможем сделать опухоль уязвимой для традиционного лечения. Так и получилось в исследовании на животных, которое мы опубликовали в журнале Science Translational Medicine в 2013 г. СНК достигли мозга мыши, пройдя через гематоэнцефалический барьер, и заблокировали синтез белка Bcl2L12 внутри клеток глиобластомы. В прошлом году первые клинические испытания показали, что у человека СНК также добираются до клеток глиобластомы. Мы не вылечили этих пациентов, и нам еще предстоит узнать, повышают ли СНК уязвимость раковых клеток. И все же способность СНК попадать в мозг без токсичного побочного действия вселяет надежду, что мы сможем вылечить эту форму рака, а также и другие неврологические расстройства, и закладывает фундамент для следующих клинических испытаний. А в экспериментах, проведенных на животных, получены многообещающие результаты для других заболеваний, таких как спинальная мышечная атрофия. Противораковая иммунотерапия — еще одно интересное направление применения СНК. У раковых клеток на мембране часто присутствуют белки, которых нет у обычных клеток организма. Такие белки могут служить опознавательным знаком, и если наша иммунная система обучена находить этот знак точно так же, как она может находить вирус гриппа, то наш организм лучше сможет защищать нас от рака. Для того чтобы сделать противораковую вакцину, мы заменили золотое ядро наночастицы на липосому — маленький полый пузырек, заполнили ее одним из таких опознавательных белков и ввели животным с соответствующим типом рака. Как показали некоторые из наших последних экспериментов, опубликованных в 2019 г. в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences USA, такие СНК вызывают немедленный иммунный ответ, направленный на опухоль. Видимо, они обучают иммунную систему находить клетки с опознавательными белками. И данный эффект оказался длительным: иммунная система продолжала атаковать раковые клетки, даже когда СНК были выведены из организма. В первых клинических испытаниях на человеке СНК показали свою

В мире науkи | [03] март 2020

эффективность и безопасность. Безопасность других СНК, нацеленных на смертельно опасный рак кожи, сейчас проверяется в отдельной серии экспериментов. В целом лечение СНК пока не было одобрено. Есть целый ряд вопросов, которые надо решить. В первую очередь, поскольку СНК проникают внутрь клеток, необходимо убедиться, что их действие не распространяется на другие «нецелевые» мРНК, даже если СНК сконструированы так, чтобы точно соответствовать только проблемным молекулам. Кроме того, надо провести испытания на большем числе пациентов и улучшить точность этих препаратов, чтобы в пораженные ткань или орган по падало большее количество СНК. Мы считаем, что способность СНК проникать в разнообразные ткани — это уникальное свойство, благодаря которому лекарства такого типа получат широкое распространение. СНК объединяет в себе три ключевых компонента: возможность синтезировать большое количество определенных олигонуклеотидов, понимание основ генетических заболеваний и возможность доставлять эти олигонуклеотиды в определенные ткани и клетки. Два первых компонента, безусловно, важны, но без третьего процесс можно сравнить с разработкой одного лишь программного обеспечения без аппаратного оборудования, на котором оно должно работать. СНК могут стать той ключевой и универсальной платформой, которую можно использовать при разных заболеваниях. Это позволит фармакологии отказаться от долгого и сложного поиска абсолютно новых препаратов для каждого лечения. В случае СНК требуется всего лишь сменить набор олигонуклеотидов для новой болезни. И сейчас мы уже вступили на этот путь.

Кристин Ларами (Christine Laramy) получила докторскую степень в области химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете, в настоящее время работает аналитиком в юридической фирме Latham and Watkins. Чад Миркин (Chad Mirkin) — директор Международного института нанотехнологий, профессор химии, профессор химической и биологической инженерии, профессор биомедицинской инженерии, профессор материаловедения и профессор медицины СевероЗападного университета. Основатель компании Exicure, разрабатывающей сферические нуклеиновые кислоты для использования их в качестве лекарственных препаратов. Кацпер Скакуж (Kacper Skakuj) — студент магистратуры химического факультета СевероЗападного университета.

ДНК для лечения ДНК Когда есть нарушенная ДНК и созданная на ее основе матричная РНК (мРНК), которые сообщают клетке, что ей делать, могут возникать болезни. Ученые могут синтезировать ДНК, которые будут специфически связываться с такими проблемными молекулами. Из синтезированных ДНК формируют сферические нуклеиновые кислоты (СНК), которые проникают в клетки и блокируют нежелательные молекулы.

Ядро наночастицы

НЕДОСТАТКИ ЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ

Первоначально использовали ДНК или РНК, организованные в виде привычных линейных цепочек. Это часто не работало, поскольку такие молекулы с трудом попадали внутрь клетки или разрушались иммунной системой. Дополнительные ограничения связаны с тем, что подобные цепочки обычно надо вводить непосредственно в пораженное место.

В основе СНК лежит ядро, часто сделанное из наночастицы липосомы. Вокруг ядра плотно закреплены специально синтезированные одноцепочечные нити ДНК.

Фиксатор Одноцепочечная ДНК Линейная форма (олигонуклеотид)

ПРЕИМУЩЕСТВО СФЕР

На поверхности СНК множество нитей ДНК формируют точки сцепления с фагоцитарными рецепторами клетки — ее «воротами». Линейные молекулы могут образовать только одну такую «зацепку». Поэтому сферы легче попадают внутрь клетки. Клетка-мишень

Переизбыток мРНК

БОЛЕЗНЬ ПРОДОЛЖАЕТСЯ

Ничто не препятствует молекулам РНК, связанным с заболеванием, передавать свои инструкции для синтеза нежелательного белка

Пойманная мРНК

Фагоцитарный рецептор

ПОМЕХА ЗАБОЛЕВАНИЮ

Нежелательные белки Традиционные лекарства действуют на готовые белки

w w w.sci-ru.org

Меньше нежелательных белков

Заданная последовательность нуклеотидов в СНК специфично связывается только с мРНК, вовлеченной в развитие заболевания, и игнорирует другие молекулы. Как только мРНК блокируется таким образом, она перестает предавать клетке команды о синтезе вредоносных белков.

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

В мире науkи | [03] март 2020

ДИАГНОСТИКА

Генетические тесты для младенцев Сегодня мы можем проверять новорожденных на тысячи генетических заболеваний, однако это не всегда полезно

Таня Льюис МИТЧЕЛЛ ГОРБИ ПОЯВИЛСЯ НА СВЕТ примерно в три часа дня 9 августа 2019 г. в Военно-морском госпитале в Сан-Диего. Ребенок выглядел здоровым, и его родители, Тиффани и Райлан, были в восторге. Но несколько часов спустя медсестра заметила, что Митчелл стал вялым и совсем не плакал, мониторы зафиксировали, что его тело получает недостаточно кислорода. Митчелла срочно поместили в отделение интенсивной терапии для новорожденных в близлежащей Детской больнице Рэди, где выяснилось, что кислород не связывался с гемоглобином и эритроциты умирали один за другим. Ребенок не брал грудь, поэтому в больнице ему вставили трубку для искусственного кормления. Врач Митчелла назначила КТ, сканирование мозга и анализы на инфекционные заболевания, но так и не смогла выяснить, в чем дело. В качестве последнего средства она предложила секвенировать геном Митчелла.

w w w.sci-ru.org

Результаты из лаборатории Стивена Кингсмора (Stephen Kingsmore) в Институте детской геномной медицины Рэди пришли через 48 часов. У Митчелла была редкая генетическая мутация гена гемоглобина, известная как Томс-Ривер, которая мешает кислороду связываться с белками в эритроцитах плода. Мутация получила свое название в честь города в Нью-Джерси, поскольку впервые она была выявлена в 2011 г. у пациента, родившегося в этом городе. Мутация влияет только на гемоглобин плода — уже через несколько месяцев у младенца начинает синтезироваться здоровый взрослый гемоглобин. Врачам надо всего лишь сделать так, чтобы Митчелл дожил до этого. Неонатолог из Детской больницы Рэди Джинн Кэрролл (Jeanne Carroll) говорит, что расшифровка всего генома позволила найти отправную точку для лечения. Она и команда лечащих врачей предписали серию переливаний крови, и ребенок резко пошел на поправку. Почти через месяц он был достаточно здоров, чтобы отправиться домой. Раньше для детей, которые, как Митчелл, рождались с генетическими заболеваниями, уходили годы на постановку диагноза, и к тому времени часто было уже слишком поздно. Однако сейчас благодаря ускорению генетического секвенирования и значительному снижению стоимости можно проверять ребенка на сотни и даже тысячи генетических заболеваний, проявляющихся в детском возрасте. В прошедшем году несколько десятков больниц начали предлагать быстрое секвенирование генома, чтобы помочь диагностике, если вскоре после рождения ребенок оказывается в тяжелом состоянии с угрозой для жизни. Изучается вопрос, нужно ли проводить такое т естирование к аждому

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

новорожденному как стандартную скрининговую процедуру. А такие компании, как Sema4 и BabyGenes, сейчас уже продвигают тесты непосредственно потребителю в стиле 23andMe, ориентируясь на родителей, которые просто хотят знать больше о здоровье своих детей. Ожидается, что рынок генетического секвенирования для плода и новорожденных вырастет с 4 млрд в 2018 г. до 11,2 млрд к 2027 г. Сторонники говорят, что генетическое тестирование новорожденных поможет в неотложных случаях диагностировать опасные для жизни заболевания, проявляющиеся в детском возрасте. Такой тест может обнаружить сотни и даже тысячи болезней, что на порядок больше, чем выявляют с помощью анализа крови, взятой из пятки, который делают всем младенцам, рожденным в США. Он также может подтвердить результаты этого анализа. Однако противники предупреждают, что генетические тесты могут принести больше вреда, чем пользы. Они могут пропустить некоторые заболевания, которые определяет пяточный тест, и выдать ложноположительный результат для других заболеваний, вызывая беспокойство и приводя к ненужным дополнительным анализам. Секвенирование ДНК детей поднимает также вопросы о получении согласия и о возможности генетической дискриминации. Несмотря на все эти опасения, генетическое тестирование новорожденных уже проводится и, вероятно, будет становиться только популярнее. Но достаточно ли эта технология точная, чтобы быть действительно полезной для большинства младенцев? И готовы ли семьи и общество к этой информации?

