Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

Мой любимый пример – ДНК-секвенирование. Еще шестьдесят лет назад наш вид даже не идентифицировал молекулу ДНК как наследственный материал и понятия не имел, из чего она состоит и как образуется. Вплоть до 50-х годов XX века исследователи в области химии и физики открывали потрясающую информацию о структуре «невидимых» соединений, таких как белки и углеводы (компоненты живых организмов), что было еще одним не менее впечатляющим достижением, расширяющим наши горизонты. Однако люди смогли преумножить знания по химии, потому что вышли за пределы диапазона своих чувств. Для визуализации трехмерной структуры молекул использовали рентгеновские лучи. И действительно, огромным шагом в области расшифровки физической структуры этой важной молекулы было использование рентгеновских лучей для изучения кристаллических структур молекул, таких как ДНК. В 1953 году Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Морис Уилкинс и Розалинд Франклин смогли зафиксировать структуру ДНК в виде двойной спирали диаметром 10 ангстрем. Этот диаметр на несколько порядков выходит за пределы диапазона, который мы обычно способны видеть глазами. Но эта структура была важна, потому что, как несколько иронично отметили Уотсон и Крик в статье 1953 года в журнале Nature, предложенная структура не избежала их внимания, «и, если посмотреть на эту парную структуру, становится понятен возможный механизм копирования генетического материала». Чтобы увидеть двойную спираль и понять, как она работает при переносе генетической информации, было необходимо, чтобы человек научился видеть в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. После получения этих данных следующим шагом становилось выяснение механизма, с помощью которого ДНК передает наследственную информацию. В нескольких главах этой книги я показал вам, что представляют собой последовательности ДНК и почему они важны. Но как на самом деле ученые «видят» те нуклеотиды (G, A, T и C), которые составляют последовательности? Размер нуклеотида слишком мал (даже меньше чем 10 ангстрем – диаметр двойной спирали ДНК), чтобы его можно было увидеть даже через самые мощные используемые учеными электронные микроскопы. Прочтение состава жизни (так называют наш геном) – отличный пример преодоления сенсорного шума и способности выйти за ограниченный диапазон восприятия и интерпретации набора предложенных сенсорных ориентиров, которые не имели бы никакого смысла для любых других видов на планете. В этом отношении способ, которым мы видим ДНК, – по сути «тайное знание», и только несколько миллионов человек на Земле могут получить сенсорную информацию, собранную с целью прочитать последовательность генома и понять его. В основном ученые использовали химическую природу нуклеотидов и ДНК для усиления сигналов, чтобы дать нам визуальную последовательность нуклеотидов, которую мы интерпретируем как последовательность ДНК. Вместо световых волн, воспринимаемых в качестве сенсорной информации, используются химические реакции. Затем на выходе они интерпретируются в зрительную информацию на экране компьютера, и уже ее можно увидеть глазами. Это похоже на волшебство, хотя на самом деле есть несколько базовых, но оригинальных изобретений, позволяющих прочитать эти маленькие молекулы за пределами нашего визуального диапазона. Это не просто способность видеть маленькие объекты, которые мы обнаружили. Большинство тех, кто сейчас занимается астрономией и астрофизикой, берут данные, которые не имеют почти ничего общего с нашей развитой способностью видеть, и преобразуют их в изображения, которые мы можем видеть и интерпретировать. Хотя оптический телескоп усиливает способность сетчатки поглощать световые волны, исходящие от предметов на ночном небе, радиотелескоп принимает радиоволны в несколько раз длиннее тех длин волн, которые мозг использует для интерпретации света, и преобразует данные радиоволн в потрясающе информативные изображения планет и солнц, находящихся за много световых лет от Земли.

