Как парадоксальные вопросы и простое удивление приводят к великим научным открытиям

Ману Пракаш одновременно занимается решением самых насущных мировых проблем и, казалось бы, легкомысленных вопросов. В совокупности это формирует философию, которую он называет «рекреационной биологией». Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Внутри компании Manu Prakash работают два учёных. Биоинженер из Стэнфордского университета половину своего времени посвящает изучению неотложных проблем здравоохранения, имеющих глобальное значение, а остальное время — исследованиям вопросов, «никого не представляющих», как он сам говорит. Однако для него эти занятия не противоречат друг другу. Вместе они представляют собой своего рода философию жизни.

Пракаш широко известен своими новаторскими недорогими научными инструментами. В 2014 году он изобрел самый дешевый в мире микроскоп (стоимостью менее 1 доллара), известный как Foldscope, собранный в основном из листа бумаги; с тех пор он распространил это устройство среди биологов-любителей по всему миру.* Он также придумал бумажную центрифугу, ручную центрифугу, которая может разделять компоненты крови для медицинской диагностики, и Inkwell, портативное устройство для приготовления мазков крови для диагностики инфекционных заболеваний.

По его словам, эти практические занятия стоят того, но Пракаш чувствует себя счастливее всего на лодке, отбирая пробы морской воды, чтобы исследовать странные микроскопические организмы ради их же собственного, великолепного великолепия. Затем он разбирается в физике и математике, которые управляют зачастую необычным поведением этих одноклеточных существ.

Немногие исследователи с одинаковым рвением занимаются как прикладными, так и теоретическими науками, но Пракаш утверждает, что одно невозможно без другого. Он дал название новой области на стыке этих дисциплин: рекреационная биология. Подобно рекреационной математике, которая занимается головоломками и играми ради удовольствия, рекреационная биология Пракаша свободно наблюдает за жизнью и задает вопросы о ней как о форме игры.

«Мы — люди, и любопытство определяет нас», — сказал Пракаш. «Благоговение и удивление заложены в нашем мозге», и они являются основой всех человеческих открытий, добавил он.

В биологии, ориентированной на хобби, вопросы стоят на первом месте, и Пракаш следует своим принципам на практике. Например, проведя некоторое время на борту исследовательского судна, он задался вопросом — поскольку это казалось парадоксальным — существуют ли фотосинтезирующие клетки в глубоком, темном океане. Вскоре он выловил Pyrocystis noctiluca, вид фотосинтезирующих водорослей, и описал механизм его раздувания, который он использует, чтобы перепрыгивать из глубокой воды в мелководье у побережья Гавайев «как йо-йо», — по его словам, — подвиг, ранее считавшийся невозможным для одной клетки. В процессе своих исследовательских изысканий Пракаш также охарактеризовал геометрию клеток, которые охотятся, разворачивая плотные складки мембраны — что он назвал «математической загадкой, но скрытой в живом существе» — и «хвосты комет» падающих частиц вещества в океане, известные как морской снег, которые влияют на глобальные углеродные циклы.

Пракаш вырос в городе Мирут, Индия, где у него была склонность к прогулкам на природе и удовлетворению своего любопытства с помощью простых инструментов. Он продолжил обучение в Индийском технологическом институте в Канпуре, где изучал информатику и инженерию, а в 2008 году завершил аспирантуру по прикладной физике в Массачусетском технологическом институте. В 2011 году он основал свою лабораторию в Стэнфорде, где его первоначальной целью было разработать инструменты для диагностики малярии «под деревом», как он сам сказал, — то есть, упростить идентификацию смертельной инфекции там, где это наиболее необходимо. Эта миссия развивалась, и теперь он и его студенты исследуют границы биологии, изучая нетрадиционные организмы и демократизируя доступ к науке.

Когда он не занят на лодке, изучая любопытные клетки, Пракаш работает над масштабными проблемами общественного здравоохранения, такими как малярия и плохие санитарные условия. Он проводил полевые исследования в Индии, Руанде, Сенегале, Танзании, Кении, Мадагаскаре и Уганде, а его работа включает обучение врачей использованию его инструментов «экономной науки». Часто два его метода исследований взаимно дополняют друг друга. Лаборатория Пракаша создала автоматизированный микроскоп, работающий от батареи мобильного телефона и диагностирующий малярию в 30 раз быстрее, чем это может сделать человек — изобретение, которое стало возможным только потому, что он «бродил по астрономической литературе, а не искал решения», — сказал он.