заболевания можно сегодня обнаружить с помощью анализа непосредственно ДНК, используя один из наиболее популярных коммерческих генетических тестов для новорожденных — Natalis от компании Sema4. Как и пяточные анализы крови, Natalis проверяет только на излечимые заболевания

В 1960-х гг. микробиолог Роберт Гатри (Robert Guthrie) разработал тест на фенилкетонурию (ФКУ), генетическое заболевание, вызывающее нарушение обмена аминокислоты фенилаланина в организме. ФКУ с легкостью купируется диетой без фенилаланина, но без вмешательства болезнь вызывает повреждения мозга и умственную отсталость. В последующие несколько лет разные штаты начали требовать, чтобы новорожденным проводился тест Гатри. Вскоре появились тесты на другие заболевания. К середине 1980-х гг. в большинстве штатов были обязательные программы скрининга. В 2002 г. правительство отправило в Американский колледж медицинской генетики запрос на разработку руководства по скринингу новорожденных, в итоге была создана рекомендованная универсальная программа скрининга — список из 35 основных заболеваний и 25 дополнительных излечимых. В большинстве штатов сейчас тестируют на набор этих заболеваний.

генов, каждый из которых связан с каким-то детским заболеванием, проверяли в исследовании BabySeq. В ходе исследования смотрели на участки ДНК, связанные с излечимыми заболеваниями, на гены, влияющие на чувствительность к лекарствам, и на гены, которые не повлияют на здоровье конкретного ребенка, но могут передать болезнь будущим поколениям

В мире науkи | [03] март 2020

генетических заболеваний можно обнаружить с помощью анализа крови новорожденных, проводимого в большинстве штатов. Этот анализ определяет фрагменты белков или других молекул, связанных с поддающимися лечению генетическими заболеваниями

193

1514

Сегодня известно примерно 14 тыс. генетических заболеваний человека, некоторые из них проявляются в детском возрасте, такие как ФКУ и врожденные пороки сердца, другие значительно позже, как болезнь Хантингтона и наследуемые формы рака. Некоторые детские болезни, такие как ФКУ, поддаются лечению, если были рано диагностированы. Пяточный тест позволяет выявить только очень малую долю этих заболеваний, отсюда и возникает привлекательность генетического тестирования. В начале 2010-х гг. исследователи из Национального института детского здоровья и человеческого развития и Национального института исследования человеческого генома запустили программу, названную NSIGHT (сокращение от Newborn Sequencing in Genomic Medicine and Public Health — «Генетическое секвенирование новорожденных в геномной медицине и здоровье населения») для исследования рисков и преимуществ ДНК-скрининга новорожденных. Лаборатория Кингсмора из института Рэди возглавила один из четырех проектов, спонсируемых NSIGHT, в котором изучалось использование ускоренного полногеномного секвенирования у тяжелобольных новорожденных при подозрении на генетическое заболевание. Обычное секвенирование может занять недели, но при использовании метода ускоренного секвенирования и программ, которые сопоставят геном с характеристиками болезни пациента, команда Кингсмора получает генетический диагноз за день-два. Для этих младенцев часы или дни могут оказаться гранью между жизнью и смертью. Первое из двух исследований, проведенных Кингсмором, проходило с 2014 г. до 2016 г. в Детской больнице милосердия в Канзас-Сити. Второе длилось с 2017 г. по 2019 г. в Детской больнице Рэди. В прошлом году лаборатория начала предлагать секвенирование новорожденных в 23 больницах по всей стране, и конгрессмены из Калифорнии внесли федеральный законопроект о покрытии стоимости секвенирования для младенцев, находящихся в критическом состоянии, из средств программы страхования Medicaid. По состоянию на ноябрь 2019 г. Кингсмор и его коллеги секвенировали ДНК более 1,1 тыс. младенцев с подозрением на генетические заболевания. Примерно каждый третий из них получил диагноз, и у каждого четвертого в результате изменилось лечение. Митчелл Горби был одним из тех, чьи геномы были секвенированы в больнице Рэди (но не в рамках программы NSIGHT ). Неонатолог Кэрролл сказала, что информация «помогла нам

«Каждый раз когда у вас есть возможность узнать о здоровье своего ребенка, появляется повод для волнения» Натали, родительница, участвующая в исследовании BabySeq

w w w.sci-ru.org

б олее уверенно назначить ему больше переливаний и воздержаться от других тестов». Возможно, Митчелл выжил бы и перерос возраст действия заболевания без теста и диагноза. Но в других случаях секвенирование, скорее всего, спасало жизни. «Более того, оно, возможно, значительно упростило бы диагностическую одиссею, которую приходится проходить таким детям», — говорит Кингсмор. Тяжелобольные младенцы — не единственные, кто может получить пользу от генетического тестирования. В другом проекте в рамках NSIGHT изучали возможность использовать секвенирование в медицинских учреждениях для скрининга новорожденных без заметных признаков б олезни. Для этого проекта, названного BabySeq, Роберт Грин (Robert Green) из Больницы «Бригам энд Уименс», Алан Бэггс (Alan Beggs) из Гарвардской медицинской школы и их коллеги набирали семьи и случайным образом назначали младенцам из половины семей геномное секвенирование. Ученые разработали список из примерно 1,5 тыс. генов, которые имеют тесную связь с болезнями, начинающимися в детстве или в подростковом возрасте, а затем сообщили всю информацию об этих генах родителям. Их целью было провести наиболее всестороннюю проверку — увидеть все связанное с рисками генетического тестирования, что только можно обнаружить. В прошлом январе исследователи сообщили о секвенировании геномов 159 новорожденных, в основном здоровых, но также было несколько больных из отделения интенсивной терапии. Ученые обнаружили, что 9,4% из здоровой группы имели риск развития детских заболеваний, о которых не было известно из медицинской или семейной истории, и 88% были носителями рецессивных заболеваний.

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Итак, сочли ли родители, что тестирование было полезным? У матери по имени Натали, попросившей не называть ее фамилии для сохранения конфиденциальности, есть сын, записанный в программу BabySeq. Натали — врач и живет в Вашингтоне. Она признает, что переживала по поводу тестирования. «Если у вас появляется возможность узнать о здоровье своего ребенка, появляется причина для беспокойства», — говорит она. Но в целом они с мужем довольны проектом. «Поскольку ищут только генетические нарушения, которые проявляются в детстве, и только такие, для которых есть профилактические меры, нам кажется, что это может быть потенциально полезно», — говорит Натали. К счастью, по результатам анализов у ее сына Расселла не выявили никаких детских генетических заболеваний. Тесты показали, что он может быть носителем рецессивного метаболического расстройства, называемого болезнь Гоше, однако при секвенировании этого гена особенно часто получается ошибочный результат, поэтому понадобятся дополнительные исследования для подтверждения. Другим семьям преимущества секвенирования более очевидны: у одного ребенка нашли заболевание, пропущенное стандартным скринингом, которое лишает тело возможности перерабатывать витамин биотин; при отсутствии лечения это может вызвать кому и смерть, но проблема легко исправляется специальными добавками к пище. Несмотря на то что BabySeq изначально фокусировался только на заболеваниях, проявляющихся в детском возрасте, у одного из младенцев в исследовании был обнаружен вариант гена BRCA2, который ассоциирован с высоким риском рака груди и других видов рака, поэтому исследователи спросили у родителей, хотят ли они получить информацию о рисках заболеваний, развивающихся во взрослом возрасте. Натали и ее муж предпочли не получать эту информацию, но сказали, что оставят выбор за Расселлом, если он захочет пройти тестирование, когда будет старше. «Мы чувствовали, что такое решение должен принять наш сын», — говорит Натали. Из-за своих сложности и цены BabySeq никогда не предполагался как возможное дополнение к стандартному скринингу новорожденных. «Мы не пытались продвигать его в клиническую практику», — говорит Грин из Больницы «Бригам энд Уименс». Но секвенирование генома уже больше не ограничено медицинскими учреждениями. Некоторые компании сегодня предлагают ДНК‑тесты для новорожденных непосредственно населению. Компания Sema4 продает за $379 тест, который, как утверждается, проверяет на более 190 генетических заболеваний, проявляющихся до десяти

