|
|
|
Кто из экспериментаторов не знает о разбросе результатов? Широко распространено мнение, что разброс демонстрирует, "откуда растут руки"... То есть: маленький разброс – хорошая работа, большой – плохая. Это утверждение верно лишь отчасти... |
Внешняя силаКогда едешь по нашим дорогам в крытом кузове грузовика, понятие "макроскопические флуктуации" в голову не приходит: не до того. На тело действует (и иногда весьма болезненно) непредсказуемая сила, и оно хаотически перемещается в окрестностях той точки, где хотелось бы находиться. Хватаясь за все руками и упираясь ногами, тело стремится уменьшить амплитуду своих флуктуаций внутри кузова. Телу нужна стабильность. А душа? Душа ищет дырочку, в которую можно было бы разглядеть дорогу, узнать, что там впереди, в чем причина изматывающих скачков. Как ни странно, это приносит облегчение. Явление, о котором пойдет речь, внешне не так неприятно. Между тем цифры, получаемые в экспериментах, тоже скачут и иногда больно бьют тех, кто их получает. И эта пляска тоже выматывает душу, и хочется знать, почему она происходит, и какова ее причина, и что управляет ею. Но даже не это главное. Пляшущие цифры – всего лишь отражение "пляшущих" процессов – тех, что идут в пробирках и клетках тела, в реакторах, химических и ядерных, в земной коре и атмосфере. Не спокойнее ли было бы жить, зная, каким силам подчиняется эта пляска? ПЛЮС-МИНУС...
Кто из экспериментаторов не знает о разбросе результатов? Широко распространено мнение, что разброс демонстрирует, "откуда растут руки". В широком смысле это следует понимать так: хорошие или плохие методики и материалы он, экспериментатор, использует, аккуратно ли работает, насколько учитывает побочные факторы, влияющие на результаты. То есть: маленький разброс – хорошая работа, большой – плохая. Это утверждение верно лишь отчасти, в чем читатель скоро убедится. Разброс зависит не только от исследователя, а значит, не только о нем несет информацию. У самих же исследователей отношение к разбросу – исключительно негативное. Кому не мозолили глаз усы стандартных отклонений, презрительно торчащие на графиках, попирающие гармонию линий, как будто стремившихся гладко и выпукло выразить обнаруженный (а может быть, даже заранее предсказанный) эффект? Но "усы" торчат, как хрестоматийно известные уши, напоминая еше и еще раз: все не так просто, как хотелось бы... Борьба с разбросом идет повсеместная. Одни оттачивают методическое мастерство, другие увеличивают число опытов и проб. Есть, к сожалению, и третьи, у которых эстетическое чувство берет верх над "предрассудками": эти безжалостно "стригут усы" до размеров, считающихся приличными и не разрушающими основную идею. И только очень немногие подходят к разбросу – научному мусору", "шуму" – как к источнику новых знаний. Симон Эльевич Шноль, ныне профессор МГУ и заведующий лабораторией физической биохимии в Институте биофизики АН СССР, а тогда – начинающий биохимик, еше в 1956 г. обратил внимание на слишком большой разброс результатов измерений активности фермента АТФазы. И решил найти методическую ошибку. Несколько лет он исследовал возможные источники отклонений. Перебрал весь мыслимый набор причин: непостоянство температуры, недостаточность перемешивания, нестабильность приборов... И, вроде бы, зашел в тупик: не объясняется разброс результатов при последовательных измерениях характеристик белковых растворов методическими ошибками. Получалось, что титр SН-групп или активность фермента в одном и том же сосуде с раствором действительно могут быть то больше, то меньше. Какое же значение – правильное? То, что измерено сейчас, или то, что измерено десять минут назад? Вопросов возникало много, а главный из них таков: что заставляет раствор в колбе изменять свойства, какая сила управляет им? То больше, то меньше, плюс-минус, вверх-вниз". Колебания? Именно так вначале и думали С. Э. Шноль и его сотрудники. Поиск аналогов привел Симона Эльевича к Б. П. Белоусову, первооткрывателю знаменитой теперь, а тогда еще никем не признанной колебательной реакции. Для Белоусова это было первой ласточкой будущего признания, для Шноля и многих других – началом многолетнего увлечения колебательными процессами в биохимических системах. Но что же колеблется в