Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Мерцание сердца не прекратится само по себе. Этот тип хаоса устойчив. Лишь электрический разряд дефибриллятора – толчок, который любой занимающийся динамикой ученый посчитает возмущением значительной степени, – может вернуть сердце к стабильному состоянию. В целом дефибрилляторы действуют довольно эффективно, хотя их создатели, подобно конструкторам искусственных сердечных клапанов, долго блуждали в потемках. «Сила и форма разряда были установлены чисто эмпирическим путем, – вспоминал Артур Уинфри, биолог-теоретик. – На этот счет просто не существовало никакой теории. Сейчас кажется, что некоторые предположения все же были не совсем верны. Конструкция дефибриллятора может быть коренным образом изменена, что многократно увеличит его эффективность, а следовательно, и шансы на успех»[368]. Точно так же, путем проб и ошибок, был получен целый ряд лекарственных препаратов для лечения расстройств сердечной деятельности – «черная магия», как выразился Уинфри. Предугадывать эффект прописанного лекарства, не имея хорошего теоретического понимания динамики сердца, – весьма неблагодарное занятие. «В течение последних двадцати лет ученые проделали невероятную работу, прояснив многие тонкости физиологии клеточных мембран, хрупкую, точную и невероятно сложную механику разных частей сердца. В итоге ясность внесена в существенную часть процессов. Однако кое-что упущено: мы проглядели глобальную перспективу, общий механизм действия».

В семье Уинфри колледж не посещал никто. Как признавался сам исследователь, он начинал, не имея надлежащего образования. Его отец, поднявшись по карьерной лестнице в страховом бизнесе с самых нижних позиций до вице-президента компании, почти ежегодно переезжал с семьей то на север, то на юг восточного побережья. Артуру пришлось сменить более дюжины учебных заведений, прежде чем он закончил среднюю школу. В нем зрело убеждение, что все интересное в мире связано с биологией и математикой и что ни одно из стандартных сочетаний этих двух предметов не отдает должного тому, что действительно интересно. Поэтому Уинфри решил не идти проторенным путем. Пять лет он постигал инженерную физику в Корнеллском университете, занимаясь прикладной математикой и изучая все практические методы лабораторных исследований. Готовясь к работе в военно-промышленном комплексе, Уинфри получил ученую степень в области биологии. Он пытался по-новому сочетать эксперименты с теорией. Начал свою деятельность молодой ученый в Университете Джонса Хопкинса, вскоре оставив его из-за разногласий на факультете, после этого продолжил работу в Принстоне, откуда ушел по той же причине, и наконец обосновался в Чикагском университете, откуда уже дистанционно получил ученую степень в Принстоне.

Уинфри принадлежал к редкому типу мыслителей-биологов, которые привносят в свои исследования физиологии четкое ощущение геометрических форм[369]. В начале 1970-х годов он начал изучать биодинамику, заинтересовавшись биологическими часами – суточными ритмами. Традиционно в этой области преобладал подход ученых-натуралистов: вот такой ритм встречается у тех-то животных, а вот этот – у тех-то. С точки же зрения Уинфри, проблему суточных ритмов следовало изучать, придерживаясь математического стиля мышления. «Размышляя о нелинейной динамике, я понял, что эту проблему можно и нужно рассматривать на качественном уровне в терминах именно этой науки. Никто не имеет представления о том, каков механизм биологических часов. Таким образом, у нас есть две альтернативы: можно подождать, пока биохимики его выяснят, а затем попытаться вывести определенный тип поведения из уже известного устройства, а можно призвать на помощь теорию сложных систем и нелинейную и топологическую динамику. Я выбрал последнее»[370].

Однажды ученый поставил в своей лаборатории множество контейнеров с комарами. Каждый турист знает, что эти насекомые роятся в прохладном воздухе сумерек. В лаборатории, где днем и ночью температура и освещенность оставались неизменными, суточный цикл комаров сократился с 24 до 23 часов. Каждые 23 часа они начинали жужжать особенно интенсивно.

В природе ориентироваться во времени насекомым помогает вспышка света, что ежедневно на них воздействует, она как бы запускает их внутренние часы.

Меняя уровень освещенности в помещении с комарами, Уинфри добивался сокращения или удлинения их суточного цикла. Ученый сопоставлял эффект с продолжительностью световой вспышки. Затем вместо выяснения биохимической подоплеки процессов он предпринял топологическое исследование, сконцентрировав внимание на качественной, а не количественной стороне полученных данных. Ученый пришел к неожиданному выводу: в геометрии присутствовала некая особенность, точка, отличная от всех других. Изучая ее, Уинфри предположил, что строго определенная по продолжительности вспышка света сбивает ход биологических часов насекомых и любых других живых существ.

Предположение было смелым, но эксперименты Уинфри подтвердили его. «Придя в лабораторию ровно в полночь, вы воздействуете на комаров определенным количеством фотонов, и такой особенно точный и выверенный по времени толчок выключает внутренние часы насекомых. Комар лишается сна – то затихает, то жужжит, но все невпопад. Так продолжается, пока вы не устанете наблюдать и не устроите насекомым новую встряску. Вы помещаете комаров в состояние бесконечного сбоя суточных ритмов»[371]. В начале 1970-х годов математический подход Уинфри к явлению суточных ритмов не вызвал особого интереса, и опробовать лабораторную методику на биологических видах, которые стали бы возражать против того, чтобы сидеть несколько месяцев подряд в специальных камерах, оказалось непросто.

Нарушение суточных ритмов человека при стремительной смене часовых поясов, как и бессонница, входит в число нерешенных вопросов биологии и вынуждает людей прибегать к худшим шарлатанским мерам – глотать бесполезные пилюли. Исследователям удалось собрать немало данных в ходе экспериментов, участниками которых становились студенты, пенсионеры или драматурги, спешащие поскорей закончить пьесу.

За несколько сотен долларов испытуемые соглашались существовать в условиях «временно́й изоляции»: никакого дневного света, никаких температурных изменений, никаких часов и телефонов. Характерный для людей суточный цикл «сон – бодрствование», а также цикл изменения температуры тела являются своего рода нелинейными осцилляторами, которые сами собой восстанавливаются после небольших пертурбаций. В условиях изоляции, при отсутствии ежедневно возобновляемых стимулов, цикл изменений температуры увеличивается до 25 часов, причем низкие значения приходятся на стадию сна. Эксперименты немецких ученых выявили, что по истечении нескольких недель цикл «сон – бодрствование», обособившись от температурного цикла, становится неупорядоченным. Люди бодрствуют в течение 20 или даже зо часов, за которыми следуют го или 20 часов сна. Причем испытуемые не только не замечают удлинения своих «суток», но и отказываются верить, когда им об этом сообщают. Однако только в середине 1980-х годов систематический подход Уинфри был применен к людям. Первой испытуемой стала пожилая женщина, вязавшая вечерами перед источником яркого света. В результате ее суточный цикл резко изменился. По словам женщины, она испытывала великолепные ощущения, будто ехала в машине с откидным верхом[372]. Что же касается Уинфри, то он пошел дальше, обратившись к проблеме сердечных ритмов.