В мире науkи | [03] март 2020

лет и излечимых с помощью лекарств, диет или другого вмешательства. Компания предоставляет родителям результаты во время генетического консультирования через четыре-шесть недель после теста. Директор Sema4 Эрик Шадт (Eric Schadt) говорит, что тест может определить варианты генов, связанные с болезнью, с вероятностью 99%. Sema4 сообщает только о тех болезнях, у которых пенетрантность (частота случаев заболевания при наличии именно этого варианта гена) составляет более 80%. Sema4 сообщает также о чувствительности ребенка к определенным лекарствам, хотя FDA в последнее время давит на компании, чтобы они не предоставляли такую информацию, потому что, по словам управления, оно не проверяло эти тесты и они могут быть не подтверждены клинически. Другая компания, BabyGenes, предлагает тест, который проверяет 100 генов на более чем 72 заболевания. Тест проводится в виде анализа соскоба с внутренней поверхности щеки либо капли крови и стоит $349. Шадт признает, что в Sema4 не знают, приносит ли предлагаемое тестирование пользу пациентам, хотя, по его словам, компания проводит исследования для выяснения этого вопроса. Есть причины для сомнений. Точность определения болезней с помощью тестов еще не очень высока. В третьем проекте NSIGHT, которым руководят Дженнифер Пак (Jennifer Puck), Барбара Кениг (Barbara Koenig) и Пуи Ян Квок (Pui-Yan Kwok) из Калифорнийского университета в СанФранциско, исследователи секвенировали ДНК сухих капель крови новорожденных, оставшихся после пяточного теста (в Калифорнии данный тест проводят с начала 1980-х гг.). Хотя секвенирование выявило отдельные генетические заболевания, которых нет в стандартном списке для скрининга, оно пропустило некоторые из тех, которые стандартный скрининг определяет. Было обнаружено также множество генетических вариантов, значение которых непонятно. Пак говорит: «Скрининг новорожденных значительно отличается от ситуации, когда перед тобой находится больной младенец, которому ты пытаешься подобрать диагноз». Однако если комбинировать ана лиз ДНК со стандартным скринингом, то количество ложноположительных результатов уменьшится. По мнению Пак, секвенирование может быть дополнением к стандартному скринингу в случае ненормального результата, но она не думает, что его стоит использовать для всех здоровых детей. «Мы просто пока еще не можем интерпретировать последовательность генома с достаточной прогностической значимостью, чтобы уверенно утверждать, есть болезнь или нет», — отмечает она.

Еще один вопрос, который волнует врачей и экспертов по медицинской этике, — это вероятность, что генетическое тестирование вызовет ненужное беспокойство родителей о болезнях, которые могут проявиться в более позднем возрасте или не появиться совсем. «Когда дело касается генетической информации о собственном ребенке, многие люди не в состоянии правильно интерпретировать значение результатов», — говорит Нита Фарахани (Nita Farahany), профессор права и философии Школы права Дюкского университета, эксперт в области генетики и биоэтики. «Если им сказали, что у их ребенка риск [развития какого-либо заболевания] в четыре раза больше, чем обычно, а средний риск по популяции 1%, то как им взаимодействовать со своими детьми?» В США уже сейчас не хватает генетических консультантов, поэтому будет недостаточно людей, способных объяснить родителям результаты генетических тестов их детей. Возникнет и вопрос приватности. Если генетическая информация ребенка хранится в виде файла, у кого есть к нему доступ? Если информация становится публичной, это может привести к дискриминации работодателями или страховыми компаниями. Закон о запрете генетической дискриминации, принятый в 2008 г., запрещает подобную дискриминацию. Но закон не распространяется на работодателей, у которых менее 15 сотрудников, и не касается страхования в случае долговременного ухода, смерти или инвалидности. Его действие не распространяется также на людей, устроенных на работу и застрахованных по военной системе страхования Tricare, таких, например, как Райлан Горби. Когда геном его сына был секвенирован, исследователи получили разрешение секвенировать также и геном Райлана, чтобы определить, был ли он носителем редкой мутации гемоглобина. Поскольку это заболевание проявляет себя только в детстве, Горби решил, что риск возможной дискриминации невелик и не перевешивает пользу от прохождения теста. Секвенирование в клинике стоит от $500 до $800, а интерпретация может быть дороже $1 тыс. Семьям, которые не могут позволить себе медицинское страхование, такая стоимость не по карману. Некоторые эксперты высказывают опасения, что генетическое тестирование может привести к множеству последующих обследований специалистами, что перегрузит систему здравоохранения, которой и так уже не хватает ресурсов. Если секвенирование в долговременной перспективе окажется выгоднее, то страховые компании покроют расходы. Еще одна проблема заключается в том, что большинство секвенирований генома на сегодня были сделаны в белых семьях с высоким доходом. Возникают опасения, что эта процедура может стать

w w w.sci-ru.org

достоянием только привилегированных слоев. И расовая однородность может исказить результаты: болезни, более распространенные среди белых, могут быть лучше представлены в списках тестов, чем болезни, распространенные среди расовых меньшинств. В новых проектах по изучению медицинских данных исследователи намереваются решить проблему такого неравенства (подробнее см. в статье «Все мы» на с. 88). В рамках проекта NSIGHT в Калифорнийском университете в Сан-Франциско работала группа, изучавшая этические и политические проблемы, которая в 2018 г. представила свой доклад в Гастингс-центре, некоммерческом институте био этики в Гаррисоне, штат Нью-Йорк. В докладе был сделан вывод, что секвенирование генома новорожденных может быть очень полезно при постановке диагноза больным младенцам и позволяет выявить больше заболеваний, чем существующий скрининг. Но использование секвенирования генома в качестве замены скринингу новорожденных, по словам авторов, «в лучшем случае преждевременно», а секвенирование с предоставлением результатов напрямую потребителю не следует использовать в диагностических или скрининговых целях. Барбара Кениг, профессор медицинской антропологии и биоэтики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и один из соавторов доклада, подчеркивает, что хотя секвенирование многообещающе, оно еще недостаточно полноценно для того, чтобы планово использоваться в скрининге здоровых детей. «Эта технология не готова к широкому применению на здоровых младенцах», — говорит Кениг. Несмотря на эти сомнения, эра секвенирования новорожденных уже наступила, и применение секвенирования, вероятно, будет расширяться, поскольку цены снизятся, а результаты станут более точными и полезными. В то же время риски и преимущества секвенирования должны взвешиваться отдельно для каждого. Ситуации с тяжелобольными младенцами принципиально отличаются от тех, когда у внешне здорового ребенка имеются обеспокоенные родители, восприимчивые к маркетингу фирм, предлагающих генетические тестирования. В случае Митчелла Горби секвенирование одно значно себя оправдало. Покинув больницу, через два месяца он хорошо себя чувствовал и удвоил свой вес. Его родители привыкают к новому режиму дня, немного недосыпают, но они счастливы быть дома со своим здоровым сыном.

Таня Льюис (Tanya Lewis) — помощник редактора по тематике здоровья и медицины в Scientific American.

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Достижения генетической терапии После нескольких фальстартов препараты, влияющие на гены, наконец смогут изменять жизни людей

Джим Дэли ВПЕРВЫЕ ИДЕЯ об использовании в медицине генной терапии, то есть замены мутировавшего болезнетворного гена на здоровый, была опубликована в 1972 г. После многолетних спорных результатов, неудач в лечении и нескольких смертей в ходе экспериментальных испытаний первый препарат генной терапии для одного из видов рака кожи был одобрен в Китае в 2003 г. Однако остальной мир не был убежден в его полезности, и в США одобрили один из подобных препаратов только в 2017 г. С тех пор темпы согласования значительно ускорились. Было одобрено по меньшей мере девять препаратов генной терапии для определенных видов рака, некоторых вирусных инфекций и нескольких наследственных заболеваний. Появились препараты, которые блокируют работу дефектных генов, используя цепочки ДНК или РНК. Введение генов в клетку

Такие препараты используют безвредный вирус для переноски полезного гена внутрь клеток, затем вирус вставляет ген в существующий геном и влияние вредоносной мутации в другом гене прекращается. «ГЕНДИЦИН». Китайские органы государственного регулирования одобрили в 2003 г. первую коммерчески доступную генную терапию для лечения одной из форм рака кожи — плоскоклеточной карциномы головы и шеи. «Гендицин» — вирус, созданный для переноски гена, несущего инструкции для синтеза белка, борющегося с опухолями. Вирус вставляет ген в клетки опухоли, заставляя их увеличивать экспрессию генов, подавляющих работу опухоли, и факторов иммунного ответа. Этот препарат все еще ожидает одобрения в США.