колбе с раствором белка? Может быть, периодически изменяются белковые молекулы или свойства растворителя? Чтобы ответить на этот вопрос, следовало изучить параметры колебаний, временной ход реакций. Потянулись серии однообразных, до предела стандартизированных измерений. (Забегая вперед, скажу, что тянутся они и по сей день, и в этих многолетних временных рядах найдено много нетривиальных фактов.) Десятки, потом сотни проб в день. Пытались одновоеменно брать несколько проб из одного сосуда (для этого были придуманы специальные многохвостые пипетки) – получили новый результат: свойства раствора изменяются в разных точках сосуда синхронно. Раствор представлялся единым целым, а молекулы фермента, разделенные многими молекулами растворителя, как будто могли влиять друг на друга, согласовывать свои действия во всем объеме. И это внутреннее взаимодействие в системе определяет ход колебаний, растворитель же выступает в качестве посредника. Так представлялось тогда. Это был своего рода алхимический период работы, длившийся много лет. "Философский камень" колебаний найден не был. Но время и силы были потрачены не зря. Из многочисленных экспериментальных фактов перед исследователями складывался облик, характер явления. Пришло понимание: внутренними причинами, кинетикой реакций того, что происходит с раствором, не объяснить. Пляску результатов измерений стали называть не колебаниями, а флуктуациями. Какая разница? И то и другое – отклонения от состояния равновесия. Но колебания – процесс периодический, повторяющийся, т. е. упорядоченный во времени. Для колебании величины А можно написать зависимость А = Ф(Т), где Ф – периодическая функция, и предсказать величину А, в момент времени Т. Флуктуации же – процесс апериодический, случайный. Предсказать флуктуирующую величину В нельзя. Но как тогда быть с извечным тезисом о предсказательной силе науки (теории)? Начинаются флуктуации – наука кончается?! Это не так. Не кончается она, в другое качество переходит. Для описания случайных процессов применяются статистические методы. О них разговор впереди. Итак, флуктуации. Макроскопические флуктуации, поскольку объемы, в которых они проявляются, гораздо больше молекулярных. Короче – МФ. "НЕНОРМАЛЬНЫЕ" РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА "НЕСОСТОЯТЕЛЬНЫХ" ГИСТОГРАММАХ
У Шноля гистограммы не такие, не нормальные. Вернее, иногда такие, иногда другие – разные. На них обычно несколько пиков, между пиками – провалы. Что это значит? Прежде всего то, что разные значения величины (ферментативной активности, например) не равновероятны: есть предпочтительные (это где пики), есть "запрещенные" (где провалы). И они, эти предпочтительные значения, характеризуют отдельные, дискретные состояния объекта измерения. А флуктуации величины – это как бы скачки из одного разрешенного состояния в другое. Здесь самое время еще раз напомнить, что эти флуктуации – макроскопические. Квантово-механическая дискретность состояний систем элементарных частиц (атомов, например) на этом уровне уже не проявляется. Речь идет о новом представлении – дискретности состояний макроскопических объектов. Дискретные макроскопические флуктуации наблюдали при измерении скоростей довольно многих химических реакций, ферментативной активности, подвижности клеток в электрическом поле, спектральной чувствительности глаза человека, временных параметров газовых разрядов, радиолизе воды, наконец, при радиоактивном (α- и β-) распаде. Очень разные объекты. Разные свойства. Разная природа. "Разные судьбы". Все это позволяет считать МФ явлением универсальным. Гистограммы же – это язык той области науки, которая изучает МФ, поэтому давайте вернемся к ним. Дискретные гистограммы, отражающие МФ, изменчивы. Форма гистограммы может держаться часы, а может измениться за считанные минуты, и если вы не успели набрать данных вовремя, картина окажется смазанной, дискретность утерянной. Тут – как в фотографии: чем быстрее меняется объект, тем меньше должна быть выдержка, иначе снимок будет нечетким. Значит, гистограмму нужно строить по данным, полученным за небольшой промежуток времени. Чаще всего такие гистограммы бывают "несостоятельными" с точки зрения математики: число измерений в них сопоставимо с числом разрядов.
