Наука в учебниках и «на самом деле»

О фосфенах – световых вспышках, фиксируемых при закрытых глазах – впервые рассказали после своего полёта на Луну в 1969 г. астронавты Эдвин Олдрин и Нил Армстронг. НАСА отнеслось к их рассказам со всей серьёзностью и провело специальное исследование данной проблемы. Результатом исследования стал вывод о том, что за вспышки с большой вероятностью несут ответственность быстро движущиеся частицы космических лучей. НАСА также решило отнести фосфены к факторам риска космических полётов. Сами астронавты по этому поводу особенно не беспокоятся… более того, астронавт Европейского космического агенства Кристер Фуглезанг (Christer Fuglesang) рассказывает о счастье, испытанном в тот момент, когда, перемещаясь в спальном мешке в пространстве корабля, он внезапно увидел белые пятна, окружённые красивым гало. Пятна быстро исчезли из поля зрения… Кристер уже был наслышан о таинственных вспышках от коллег-астронавтов и наконец-то увидел их сам!

Как считает Ливио Наричи (Livio Narici) из Национального института ядерной физики в Риме, при попадании частиц космических лучей в мозг они возбуждают те его участки, которые отвечают за визуализацию. Наричи называет несколько причин, по которым фосфены следует рассматривать как фактор риска.

Во-первых, замечает он, у нас нет (и не может быть) никакой информации об отсроченных последствиях вспышек для здоровья астронавтов. Более-менее понятно одно: фактор риска явно меньше для экипажей Шаттлов или МКС – от заряженных частиц их защищает магнитное поле Земли. Для тех же, кто в течение нескольких месяцев будет лететь на Марс, он может оказаться достаточно высоким.

Во-вторых, у нас нет ответа на весьма важный вопрос о том, как фосфены влияют на остальные органы чувств космонавтов? Если частицы космических лучей действительно оказывают воздействие на зрительную кору головного мозга, то точно так же они могут действовать и на другие его участки, что может проявиться в необычных запахах или в звуках… Безобидные в повседневной жизни, они могут стать весьма серьёзным фактором риска, если их появление совпадёт во времени со взлётом или посадкой космического корабля.

Несомненно одно – появление фосфенов отмечают почти все астронавты и космонавты. Опрос показал, что загадочные вспышки видели восемь из десяти астронавтов и что обычно фосфены появляются при закрытых глазах, причем 12 из 59 опрошенных сказали, что вспышки мешали им спать. При ярком освещении и открытых глазах вспышки видели всего три респондента и никто из участников опроса не упоминал о каких-либо запахах или о вкусовых ощущениях. Результаты опроса были в 2006 г. опубликованы в журнале «Aviation, Space and Enviromental Medicine» (2006, vol. 77, p. 449 ).

Каков же механизм появления фосфенов ? Как считают эксперты НАСА, речь может идти об известном физикам «свечении Вавилова–Черенкова». Попадающие в глаз астронавта частицы космических лучей движутся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме c. Если эта скорость превысит скорость света в глазном яблоке (числовое значение которой меньше с), то частицы станут источниками электромагнитного излучения. Эмпирическая проверка этой гипотезы была осуществлена следующим экстравагантным образом. В 70-х гг. прошлого столетия Петер МакНалти из Технологического Колледжа в Потсдаме, штат Нью-Йорк (Clarkson College of Technology, Potsdam, New York) и его коллеги из Принстонского университета просто подставили свои головы под пучок мюонов от ускорителя, после чего обменялись ощущениями. Извещённая о предстоящем эксперименте, администрация университета, несмотря на все сомнения, всё же разрешила его проводить, поставив, однако, условие: объектами исследования могут быть только преподаватели. В итоге аспиранты управляли ускорителем, профессора же – по их собственному желанию – успешно выступили в роли подопытных кроликов.

Эти эксперименты позволили установить, что за некоторые вспышки действительно было ответственно черенковское излучение… однако объяснять таким образом происхождение всех вспышек было бы неверно. Действительно, когда скорость частиц снижалась до значений, при которых черенковское излучение прекращается, фосфены полностью не пропадали. Мак Налти считает, что в таких случаях частицы проникают в находящиеся за глазом нервные клетки и возбуждают кратковременный незначительный электрический ток. Мозг же, по всей видимости, интерпретирует такие токи как световые вспышки.