В мире науkи | [03] март 2020

«ГЛИБЕРА». Первый препарат генной терапии, одобренный в Евросоюзе, лечил дефицит липопротеинлипазы — редкое наследственное заболевание, которое может привести к тяжелому панкреатиту. Препарат вставляет ген липопротеинлипазы в мышечные клетки. Но из-за того что это заболевание проявляется у очень малого числа пациентов, препарат оказался убыточным. К 2017 г. производитель отказался продлевать регистрацию препарата; «Глибера» ушла с рынка. «ИМЛИГИК». Препарат был одобрен в Китае, США, ЕС для лечения меланомы у пациентов с рецидивом поражения кожи после первой операции. «Имиглик» — это генетически модифицированный вирус. Непосредственно в опухоль с помощью вирусного вектора вводится ген, который реплицируется и запускает синтез белка, стимулирующего иммунную систему убить раковые клетки. «КИМРАЙА». Препарат, разработанный для пациентов с В-клеточным острым лимфобластным лейкозом — видом рака, поражающим лейкоциты у детей и подростков. «Кимрайа» был одобрен в США в 2017 г. и в ЕС в 2018 г. Препарат вставляет новый ген в Т-лимфоциты пациента, давая им возможность находить и убивать раковые клетки. «ЛУКСТУРНА». Препарат, одобренный в США в 2017 г. и в ЕС в 2018 г., предназначен для лечения редкой формы наследственной слепоты, которая называется «ретинальная дистрофия, связанная с биаллельной мутацией в гене RPE65». Эта болезнь имеется примерно у 1–2 тыс. пациентов в США, у которых мутация присутствует в обеих копиях этого гена. «Лукстурна» доставляет нормальную копию RPE65 в клетки сетчатки пациентов, позволяя им синтезировать белок, необходимый для превращения света в электрические сигналы, и таким образом восстанавливает зрение. «СТРИМВЕЛИС». Каждый год в Европе диагностируют около 15 случаев тяжелого иммунодефицита, вызванного редким наследственным заболеванием — дефицитом аденозиндиаминазы (АДА). Организм этих пациентов не может синтезировать фермент АДА, который необходим для здоровья лейкоцитов. «Стримвелис» одобрен в ЕС в 2016 г. Для лечения ген, ответственный за синтез АДА, вводят в стволовые клетки, взятые из костного мозга пациента. Затем эти клетки возвращают в кровоток, по которому они перемещаются в костный мозг и начинают производить нормальные белые кровяные клетки, способные синтезировать АДА. «ЕСКАРТА». Разработана для лечения В-круп ноклеточной лимфомы, была одобрена в США в 2017 г. и в ЕС в 2018 г. Сейчас препарат п роходит

клинические испытания в Китае. В-крупноклеточная лимфома поражает белые кровяные клетки — лимфоциты. При лечении используется подход, известный как CAR-T-клеточная терапия. С помощью вируса в Т-лимфоциты пациента внедряют ген, кодирующий белок химерных антигенных рецепторов (CAR). Когда эти клетки возвращают в организм пациента, CAR помогают им атаковать и убивать раковые клетки в кровотоке. «ЗОЛДЖЕНСМА». В мае 2019 г. в США одобрено использование «Золдженсмы» для детей младше двух лет со спинальной мышечной атрофией, нейромышечным заболеванием, от которого страдает примерно 1 из 10 тыс. человек по всему миру. Это одна из лидирующих генетических причин младенческой смертности. «Золдженсма» вставляет здоровую копию человеческого гена SMN-белка в мотонейроны пациента при однократном применении лекарства. «ЗИНТЕГЛО». Получивший одобрение в ЕС в мае 2019 г. «Зинтегло» лечит бета-талассемию — заболевание крови, при котором снижается способность синтезировать гемоглобин (железосодержащий белок в эритроцитах) и возникает опасная для жизни анемия. Препарат был одобрен для пациентов 12 лет и старше, которым требовались регулярные переливания крови. С помощью вируса в стволовые клетки, взятые у пациента, вводят здоровые копии гена для синтеза гемоглобина. Затем эти клетки возвращаются в кровоток и транспортируются в костный мозг, где они начинают создавать здоровые эритроциты, способные синтезировать гемоглобин.

Вмешательство в работу генов

При этом подходе используют специально синтезированные нити РНК или ДНК (олигонуклеотиды), которые, попадая в клетки пациента, могут прикрепиться к специфичному гену или соответствующей ему мРНК, эффективно инактивируя их. Некоторые типы лечения используют антисмысловой метод, названный в честь одной из цепей ДНК, а другие используют маленькие цепочки РНК, которые блокируют мРНК с инструкциями, идущие от гена к месту синтеза белка. «ДЕФИТЕЛИО». Этот препарат содержит смесь одноцепочечных олигонуклеотидов, полученных из слизистой оболочки кишечника свиней. Он был одобрен

w w w.sci-ru.org

(с ограничениями) в США и ЕС в 2017 г. для лечения тяжелых случаев веноокклюзивной болезни. Это заболевание, при котором у пациентов, перенесших трансплантацию костного мозга, происходит обструкция венул в печени. «ЭКСОНДИС 51». В 2016 г. в США одобрено использование «Эксондис 51», несмотря на разногласия относительно его эффективности; два члена экспертной группы FDA подали в отставку в знак протеста против этого решения. Предназначен для лечения одной из форм мышечной дистрофии Дюшенна. Воздействует на мутантную РНК, кодирующую белок, который помогает присоединять цитоскелет мышечных волокон к внеклеточному матриксу. «Эксондис 51» эффективно вылечивает примерно 13% больных. «КИНАМРО». Одобренный в США в 2013 г. «Кинамро» был разработан для подавления или эффективного снижения синтеза белка, который участвует в производстве липопротеинов низкой плотности (ЛПНП). Этот препарат вводится под кожу и используется для снижения уровня ЛПНП у пациентов с опасно высоким уровнем холестерина. «МАКУГЕН». Возрастная макулодистрофия выступает одной из основных причин потери зрения у людей старше 60. Она вызвана ухудшением состояния центра сетчатки из-за подтекания кровеносных сосудов. Одобренный в США «Макуген» блокирует врастание этих сосудов под сетчатку, таким образом вылечивая заболевание. «СПИНРАЗА». Получив в 2016 г. одобрение FDA, «Спинраза» стала первой генной терапией для спинальной мышечной атрофии. Это наследственное заболевание, вызванное низким уровнем SMN, ключевого белка, необходимого для поддержания работы мотонейронов. «Спинраза» связывается с мРНК-копией «резервного» гена SMN2, превращая эту мРНК в инструкцию для синтеза нормально функционирующих белков.

Джим Дэли (Jim Daley) — внештатный журналист из Чикаго.

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

В мире науkи | [03] март 2020

БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ

Все мы Чтобы избежать неравенства, генная терапия должна учитывать многообразие меньшинств, и для этого создан большой генетический проект

Стефани Девани КОГДА ПРИМЕРНО 20 ЛЕТ НАЗАД гонка «кто первый секвенирует полный геном человека» подошла к финишу, я была совершенно заворожена происходящим. Начиналось новое столетие, и казалось — еще чуть-чуть, и мы узнаем про жизнь все, что записано в ДНК. Я была тогда студенткой, очарованной наукой, и думала, что как только мы выстроим в линию все 3,1 млрд пар оснований, составляющих наш геном, так сразу поймем все, что нам нужно знать о человеческом здоровье и болезнях. В то первое десятилетие я даже не подозревала, как много людей осталось за бортом генетической медицины. Поэтому через несколько лет, сразу после того как защитила диссертацию в области молекулярной генетики, я была поражена, когда исследователи из Дюкского университета объявили, что 96% данных по геному получено от людей европейского происхождения. Это не было эффектом малых чисел. Это была доля

w w w.sci-ru.org

от 1,7 млн индивидуальных геномов, проанализированных к тому времени. Разнообразие было очень низким. За несколько последующих лет ситуация не стала лучше, и только четыре года назад баланс начал восстанавливаться. Но европейцы все еще представлены значительно лучше, чем кто-либо еще. Такое неравенство, если его не исправить, приведет к неравенству и в здравоохранении. Сейчас все больше и больше людей узнают о причинах своих заболеваний потому, что врачи могут найти эту информацию в геноме. Существуют сотни лекарств, которые учитывают вашу генетическую информацию, поскольку гены влияют на то, как препарат будет действовать на организм. А знание генетических особенностей позволит врачам лучше подобрать необходимую дозу. Кроме того, чем больше мы узнаем сейчас о генетических факторах разных форм рака, тем проще врачам будет их диагностировать и лечить в будущем. Однако если вы не белый мужчина, то у вас будет другой набор генов и вам может не подойти такой способ лечения. Например, астма в США чаще всего встречается у афроамериканцев и латиноамериканцев, однако, по данным исследований, обычные ингаляционные лекарства не помогают им так же хорошо, как белым американцам. Азиатам опаснее принимать противосудорожный препарат карбамазепин: это может привести к серьезным последствиям, в том числе и смерти. Никто из тех, кто разрабатывал или назначал эти препараты в самом начале их использования, не мог предугадать подобные проблемы. Если ДНК — действительно один из важных факторов при поиске более эффективного

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Неравенство в генетических исследованиях По состоянию на 2018 г., чтобы установить связь между генами и риском заболевания, ученые уже провели сотни исследований, которые называются полногеномным поиском ассоциаций (genome-wide association studies, GWAS), где изучили ДНК тысяч разных людей. Однако в этих исследованиях расы были представлены неравномерно. Среди всех участников 78% были белыми европейского происхождения, и лишь 2% имели африканское и 1% — латиноамериканское происхождение. Эти исследования в основном сконцентрированы на европейской части популяции и реже на других. Поэтому в таких работах редко попадается генетический вариант, который может быть связан с тем или иным заболеванием у неевропейской части населения. Из-за такой неполноты данных трудно анализировать и понимать значение разных генетических вариантов.