Рис. 1. Такими бывают "несостоятельные" гистограммы Дискретность несостоятельных гистограмм на первый взгляд не выглядит необычной. В самом деле, если результаты десяти измерений занести в гистограмму с двадцатью разрядами, то мы обязательно увидим "дискретность": заполненные "окна" будут чередоваться с пустыми. Но изрезанность гистограмм сохраняется и когда значений сто, двести, хотя пустых окон может уже не быть. По мере заполнения гистограммы новыми результатами измерений все большее число значений будет попадать в "окна", близкие к среднему для этой серии – "негауссовость" распределения (пики и провалы) уменьшится и сойдет на нет. Важно другое: если случайна форма этой "негауссовости" гистограмм, места расположения пиков и провалов должны быть тоже случайны. Гистограммы не должны быть похожи друг на друга, разве что случайно, а это не так. Серии сходных гистограмм – "визитная карточка" феномена МФ. Похожими оказываются последовательные почасовые гистограммы одного и того же процесса. Похожи бывают одновременные гистограммы МФ процессов, отличающихся по своей природе, таких, например, как флуктуации скорости химической реакции и радиоактивного распада. Похожи и гистограммы однотипных процессов, проходящих в разных местах. Но что значит – похожи? Облако может быть похоже на верблюда, внук на деда, а портрет может быть не похож на оригинал. Какова мера сходства, каковы критерии, разделяющие объекты на похожие и непохожие? Особенностями распределения в несостоятельных гистограммах профессиональные математики начинают заниматься только сейчас. А задача – сопоставлять их, оценивать сходство и различие – стоит перед экспериментаторами давно. Так вот, долгое время гистограммы сопоставляли на глаз: похожи – не похожи. Именно на таком подходе был основан первый, эмпирический критерий сходства. Работа над его совершенствованием не прекращается, и сейчас уже есть более строгие методы сравнения гистограмм. Теперь о неслучайности их сходства можно говорить более уверенно. Но ведь если не случайно сходство формы дискретных гистограмм в связанных между собой процессах, то и сама дискретность – не игра случая! Что-то определяет набор более вероятных состояний. Что-то делает его похожим в разных системах. Что-то изменяет его во времени. Что? Не будем спешить: мы уже у цели, и она не уйдет от нас, но давайте-ка посмотрим по сторонам, отвлечемся еще ненадолго от пробирок и пипеток. АРИФМЕТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Теперь представьте себе, что вы наугад достаете из мешка, в котором помногу разных натуральных чисел, два числа, перемножаете их и записываете результат. Вероятность получить из двух сомножителей числа 48 гораздо выше, чем числа 47 или 49. Это значение результата "взаимодействия" двух чисел (умножения) будет встречаться чаще, чем соседние. Оно "предпочтительно", на гистограмме результатов нашего эксперимента здесь был бы пик. То же будет и для чисел 12, 60 и некоторых других. Есть пики, есть провалы – как в реальных гистограммах. Сходная картина будет, если использовать не натуральный ряд, а любой другой набор дискретных величин. Конечно, это всего лишь аналогия. Конечно, она ничего не доказывает. Но любопытно, не правда ли? Арифметика описывает взаимодействие чисел и учит, что результаты взаимодействия дискретных величин дискретны. Взаимодействие реальностей описывают физика и химия. Они говорят нам, что скорость вероятностного взаимодействия, например, химической реакции, зависит от активностей агентов, эффективных сечений и т. п. И пропорциональна, в зависимости от типа реакции, их произведениям, степеням – арифметическим комбинациям. И если эти величины флуктуируют дискретно, то и результаты взаимодействия – показатели ферментативной активности, скорости реакции и т. п. – будут распределены дискретно. БИОХИМИЯ С ГЕОГРАФИЕЙ