В конце 70-х годов XX века я учился в магистратуре в Сент-Луисе и хорошо помню момент, когда мне надо было найти решение для некоего набора данных. У меня было только около ста позиций данных, но мне нужно было сделать вычисления для 10 395 возможных перестановок. В то время подобные проблемы решались с помощью карандаша и блокнота, как в фильме «Скрытые фигуры», номинированном на «Оскар» в 2017 году. Группа одаренных в математике людей получила бы данные и провела бы расчет для всех десяти тысяч с лишним перестановок. Мой дипломный проект не был связан с национальной безопасностью и не имел отношения к НАСА, поэтому у меня не было такой роскоши, как целая армия преданных карандашей, готовых вмиг произвести любые вычисления. И тогда я обратился к новой возможности – компьютеру. Дело было на заре развития технологий, программы и данные кодировались на перфокартах и считывались с помощью гигантской машины. Затем требовалось много времени, чтобы получить бело-зеленую распечатку, с которой уже можно было работать. Способ неуклюжий по меньшей мере. Мой первый аспирант написал свою диссертацию в конце 80-х годов прошлого века на Apple Macintosh, который он использовал для выполнения большинства вычислений, подобных тем, что я делал для моей диссертации. Потом у этого аспиранта появились свои аспиранты, и те уже использовали iMac для выполнения работ, а их ученики – iBook. И все это в течение пятнадцати лет. Нынешнее поколение аспирантов использует MacBook Pro, который в десятки тысяч раз мощнее, чем iMac и iBook, и эти современные компьютеры могут подключаться к кластерам процессоров, которые дают им вычислительную мощность в миллиарды раз мощнее, чем использовал мой первый студент. Этот пример просто показывает, что возможности научных вычислений расширились как функция времени по закону Мура.

Гордон Мур еще в 60-х годах XX века осознал, что вычислительная мощность будет удваиваться каждый год. С течением времени пользователи делали все больше компьютерных вычислений, и те становились все более персонализированными – настолько, что о такой персонализации никто не мог раньше и мечтать, разве что те, кто занимался разработкой персонального компьютера – люди вроде Стива Джобса и Билла Гейтса. Эта персонализация день ото дня меняла наш образ жизни, но постепенно изменилось и то, как мы, люди, чувствуем внешний мир. И, учитывая, что закон Мура представляется реальным явлением, мы должны попытаться предвидеть рост вычислительных мощностей и, возможно, даже предугадать и новые изменения, которым подвергнутся наши чувства в результате развития компьютерных технологий.

Согласно опросу компании Nielsen, проведенному в 2016 году, в среднем взрослый житель западного мира проводит перед экраном компьютера или смартфона около десяти часов в день. Учитывая, что мы спим примерно по семь или восемь часов, это означает, что более половины времени бодрствования во многих странах тратится на то, чтобы пялиться на экран компьютера или смартфона, все время просматривая виртуальные изображения. Мы только начинаем осознавать влияние этого царства измененного восприятия на состояние человека. Норвежских десятиклассников исследовали на предмет понимания текстов, прочитанных с экрана компьютера и в старомодной печатной копии. Удивительным результатом было то, что школьники понимали слова на бумаге гораздо лучше, чем на экране. Почему так – не очень понятно, но это указывает на возможную дихотомию в том, как мы, люди, учимся и понимаем прочитанное. Понимание прочитанного следует за зрительным восприятием, и некоторые исследователи обеспокоены долгосрочным влиянием экранов компьютеров и смартфонов на человека и тем, как оно может сказаться на нашей зрительной системе. Эволюция не предполагала, что человек будет бесконечно всматриваться в маленький светоизлучающий прямоугольник. На самом деле наше поле зрения намного больше, чем тот экран смартфона, в который мы утыкаемся каждый день по нескольку часов. Как такое ограничение поля зрения скажется на наших глазах и как они будут развиваться в ходе эволюции дальше – пойди угадай. Зрительное восприятие – не единственное чувство, подвергаемое натиску современной жизни. Как отмечалось в главе 11, на современного человека воздействует неимоверное количество звуков (да еще высокой интенсивности и весьма широкого диапазона), с которыми наши предки никогда не сталкивались. Вопрос о том, как мы адаптируемся к этому измененному миру звуков, тоже уже назрел и требует изучения.