Доля (%)

Расовые группы в опубликованных исследованиях по поиску ассоциаций 100

Отдельные люди

Исследования* Не указано Сложное, но не европейское Сложное, в том числе европейское

Большой Ближний Восток / Коренные американцы / Океания Другое и смешанное Латиноамериканцы

Африканцы 70

Другие азиаты

Восточноазиаты

Европейцы

Подходящий момент

* Эти столбики показывают долю исследований, в которых было представлено соответствующее происхождение. В каталоге GWAS содержатся только работы, опубликованные на английском языке.

ечения, то нам надо решить проблему л с разнообразием в генетических данных. Я надеюсь, что этому поможет исследовательская программа «Все мы» (All of Us), которой я занимаюсь. Она была запущена в 2018 г. Национальными институтами здравоохранения. Мы просим более миллиона людей из разных групп присоединиться к нашему проекту в качестве не просто объектов, но партнеров по исследованию, которые будут делиться с нами полной медицинской информацией на протяжении всей жизни. У нас уже есть 250 тыс. участников. Более 51% из них представляют расовые и этнические меньшинства, более 10% — сексуальные и гендерные меньшинства, а в целом более 80% участников относится к тем группам, которые раньше были недостаточно представлены в исследованиях. Людям, которые хотят присоединиться к программе, надо зайти на наш сайт (www.joinallofus.org) и кликнуть на «Присоединиться сейчас» (Join Now). Согласившись участвовать, люди могут предоставить нам информацию из своих медицинских карт, заполнить различные опросники о здоровье и образе жизни, а также поделиться другими показателями: например, можно синхронизировать данные своего фитнес-браслета с нашей программой. У нас есть сотни регистрационных точек в местных больницах и центрах здоровья по всей стране, где участники могут сдать кровь и мочу, чтобы исследователи могли изучить их ДНК. Мы надеемся, что эти люди останутся с нами на протяжении десяти лет или даже больше, потому что по мере развития проекта мы постоянно предлагаем участникам новые способы узнать о себе и внести свой вклад в исследование.

В мире науkи | [03] март 2020

Во многом такое сотрудничество участников и исследователей связано с развитием технологий. Первое секвенирование человеческого генома обошлось в $1 млрд. Сегодня подобная задача решается за сутки и стоит менее $1 тыс. Стало легче объединить эту информацию и другие важные медицинские сведения. Организации здравоохранения начали переводить бумажные карты своих пациентов в электронный формат. По состоянию на 2017 г. сертифицированную электронную систему записи использовали 96% больниц в США и 80% врачей, принимающих амбулаторно. Новые приложения для смартфонов и других устройств, таких как «умные» часы, позволяют собирать данные

w w w.sci-ru.org

Неравенство компенсировано В новом проекте точной медицины «Все мы» участвуют большие группы той части населения, которая была плохо представлена в предыдущих генетических исследованиях. Эта программа, финансируемая Национальными институтами здоровья, начала набирать участников в 2018 г. К октябрю 2019 г. их было уже больше 250 тыс., среди которых более 20% были афроамериканцами или африканцами, около 18% — латиноамериканцами и испанцами, около 3% — азиатами и 6,7% — смешанных рас. Чуть меньше половины — белые. Цель проекта — собрать генетические данные и другие показатели здоровья более чем у 1 млн человек.

Доля участников*

непосредственно от человека и практически из любой точки мира. Эти достижения упрощают процесс сбора, хранения и обработки большого объема данных для поиска ответов на вопросы о причинах и последствиях разных заболеваний. С другой стороны, подобные тенденции порождают большие и важные вопросы о приватности. Для такого проекта, как наш, очень важно иметь надежную защиту и полную прозрачность для участников. Еще очень важно относиться к этим людям как к партнерам. В прошлом такие действия медицинских исследователей, как исследование сифилиса в Таскиги, где ученые обманули группу больных сифилисом афроамериканцев, оставив их без адекватного лечения, или широкое использование клеток линии HeLa, которые были взяты у пациентки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks) без ее ведома и разрешения, подорвали доверие меньшинств. Люди хотят видеть, как продвигается исследование с ними, а не о них. Чтобы преодолеть недоверие, мы используем новую модель работы, основанную на сотрудничестве испытуемых и исследователей с учеными степенями. Участники входят в состав консультативных и руководящих советов, рабочих и целевых групп. Мы сотрудничаем и советуемся также с местными организациями здравоохранения, больницами и общественными группами, которые помогают нам найти участников исследования. Такое объединение не часто встречается в крупных медицинских проектах, и мы еще учимся, как лучше это организовывать. Есть несколько исследований, которые мы использовали в качестве примера, чтобы заложить базу для развития желаемых долговременных отношений, исследований, которые меняют медицину к лучшему. В частности, таково Фремингемское исследование сердца, которое началось в 1948 г. на 5 тыс. преимущественно белых мужчин и женщин в одном городке в штате Массачусетс. 99% из них продолжают участвовать в исследовании и по сей день. По мере того как участники из года в год предоставляют данные, исследователи могут наблюдать, как меняется состояние их сердец с течением времени. В этом исследовании были выявлены такие факторы риска, как высокое кровяное давление, высокий уровень холестерина, курение и ожирение. Это настолько вошло в наши коллективные представления о здоровье, что к ажется очевидным.

Белые

30 Афроамериканцы и африканцы 20

Латиноамериканцы и испанцы

Более чем одна раса/национальность Другие †

Азиаты Не указано

* Состояние на 9 октября 2019 г. Испытуемым было предложено выбрать все подходящие категории. † Эта группа включает в себя следующие категории: американские индейцы или коренные жители Аляски; люди средневосточного или североафриканского происхождения; коренные гавайцы или жители других тихоокеанских островов; ничего из перечисленного.

[03] март 2020 | В мире науkи

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Дальнейший путь

Такие медицинские открытия мы планируем увидеть и в нашем проекте, но хотим пойти еще дальше — чтобы у нас были не только белые участники, но и все возможное многообразие людей. Мы не планируем ограничиваться расовыми ярлыками, за которыми могут скрываться очень разные группы. Если мы разберемся в первопричинах нашего здоровья и болезней, то поймем, в чем наши сходство и различия. Например, есть серповидно-клеточная анемия — болезнь, возникающая, если человек унаследовал два мутантных гена гемоглобина, белка, переносящего кислород. Ею болеют 100 тыс. афроамериканцев и более 20 млн человек по всему миру. С другой стороны, серповидно-клеточная аномалия, возникающая, если мутация есть только в одном гене гемоглобина, дает людям определенные преимущества, делая их устойчивыми к малярии. Это имеет смысл, если ваши предки жили в Африке, где бушует малярия. Однако новые исследования показывают, что серповидно-клеточная аномалия — не такая безобидная, как считалось ранее, она увеличивает риск болезни почек. Некоторые афроамериканцы более подвержены такому риску, а некоторые менее. Нам еще предстоит узнать, почему это так и как взаимодействие разных вариантов генов влияет на здоровье людей с серповидно-клеточной аномалией. Информация, полученная из ДНК миллиона участников проекта «Все мы», поможет ученым узнать намного больше о таких сложных признаках, как этот. Мы должны начать с широких категорий, чтобы набрать достаточно людей, среди которых можно будет разглядеть более мелкие группы. Сейчас мы уже даже перевыполнили нашу задачу. Например, в США 13% граждан — афроамериканцы, однако в предыдущих геномных исследованиях их было всего 3%. Среди участников нашего проекта афроамериканцев уже 21,5%. Аналогично с латиноамериканцами: среди жителей США их 18%, но в базе геномных данных — менее 1%. Среди участников проекта «Все мы» латиноамериканцев 17,6%. Такое разнообразие поможет больше узнать, как ДНК влияет на здоровье у представителей разных сообществ, однако мы обращаем внимание не только на эту молекулу. Когда речь идет о заболеваниях, помимо генов важную роль играют еще многие другие факторы. Мы знаем, что на здоровье влияют место вашего рождения, ваша

В мире науkи | [03] март 2020

еда, испытываемый стресс и другие клинические и биологические факторы, но мы не знаем в какой степени. Если мы посмотрим на некоторые наиболее распространенные в популяции хронические заболевания, такие, например, как гипертония, то увидим, что многие из них непропорционально сильно поражают людей, находящихся в социально или экономически уязвимом положении. И в данный момент можно уверенно говорить, что ни раса, ни национальность сами по себе не становятся определяющим фактором. На риск возникновения заболевания влияют состав семьи, социоэкономический статус, такие факторы стресса, как травма, половое и гендерное неравенство, наличие полноценного питания, доступность врачебной помощи и многие другие обстоятельства, которые можно оценить по данным, полученным в проекте «Все мы». В ближайшие несколько лет нам надо сопоставить обширную информацию об участниках с их геномными данными. Как только это будет сделано, мы вместе — ученые, участники проекта «Все мы» и все вы — получим более ясное представление о том, как гены и окружающая среда влияют на развитие болезней и, главное, что с этим можно сделать.

Стефани Девани (Stephanie Devaney) — молекулярный генетик, заместитель руководителя исследовательской программы Национальных институтов здоровья «Все мы» (All of Us). Была ведущим сотрудником в Инициативе Белого дома в сфере точной медицины. Перевод: М.С. Багоцкая

СПЕЦРЕПОРТАЖ

ScientificAmerican.com/ InnovationsIn/dna-drug-revolution

ОБ АВТОРЕ

Кристоф Кох (Christof Koch) — начальник научного отдела и президент Института Аллена по исследованию мозга, научный консультант журнала Scientific American.