Рис. 2. Гистограммы, полученные в разные дни, различаются между собой, но в каждый из этих дней пущинские и томские гистограммы похожи друг на друга Ясно, что объяснить это все внутренними причинами, взаимодействием объектов измерения между собой – немыслимо. Значит, у флуктуации есть некая внешняя, глобальная причина, имеющая к тому же универсальный характер. И она задает в весьма удаленных точках одинаковую структуру процессов. Но все не так просто. Есть еще "эффект места": образцы, находящиеся в разных местах помещения, различаются формой гистограмм МФ. Точнее, различаются не образцы, а как бы сами места. Меняешь колбы местами – меняется и форма гистограммы. Обстоятельство места, как учили в школе. Ну и ну! – вправе сказать читатель. – То эти МФ совпадают аж за тысячи километров, то меняются в пределах одной лабораторной комнаты! Так уж устроено наше сознание: если нет объяснения, значит – не может быть. Но факты – вещь упрямая. Есть и другие головоломки. Например, в некоторых процессах совпадают одновременные гистограммы, в других – они совпадают при совмещении их с поправкой на местное время, то есть в зависимости от положения Солнца. Чтобы как-то разобраться в этой путанице, обращаюсь за помощью к самому С. Э. Шнолю, а он как будто уходит от ответа. – Сейчас по МФ накоплен огромный банк данных, он открыт для всех желающих. Мы не успеваем все обрабатывать, нас очень мало, конечно... Но что мы все-таки знаем определенно: для химических и биохимических процессов набор дискретных состояний вроде бы задан внешними силами – одинаков для множества объектов. Это очень трудно для понимания. Такого рода утверждения надо обнародовать с большой осторожностью. Поэтому мы долго воздерживались от популяризации нашей работы. Такая вот биохимия с географией... ...И АСТРОНОМИЕЙ
Рис. 3. В годы с высокой солнечной активностью разброс результатов меньше, чем при спокойном Солнце Взгляните на график (рис. 3). На нем – среднегодичные уровни флуктуации за 30 лет работы. Обратите внимание, как сильно меняются МФ год от года. И еще на графике – показатель солнечной активности, числа Вольфа. Видите, кривые находятся в противофазе: высокий уровень активности – флуктуации невелики, спокойное Солнце – флуктуации (разброс результатов, нестабильность процессов) велики. Как тут не вспомнить А. Л. Чижевского и его последователей, установивших нашу – и отдельных организмов, и общества – зависимость от Солнца... С солнечной активностью коррелируют многие космофизические явления. Она влияет на магнитное поле, ионосферу, потоки частиц. Похожей на МФ зеркальной противофазностыо обладает интенсивность нейтронной компоненты галактического излучения. Конечно, обнаружить корреляцию – еще не значит установить зависимость, но корреляция есть. Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца, пересекает разные секторы его магнитного поля. Шноль с коллегами установили: с моментом пересечения границ секторов тоже связаны достоверные изменения МФ. Поиск скрытых периодичностей во временных рядах флуктуации привел к еще одной находке. Очень вероятным оказался период около 29 суток – почти точно лунный цикл. Что же, выходит, и Луна замешана в этом деле? Это предположение вроде бы подтверждается. Во всяком случае, было замечено, что форма гистограмм зависит от положения Луны относительно горизонта. И от положения Солнца – тоже. В моменты его захода и восхода флуктуации закономерно меняются. А еще они зависят от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. Это стало известно после уникального эксперимента во время солнечного затмения 31 июля 1981 года, когда измеряли величину МФ в пяти пунктах от Кавказа до Сахалина – по всей полосе затмения на территории СССР, и еще в пяти – вне ее. Впрочем, это – отдельная история. Так какой же из космофизических факторов можно