Однако в официальный отчёт об экспериментах Мак-Налти и его коллег была включена, как оказалось, не вся информация. Беседуя с участниками этих экспериментов, Ливио Наричи выяснил, что некоторые из них, находясь под облучением, ощущали странные запахи. По сравнению со световыми вспышками этот эффект казался им несущественным, и они не упомянули о нём в своих отчётах. В то же время этот факт может означать, что возникновение фосфенов сопровождается не вполне понятными процессами в находящейся в передней части мозга обонятельной луковице.

Отдадим должное Ливио Наричи: он не ограничился комментариями к чужим исследованиям и начал собственные – уже на борту космического корабля. Программа экспериментов Наричи и его коллег состоит в следующем. Астронавты, участвующие в эксперименте, носят специальные шлемы; на внешней поверхности шлемов размещено шесть детекторов элементарных частиц. Заметив световую вспышку, астронавт должен немедленно нажать специальную кнопку, показания же детекторов позволяют установить, в каком направлении двигаются попадающие в головной мозг частицы космических лучей. Анализируя эту информацию, исследователи выявляют (либо не выявляют) корреляции между появлением фосфенов и регистрацией частиц детектором. Они также устанавливают, движутся ли эти частицы непосредственно в глаз или их мишенью является оптический нерв, или, возможно, область зрительной коры головного мозга.

На станции «Мир» такие эксперименты показали: в течение 26 часов космонавт наблюдает – естественно, речь идет об усреднённых данных – 233 вспышки. В то же время следующая серия экспериментов, уже на МКС, позволяет говорить только о 20 вспышках в течение 7 часов. Следует учитывать, что через глаза астронавтов за одну минуту проходит в общей сложности около 20 частиц, а следовательно, невозможно соотнести данную вспышку с какой-либо определённой частицей. Эксперименты усложняются, и в последней их модификации шлем снабжен также электродами, соединёнными с электроэнцефалографом. Мы получаем, таким образом, возможность постоянного мониторинга мозговой деятельности и, если эксперименты пройдут удачно, сможем установить, какие именно участки мозга астронавтов возбуждаются при регистрации фосфена.

Проводя эксперименты на околоземной орбите, Наричи не оставляет без внимания лаборатории на Земле. Он, в частности, использует мощности синхротрона находящегося в Дармштадте Общества по изучению тяжелых ионов (Society for Heavy- Ion Research). Получаемые с помощью синхротрона пучки атомов углерода используются для облучения больных с опухолями мозга, и многие из таких больных отметили, что видели фосфены. Прекрасно понимая, что проблема фосфенов является междисцплинарной, Наричи подключил к её обсуждению химиков, поставив перед ними вопрос о природе химических реакций в светочувствительном белке родопсине. Родопсин играет ключевую роль в механизме зрительного восприятия, и Наричи заинтересовался, могут ли такие реакции быть запущены попадающими в него заряженными частицами. «Проблема фосфенов напоминает айсберг» – говорит итальянский физик. Откроется ли нам подводная часть этого айсберга до начала лунных и марсианских экспедиций, сможем ли мы определить, насколько опасны для их участников загадочные вспышки?

Вы сможете найти в этой статье все особенности реальной науки, перечисленные в правой колонке таблицы, Действительно, в завершающем абзаце отмечается, что Наричи подключил к обсуждению проблемы химиков – безусловное свидетельство согласования позиций (в данном случае, с представителями иной науки). Что касается неоднозначности, то это, собственно говоря, тема всей статьи в целом – исследования фосфенов продолжаются и вопросов пока ещё больше, чем ответов. Точно так же на протяжении всей статьи мы видим примеры постоянного взаимодействия учёных друг с другом (роль научного сообщества). Социальный фактор в данном случае определяется общественной значимостью проблемы, поскольку космические программы финансируются из денег налогоплательщиков. Что же касается неочевидности практического использования результатов исследований, то в статье речь идёт о поисковых исследованиях, и в отношении каждого из описываемых в статье результатов вряд ли можно говорить о непосредственном практическом выходе. В то же время благодаря всем описанным исследованиям накапливается уникальный эмпирический материал о действии заряженных частиц на головной мозг… прогнозировать заранее, где и для каких практических задач этот материал будет востребован, вряд ли возможно.

Точно так же вы можете анализировать любую научно-популярную статью. Результаты проведенного вами анализа могут стать частью курсовой работы или доклада на семинарском занятии.