Пруст среди машин СОЗНАН И Е

Уровень компьютерного интеллекта может приблизиться к человеческому уже на нашем веку. Но смогут ли компьютеры осознанно воспринимать окружающий мир? Кристоф Кох

Вот две цитаты в качестве наглядного примера: «С тех пор как в конце 1940-х гг. произошел последний большой прорыв в области искусственного интеллекта, ученые всего мира искали способы его использования для совершенствования технологий, чтобы выйти за рамки того, чего может достичь сегодня самая сложная программа искусственного интеллекта». «Даже сейчас идут исследования, чтобы выяснить, что новые программы искусственного интеллекта смогут делать, оставаясь в рамках текущего уровня интеллекта. Большинство программ ИИ, созданных до настоящего времени,

В мире науkи | [03] март 2020

ограничивались в основном принятием простых решений или выполнением простых операций с относительно небольшими наборами данных». Эти два абзаца написал GPT-2, языковый бот, которого я опробовал прошлым летом. Бот был разработан расположенной в Сан-Франциско организацией OpenAI, продвигающей дружественный ИИ. GPT-2 — это алгоритм МО с дурацкой на первый взгляд задачей: ему дают произвольный начальный текст, а он должен предсказать следующее слово. Сеть не учат «понимать» написанное в сколько-нибудь человеческом смысле. В процессе обучения бот настраивает внутренние связи

Illustration by Gérard Dubois

тремительно приближается то время, когда мыслительные способности компьютеров достигнут человеческого уровня. Алгоритмы машинного обучения (МО) становятся все более мощными, и мы чувствуем, как они уже дышат нам в затылок. Благодаря стремительному прогрессу в ближайшие десятилетия появятся машины с интеллектом человеческого уровня, способные говорить и размышлять, которые внесут громадный вклад в экономику, политику и в военное дело. Рождение настоящего искусственного интеллекта неизбежно повлияет сильнейшим образом на будущее человечества, в том числе на то, будет ли оно у нас вообще.

Сознание

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

Сознание в своих искусственных нейронных сетях так, чтобы лучше всего предсказывать следующее слово. После обучения на материале 8 млн веб-страниц он содержит более миллиарда соединений, имитирующих синапсы, соединяющие нейроны. Когда я ввел первые несколько предложений статьи, которую вы читаете, алгоритм выдал два абзаца, которые звучали, как попытка первокурсницы, задремавшей на вводной лекции по машинному обучению, вспомнить, о чем шла речь. На выходе имеются все нужные слова, собранные во фразы, — на самом деле, весьма неплохой результат! При повторном вводе того же текста алгоритм выдаст что-нибудь новое. В будущем такие боты создадут лавину «глубинно поддельных» отзывов о продуктах и новостей, которые усилят загрязнение интернета. Они станут еще одним примером программ, которые выполняют действия, до сих пор считавшиеся исключительно человеческими, — играют в стратегическую игру StarCraft, переводят текст, дают личные рекомендации про книги и фильмы, узнают людей на фотографиях и видео. В дальнейшем потребуется еще много достижений в области машинного обучения, прежде чем алгоритм сможет написать шедевр столь же цельный, как роман Марселя Пруста «В поисках утраченного времени», но это неизбежно случится. Вспомним, что все первые попытки играть в компьютерные игры, переводить и говорить были неуклюжи и не воспринимались всерьез, потому что им явно не хватало мастерства и сноровки. Но с изобретением глубоких нейронных сетей у информационных технологий появилась мощная вычислительная инфраструктура, компьютеры стали непрерывно совершенствоваться, и теперь их достижения уже не кажутся смешными. Как мы уже видели на примере шахмат и покера, современные алгоритмы могут обыграть людей. Когда они это делают, наш первоначальный смех сменяется ужасом. Не вызвали ли мы полезных духов, которых теперь неспособны контролировать, как это сделал ученик чародея в балладе Гете?

Искусственное сознание?

Несмотря на то что среди экспертов нет единого мнения о том, из чего именно состоит интеллект, настоящий или искусственный, большинство согласны, что рано или поздно компьютеры ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В скором времени появятся машины с человеческим уровнем интеллекта. Неясно, будет ли у них настоящее сознание. Почему? Вряд ли осознанные чувства могут возникнуть даже у самых сложных моделей мозга.

В мире науkи | [03] март 2020

остигнут того, что на жаргоне программистов над зывается «общий искусственный интеллект» (ОИИ). Непонятно другое: будет ли ОИИ что-нибудь чувствовать? Смогут ли программируемые компьютеры когда-нибудь обрести сознание? Под «сознанием», или «субъективным ощущением», я подразумеваю то, что присуще любому переживанию, — например, восхитительный вкус пасты Nutella, острое жжение больного зуба, медленное течение времени, когда человек скучает, или чувство бодрости и тревоги непосредственно перед началом соревнований. Говоря в духе философа Томаса Нагеля, система обладает сознанием, если возможно быть этой системой. Вспомните то неловкое ощущение, когда вы внезапно осознали, что совершили оплошность и ваша шутка воспринята как оскорбление. Смогут ли компьютеры когда-нибудь испытывать подобные эмоции? Когда вы звоните по телефону, минуты идут одна за другой, вы ждете, а искусственный голос нараспев произносит: «Сожалеем, что заставили вас ждать»; действительно ли программное обеспечение чувствует себя виноватым, погружая вас в пекло общения со службой поддержки? Нет никаких сомнений в том, что наши интеллект и опыт — это неизбежное следствие естественных способностей мозга, а не каких-то сверхъ естественных причин. Этот постулат хорошо служил науке, когда люди исследовали мир в течение нескольких последних столетий. Похожий на тофу полуторакилограммовый человеческий мозг — это, безусловно, самый сложный кусок активной материи в известной нам части Вселенной. Но он должен подчиняться тем же физическим законам, которым подчиняются собаки, деревья и звезды. Тут не может быть исключений. Мы пока не до конца понимаем, как работа мозга создает переживания, но мы ощущаем их постоянно: одна группа нейронов активна, когда вы видите цвета, а клетки в другой области коры работают, когда вы в шутливом настроении. Когда нейрохирург стимулирует эти нейроны электродами, люди видят цвета или начинают смеяться. И наоборот, выключение мозга при наркозе устраняет эти ощущения. Если учитывать широко известные предположения об устройстве сознания, следует ли ожидать, что развитие настоящего искусственного интеллекта приведет к появлению искусственного сознания? Размышляя над этим вопросом, мы неизбежно приходим к развилке, откуда идут два принципиально разных пути. Дух времени, воплощенный в таких романах и фильмах, как «Бегущий по лезвию», «Она» и «Из машины», решительно ведет нас в сторону предположения, что по-настоящему умные машины будут чувствовать. Они смогут говорить, рассуждать, заниматься самоконтролем и самоанализом. Следовательно, у них будет сознание.

Сознание Данное направление наиболее ярко отражено в теории глобального нейронного рабочего пространства (ГНРП), одной из главных научных теорий сознания. Она утверждает, что сознание возникает из-за некоторых особенностей строения мозга. Ее происхождение можно проследить до систем, использующих принцип «классной доски» в информатике 1970-х гг., когда специализированные программы обращались к общему хранилищу информации, называвшемуся классной доской, или центральным рабочим пространством. Психологи утверждали, что такой же механизм обработки информации существует в мозге и обеспечивает человеческое мышление. У него маленький объем, поэтому только одно ощущение, мысль или воспоминание занимают рабочее пространство в каждый момент времени. Новая информация конкурирует со старой и вытесняет ее. Сотрудники Коллеж де Франс — специалист по когнитивной нейробиологии Станислас Деан (Stanislas Dehaene) и молекулярный биолог ЖанПьер Шанже (Jean-Pierre Changeux) — объяснили, как эти идеи соответствуют строению самого внешнего слоя серого вещества головного мозга — коры. Два листа шириной и толщиной с пиццу среднего размера, один справа, а другой слева, сильно смяты и втиснуты в защищающий их череп. Деан и Шанже предположили, что рабочее пространство образовано сетью пирамидных возбуждающих нейронов, связанных с обширными областями коры, в частности префронтальной, височно-теменной и поясной ассоциативными зонами. Б льшая часть активности мозга остается привязанной к одному месту и поэтому бессознательной. Например, так работает модуль, контролирующий направление взгляда (мы почти не замечаем, как это делаем), или модуль, регулирующий положение тела. Но когда активность в одной или нескольких областях превышает пороговое значение, например когда кому-то показывают банку с Nutella, это вызывает вспышку, волну нервного возбуждения, которое распространяется по всему рабочему пространству, по всему мозгу. Таким образом, эти сигналы становятся доступными для множества дополнительных процессов, таких как язык, планирование, система подкрепления, попадают в буфер кратковременной памяти и получают доступ к долговременной. За счет обширного распространения информации она становится сознательной. Уникальное ощущение от восприятия Nutella возникает благодаря пирамидным нейронам, взаимодействующим с областью планирования движений, которая командует схватить ложку и зачерпнуть ореховую пасту. В то же время другие модули передают сигнал об ожидаемом подкреплении в виде большой порции дофамина, поскольку в лакомстве содержится много жира и сахара.

w w w.sci-ru.org

Сознательные ощущения возникают из-за того, что этот алгоритм взаимодействует с сенсорными входами, моторными выходами и внутренними переменными, связанными с памятью, мотивацией и предвкушением. Наличие сознания свидетельствует о том, что происходит обширная обработка. Теория ГНРП полностью соответствует современным идеям о почти бесконечных возможностях вычислительных систем. Сознание — это всего лишь хитрая уловка.