отождествить с той самой, синхронизирующей структуру процессов внешней силой? Этого пока не знает никто. Как не знает никто природы этой силы. По-видимому, она не электромагнитная. Такой вывод сделан после попыток экранировать от нее объекты измерения разными материалами. Когда обнаружили лунное влияние на МФ, подозрение пало на гравитацию. Но с какой бы стати ей влиять на радиоактивный распад? Задаю этот вопрос Шнолю. – Все верно, – подтверждает он, – сорока порядков не хватает. Раньше в Дубне проводились школы по молекулярной биологии. Там был замечательный лозунг "От ложного знания – к истинному незнанию!" Так вот, к истинному незнанию мы продвинулись хорошо. И поэтому утверждений определенных – все меньше, а неопределенных – все больше. Можно, конечно, попробовать все объяснить такими труднопонимаемыми словами, как "метрика пространства". Представьте, что в многомерном (не четырехмерном) мире какая-нибудь метрика, координата, меняется, и мы вдруг оказываемся то в одном мире, то в другом. Вся система пространства меняется. Но это нельзя пока ни доказать, ни опровергнуть... Вот в таком состоянии это научное направление встретило свое 30-летие. Миллионы измерений. Сотни экспериментов. Десятки новых, часто противоречивых фактов. Две нетривиальные, острые идеи: о существовании внутренне присущей всем объектам и процессам дискретности состояний и о некоей универсальной силе космического масштаба, определяющей разрешенный в данный момент спектр этих состояний. Одно явление – макроскопические флуктуации в процессах разной природы. И не очень много людей, тянущих этот огромный воз. Они иногда вязнут, иногда попадают в ямы. Иногда их, наверное, заносит. Но они продолжают движение. И готовы принять помощь. Год назад работа Шноля и его единомышленников подверглась организованной атаке в 4-м выпуске журнала "Биофизика". Рядом с обзором работ по МФ за 30 лет краткая – из двух статей – дискуссия. По одной работе – из двух стволов. И еще даты... Даты поступления статей в редакцию. Обзор пролежал там больше двух лет. Первая критическая статья появилась через год. Другая, пошедшая в номер буквально "с колес", естественно, еще позже. Хорошо, когда ученые анализируют работы коллег, находят в них ценные идеи или, тем более, ошибки. Хуже, если ученые – по своей воле или под влиянием внешних сил – организуются в ряды и отряды. Лично меня поразил уровень напористости критиков – куда более высокий, чем у авторов обзора. Можно ли вот так, без диалога низвергать работу, занявшую долгих 30 лет? Ею ведь занимались не дилетанты, и, видимо, не случайно в разное время интерес к ней проявили, не дав утонуть в собственной сложности и противоречивости, такие известные o науке (и такие разные) люди, как Г. М. Франк, С. Е. Северин, Л. А. Блюменфельд, Г. Р. Иваницкий, В. П. Скулачев. Упоминаю об этом вовсе не затем, чтобы уберечь от критики, прикрыть авторитетом нетривиальные, на мой взгляд, эксперименты и выводы. Здесь иное – уровень осмысления странного феномена МФ... Детали научной дискуссии – дело специалистов. Я – о другом. О взаимонеуважении людей науки, рождающем и быстрые сенсации, и быстрые "разоблачения". О враждебности в науке. О том, как наше научное сообщество насыщено некорректностью и недоброжелательностью. Это насыщение тоже шло под влиянием внешней силы. Внешней по отношению к науке. Враждебность должна уйти. Должна восторжествовать ценность человека, ценность (не стоимость) научной идеи. Как любит говорить Шноль, должно вернуться интеллектуальное удовольствие от обсуждения чужих работ. Мне бы очень хотелось, чтобы доброжелательность вернулась... В производительную силу? Нет, в храм! |
| Дата публикации: 15 января 2004 года | В начало |
| Источник информации:
«Химия и жизнь», № 7, 1990, с. 16.
Электронная версия. |
© "От молекул до планет", 2006 (2002)... |