Внутренняя причинная сила

Альтернативный вариант — теория интегрированной информации (ТИИ) — использует более фундаментальный подход для объяснения сознания. Главный автор проекта — психиатр и нейробиолог из Висконсинского университета в Мадисоне Джулио Тонони (Giulio Tononi). Вместе с другими учеными свой вклад в эту теорию вношу и я. В данной теории все начинается с полученного опыта и активации синапсов, обеспечивающих «ощущение» этого опыта. Интегрированная информация — математическое выражение количества «внутренней причинной силы», которой обладает тот или иной процесс. Возбуждающиеся нейроны, передающие через синапсы сигналы низлежащим клеткам, — это один из механизмов наряду с электронными схемами, состоящими из транзисторов, конденсаторов, резисторов и проводов. Внутренняя причинная сила — это не какое-то абстрактное понятие, ее можно точно оценить для любой системы. Чем сильнее зависят от текущего состояния системы воспринимаемые входящие сигналы (причины) и исходящие сигналы (следствия), тем большей причинной силой она обладает. Согласно ТИИ, любой механизм будет иметь сознание, если он обладает внутренней силой и его состояние связано с его прошлым и будущим. Чем больше интегрированная информация системы, («фи»), которая обозначаемая греческой буквой может принимать нулевое или положительное значение, тем больше сознания имеется у системы. Если у чего-то нет внутренней причинной силы, то оно ничего не чувствует, его равно нулю. Если учитывать неоднородность нейронов коры и сильное перекрывание у них входящих и исходящих связей, объем интегрированной информации в коре огромен. С опорой на эту теорию был создан измеритель сознания, который сейчас тестируют в клинике. С его помощью определяют, находится ли человек в устойчивом вегетативном состоянии или в состоянии минимального сознания, под действием анестезии, или у него синдром «запертого человека», когда сознание присутствует, но человек не может вступать в коммуникацию, или же там внутри уже никого нет. Если оценить причинную силу программируемых цифровых компьютеров на уровне металлических деталей —

[03] март 2020 | В мире науkи

Сознание ранзисторов, проводов и диодов, которые составт ляют физическую основу для любого вычисления, — получается, что их внутренняя причинная сила и их ничтожно малы. Более того, не зависит от того, какое используется программное обеспечение, происходит ли вычисление суммы налогов или имитация работы мозга. На самом деле, согласно этой теории, две сети, выполняющие одинаковые операции ввода-вывода, но имеющие разную конфигурацию, могут обладать разным количеством . У одной сети может не быть , а у другой может принимать большое значение. Хотя внешне они кажутся идентичными, одна из них что-то переживает, тогда как ее зомби-двойник не чувствует ничего. Разница скрыта внутри, во внутренней схеме сети. Короче говоря, сознание — это состояние, а не действие. Разница между этими двумя теориями состоит в том, что ГНРП объясняет сознание через работу человеческого мозга, а ТИИ утверждает, что на самом деле значение имеют внутренние причинные силы мозга. Различия имеют значение при описании коннектома мозга, то есть определении всех синаптических связей целой нервной системы. Анатомы уже описали коннектом некоторых червей. Они работают над коннектомом дрозофилы и планируют всерьез взяться за коннектом мыши в течение следующего десятилетия. Давайте представим, что в будущем станет возможно сканировать на ультраструктурном уровне весь человеческий мозг со всеми примерно 100 млрд нейронов и квадриллионом синапсов после смерти его хозяина, а затем смоделировать этот орган на каком-нибудь продвинутом компьютере, например квантовом. Если модель достаточно точна, она проснется и станет вести себя как цифровая копия умершего человека — говорить и обращаться к его воспоминаниям, желаниям, страхам и другим чертам личности. Если теория ГНРП верна и имитации работы мозга достаточно, чтобы получить сознание, смоделированный человек будет обладать сознанием, воплотившись в компьютере. И действительно, загрузка коннектома на сервер, чтобы люди могли жить в цифровой загробной жизни, — обычный ход в научной фантастике. ТИИ предлагает совершенно другую интерпретацию такой ситуации: модель будет чувствовать себя так же, как программное обеспечение, работающее в японском «умном» унитазе, то есть никак. Она будет действовать как личность, но без какихлибо естественных чувств, словно зомби (правда, без желания питаться человеческой плотью). Для того чтобы получить сознание, необходимы внутренние причинные силы мозга. Их нельзя смоделировать, они изначально должны быть физически встроены в механизм. Чтобы понять, почему моделирование не работает, задумайтесь, почему

В мире науkи | [03] март 2020

никогда не становится мокро при моделировании ливня, или почему астрофизики могут моделировать огромную гравитационную силу черной дыры, не опасаясь, что их поглотит пространство-время, изгибающееся около их компьютера. Ответ: потому что у модели нет причинной силы, чтобы заставить атмосферный пар сконденсироваться в капли или вызвать искривление пространства-времени! Теоретически, однако, можно было бы достичь человеческого уровня сознания, если не ограничиваться моделированием, а создать так называемую нейроморфную технику со структурой, устроенной по образу нервной системы. Помимо различий в результатах моделирования, есть и другие. ТИИ и ГНРП предсказывают различное положение в коре эпицентра определенных сознательных переживаний, в одном случае он расположен в задней части коры, а в другом — в передней. Это и другие предсказания сейчас проверяются в крупномасштабном совместном проекте шести лабораторий в США, Европе и Китае, получившем только что финансирование в размере $5 млн от Всемирного благотворительного фонда Темплтона. Вопрос, могут ли машины иметь сознание, важен и по этическим причинам. Если компьютеры ощущают жизнь с помощью своих собственных чувств, они перестают быть исключительно средством достижения полезных для нас целей. Они становятся самоцельными. Согласно ГНРП, они превращаются из простых объектов в субъекты, у них появляется их собственное «я». Эта проблема убедительно показана в телевизионных сериалах «Черное зеркало» и «Мир Дикого Запада». Как только когнитивные способности компьютеров начнут соперничать с человеческими, у машин появится непреодолимое стремление отстаивать свои юридические и политические права — право не быть уничтоженными, не подвергаться стиранию памяти, не страдать от боли и разрушения. ТИИ предлагает альтернативный сценарий — что компьютеры останутся всего лишь сверхсложными машинами, призрачными пустыми оболочками, лишенными того, что мы больше всего ценим: ощущения жизни.

Перевод: М.С. Багоцкая ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ Серл Дж. Разум мозга — компьютерная программа? // ВМН, № 3, 1990. What Is Consciousness, and Could Machines Have It? Stanislas Dehaene, Hakwan Lau and Sid Kouider in Science, Vol. 358, pages 486–492; October 27, 2017. The Feeling of Life Itself: Why Consciousness Is Widespread but Can’t Be Computed. Christof Koch. MIT Press, 2019.

Премия

ВЕРНЫ НАУКЕ

100

В мире науkи | [03] март 2020

П РЕМИЯ

7 февраля, в преддверии Дня российской науки, состоялась торжественная церемония награждения лауреатов VI Всероссийской премии «За верность науке». Делимся с вами, уважаемые читатели, хорошей новостью: наш журнал получил высшую награду в номинации «Лучшее периодическое печатное издание о науке». «За верность науке» — одна из немногих наград в сфере медиа, которая вручается за популяризацию науки и поддержку престижа профессии ученого в России. Она была учреждена в 2014 г. Организаторы — Министерство науки и высшего образования РФ при поддержке Российской академии наук и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Награждение приурочено к главному профессиональному празднику научного сообщества — Дню российской науки, который традиционно отмечается 8 февраля. Именно в этот день в 1724 г. Петр I направил в Сенат указ «Об учреждении Академии наук и художеств». В 1999 г. указом президента России эта дата стала государственным праздником. Всего в этом году было представлено для участия 312 заявок. Победителями премии стали 11 научно-популярных и просветительских проектов. Церемония прошла в здании Минобрнауки, в ней участвовали президент РАН А.М. Сергеев, ректор МГУ В.А. Садовничий, министр науки и высшего образования РФ В.Н. Фальков, первый заместитель министра науки и высшего образования Г.В. Трубников и др. Премию журналу «В мире науки» вручил В.А. Садовничий, а приняли ее наш обозреватель и постоянный автор, известный научный журналист, писатель и драматург В.С. Губарев и заместитель директора НП «Международное партнерство распространения научных знаний» В.К. Малахина. Владимир Степанович рассказал: «Я с волнением нахожусь в здании министерства, потому что чуть более 40 лет тому назад здесь, в кабинете председателя Государственного комитета СССР по науке и технике академика Г.И. Марчука, состоялась небольшая

w w w.sci-ru.org

встреча, в которой участвовали человек десять — главные редакторы научных журналов, Сергей Капица, летчик-космонавт Виталий Севастьянов и ваш покорный слуга. Мы говорили о том, что просветительство и пропаганду науки нужно поднять на принципиально новый уровень. Были обширные планы, мы много придумали, но из этих планов осуществился один, причем самым грандиозным образом. Я имею в виду план, который предложил Сергей Капица, человек замечательный, из великолепной, настоящей русской ученой среды. Достаточно вспомнить его отца Петра Леонидовича Капицу, брата Андрея Капицу. Сергей Петрович тогда сказал: "Нам нужно объединять весь мир, и в первую очередь надо объединяться с французским Science & Vie и с лучшим американским журналом Scientific American, который существует больше ста лет". И он блестяще осуществил эту идею. Я с удовольствием работаю в этом журнале. Научной журналистикой я занимаюсь уже 50 или 60 лет. Вы знаете, чем она хороша? Когда попадаешь в научную среду или в среду научных журналистов, тебе должно быть тепло. Вот когда я прихожу в журнал "В мире науки", я чувствую это тепло от его сотрудников. Спасибо большое!» А мы, члены редакции, говорим большое спасибо организаторам и экспертам премии «За верность науке» за высокую оценку нашей работы. Неизменно благодарны основателю и первому главному редактору журнала «В мире науки» С.П. Капице, которого всегда помним, любим и чтим. И, конечно, сердечно благодарим наших читателей, для которых мы и работаем.

Редакция журнала «В мире науки / Scientific American»

[03] март 2020 | В мире науkи

101

102

В мире науkи | [03] март 2020

1. В.С. Губарев 2. А.Я. Резниченко (ТАСС «Наука») 3. Научный директор Московского планетария Ф.Б. Рублева 4. Справа налево: Г.В. Трубников, В.А. Садовничий, В.Н. Фальков, А.М. Сергеев, И.И. Калина 5. В.А. Садовничий, В.С. Губарев, генераль ный директор Фонда содействия инно вациям С.Г. Поляков, В.К. Малахина 6. Премию получает И.С. Долгов 7. Руководитель фонда «Талант и успех» Е.В. Шмелева и И.И. Калина вручают премию Ю.С. Поздняковой

8. Президент РАН А.М. Сергеев 9. Телеведущий, профессор МГУ Н.Н. Дроздов 10. Участники церемонии 11. Руководитель образовательного комплекса «Воробьевы Горы» Е.Х. Мельвиль 12. В.Н. Фальков и декан факультета журналистики МГУ Е.Л. Вартанова 13. Струнный квартет QuattroSound 14. Заместитель руководителя Управления информационной политики и пресс-службы РАН Т.А. Вручинская

w w w.sci-ru.org

[03] март 2020 | В мире науkи

103

50, 100, 150 лет тому назад

Лунный лазерный отражатель.

В июле прошлого года астронавты «Аполлона-11» установили на поверхности Луны уголковый отражатель, который позволяет измерять расстояние между Землей и Луной с точностью примерно 15 см. Однако важно знать не абсолютную величину расстояния между Землей и Луной, а изменение расстояния, измеряемого в течение многих месяцев и лет. Такие колебания можно будет изучать, чтобы ответить на важные научные вопросы — например, как распределена масса внутри Луны, каковы скорость, с которой континенты на Земле дрейфуют по направлению друг к другу (или же удаляются друг от друга), и изменение местоположения Северного полюса Земли (который перемещается в результате воздействия неведомых сил). Более фундаментальный вопрос, чем любой из вышеперечисленных, — действительно ли постоянна гравитационная постоянная или же с течением времени она медленно уменьшается.

МАРТ 1920

Вызывает

Марс. Недавнее предположение, что марсиане пытаются послать нам радиосигналы, вероятно, окажется беспочвенным, но оно по крайней мере привлекло общественное внимание к важности предмета. Идея обмена мыслями с разумными существами на другой планете слишком заманчива для человеческого воображения, чтобы вызвать отторжение. Общественность следует убедить, что обмен

сигна лами быстро превратится в обмен идеями по вопросам, представляющим взаимный интерес. Мы хотим обсудить с марсианами научные, социальные и религиозные представления — и, если их цивилизация намного Пневматическая подземка Альфрестарше нашей, да Бича: один из первых транспортжелаем узнать ных экспериментов, 1870 г. от них истины, которые помогут преодолеть наши трудности.

МАРТ 1870

Пневматическая подземка.

Двери «Компании пневматического транспорта Альфреда Бича» впервые открылись для публики, когда состоялся «Прием под Бродвеем», на который были приглашены руководство штата, городские власти и представители прессы. Присутствовали все видные деятели города и штата, и осмотр проводимых работ произвел на них глубочайшее впечатление. Самые разные ежедневные газеты опубликовали отчеты об этом событии, произведшем в мегаполисе сенсацию. Газета The New York Herald пишет: «Фактически это был день открытия первой подземной железной дороги в Америке». Демонстрационный проект был разработан и построен Альфредом Элаем Бичем (Alfred Ely Beach), главным редактором этого журнала.

Общественный транспорт

Монтаж воздушной электрической линии для пригородных электричек в Филадельфии,1915 г.

104

В мире науkи | [03] март 2020

Разветвленные транспортные сети, которые ежедневно и  ежечасно перемещают людей и товары, хорошо справляются со своей работой. Однако остается вопрос: что движет весь этот общественный транспорт? В лондонской подземке, открывшейся в 1863 г., освещаемые газовыми фонарями вагоны тянули по туннелям «Трубы» (как называли жители британской столицы свой метрополитен) паровые машины на угле. Должно быть, там было ужасно грязно. Канатные трамваи в Сан-Франциско привязаны к движущимся под улицей кабелям, которые тянут стационарные двигатели. Альфред Элай Бич, один из первых главных редакторов

ашего журнала, продемонстрировал рельн совый вагон, который толкает вперед давление воздуха. Среди нынешних идей того, как заставить вагоны быстро лететь по трубам, есть и похожие на проект предпринимателя Илона Маска «Гиперкольцо». По мере того как сети надземных, подземных и наземных железных дорог в  городах расширялись, они объединялись с линиями электропередач, формируя более скоростную, более чистую и более эффективную городскую транспортную систему. Сейчас (и в обозримом будущем) эти транспортные сети обслуживают сотни миллионов пассажиров в день, и их эффективность, возможно, поможет сдержать изменения климата.

SCIENTIFIC AMERICAN, VOL. 22, NO. 10; MARCH 5, 1870; SCIENTIFIC AMERICAN, VOL. TK, NO. TK; JULY 31, 1915

МАРТ 1970

ESTABLISHED 1845

Acting Editor in Chief: Copy Director: Creative Director: Managing Editor: Chief Features Editor: Chief News Editor: Chief Opinion Editor: Senior Editors: Associate Editors:

Curtis Brainard Maria-Christina Keller Michael Mrak Ricki L. Rusting Seth Fletcher Dean Visser Michael D. Lemonick Mark Fischetti, Josh Fischman, Clara Moskowitz, Madhusree Mukerjee, Jen Schwartz, Kate Wong Gary Stix, Lee Billings, Sophie Bushwick, Andrea Thompson, Tanya Lewis, Sarah Lewin Frasier

Editors Emeriti: Mariette DiChristina, John Rennie Contributing Editors: Gareth Cook, Lydia Denworth, Ferris Jabr, Anna Kuchment, Robin Lloyd, Melinda Wenner Moyer, George Musser, Ricki L. Rusting Art Contributors: Edward Bell, Zo Christie, Lawrence R. Gendron, Nick Higgins Art Director: Jason Mischka Senior Graphics Editor: Jen Christiansen President: Dean Sanderson Executive Vice President: Michael Florek Vice President, Commercial: Andrew Douglas Publisher and Vice President: Jeremy A. Abbate © 2020 by Scientific American, Inc.

Оформить подписку на журнал «В мире науки» можно: в почтовых отделениях по каталогам: «Роспечать», подписной индекс: 81736 — для физических лиц, 19559 — для юридических лиц; «Почта России», подписной индекс: 16575 — для физических лиц, 11406 — для юридических лиц; «Пресса России», подписной индекс: 45724, www.akc.ru

Читайте в следующем номере Социальные карты в мозге

Нейронные сети, отслеживающие наше положение в пространстве и времени, могут участвовать в определении наших взаимоотношений с людьми.

Первая молекула во Вселенной

Ученые обнаружили во Вселенной загадочные молекулы. С этих соединений, как предполагают, в космосе и началась химия.

Водород как решение

Водородная энергетика могла бы вернуть себе прежнее место в качестве важной составляющей при полном переходе на возобновляемые источники энергии.

Загадка подъемной силы

Никто до сих пор не способен исчерпывающе объяснить, почему самолет держится в воздухе.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ РЕПОРТАЖ Искусственный интеллект и цифровое здоровье Разработка новых лекарств, открытие потенциала оцифровки персональных данных пациентов, роботы‑радиологи: как ИИ изменит медицину?

по РФ и странам СНГ:

ООО «Урал-Пресс», www.ural-press.ru СНГ, страны Балтии и дальнее зарубежье: ЗАО «МК-Периодика», www.periodicals.ru РФ, СНГ, Латвия: ООО «Агентство "Книга-Сервис"», www.akc.ru