Хотя Пракаш и превратил свою философию в профессию, он считает, что каждый может стать биологом-любителем. Именно поэтому он уделяет первостепенное внимание расширению научного образования во всем мире и благодаря своему проекту Foldscope создал сообщество биологов-любителей, которые поддерживают и мотивируют друг друга с удивлением заглядывать в скрытый мир.

«Мы все в долгу перед Богом за время, проведенное на этой планете, — сказал Пракаш. — А потом вы свободны исследовать мир».

Журнал Quanta побеседовал с Пракашем о его философии исследований, скрытых чудесах микроскопии и клеточном оригами. Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.

Как бы вы описали своё творчество?

Я провожу два типа экспедиций. Некоторые из них посвящены технологиям, ориентированным на здравоохранение и экологию, а другие – простому любопытству, позволяющему понять, как устроена жизнь. Они взаимосвязаны. Половину времени меня не волнует, насколько полезны те или иные знания. Но другая половина посвящена изучению самой насущной проблемы, над которой никто не работает. Принесет ли капитализм эту проблему миру естественным путем? Если нет, то как мы можем это сделать? Как масштабировать проект? В ходе этого процесса мы также задаем и решаем научные загадки.

Foldscope помог вам заявить о себе. Как вы к этому пришли?

Почти 12 лет назад, когда мы разрабатывали микроскоп для обнаружения малярийных паразитов в сельских клиниках, мы изобрели Foldscope — самый экономичный в мире микроскоп, который можно носить в кармане. Диагностика малярии с его помощью была непрактичной, но он сразу же нашел применение в образовательной сфере, поскольку за доллар любой мог наблюдать за микроскопическим миром. Сейчас мы охватили около 3 миллионов детей в 150 странах, и это стало крупнейшим сообществом любителей микроскопии. В сообществе есть лауреаты Нобелевской премии, но мы называем его любительским в том смысле, что присоединиться может любой желающий.

В науке многие чувствуют, что их голос не услышан, и сообщество Foldscope — это способ использовать творчество, чтобы выделиться, а не свой статус, связи или место публикации статьи.

Почему бумажный микроскоп — хорошее дополнение к инструментарию биолога-любителя?

Позвольте мне показать вам. [По Zoom Пракаш складывает бумажный микроскоп, превращая его из плоского в рабочий за 30 секунд, приклеивает личинку комара к предметному стеклу и подносит микроскоп к камере, чтобы показать внутренности личинки.] Это сердце, а это иммунные клетки.

Когда мы вместе смотрим в Foldscope, внезапно мы перестаём рассуждать гипотетически. Мы только что увидели сердце комара. Увидев такое, люди начинают задавать вопросы. Нам должно быть позволено формулировать вопросы, основанные на нашем опыте, а не только на учебнике. Неважно, кто впервые описал сердце комара; важно то, что вы это увидели. Если мы научим людей наблюдать и задавать вопросы, имеющие эмоциональную окраску, у них появится желание их решать.

Наблюдение — это практика, и если вы не практикуетесь, вы её теряете. Вы можете гулять по самому красивому заповеднику или даже просто по своему саду и на самом деле не замечать сложности того, что происходит вокруг вас. Мне кажется, мы забываем, как задавать вопросы, поэтому, став взрослыми, нам приходится учиться этому заново.

В рекреационной биологии широкое любопытство играет ключевую роль в установлении связей между различными областями знаний. Как , например, изучение астрономии привело вас к созданию Octopi — диагностического инструмента для выявления малярии?

В случае с малярией наша задача заключалась в том, что до сих пор для обнаружения паразита [живущего внутри клетки] нам приходилось использовать 100-кратный объектив с масляной иммерсией на микроскопе, который стоит 10 000 долларов. Вы просто продолжаете увеличивать изображение, но все равно видите лишь несколько клеток. Медицинскому работнику же необходимо видеть от 3000 до 5000 клеток и, исходя из этого, определить, болен ли человек малярией.

Астрономы уже решили эту проблему. Когда мы смотрим на звезды, мы не можем получить много информации из их формы. Они выглядят просто как точки. Эти объекты находятся так чертовски далеко, что астрономы продолжают строить всё более крупные телескопы. Поэтому вместо этого они смотрят на цвета света, исходящего от звезды, потому что в этих цветах скрыта химия и состав того, что может происходить так далеко. Это идея спектроскопии — химический состав того, что горит, отражается в излучаемом им свете.

Итак, перед нами были все эти клетки, но мы не могли их увидеть. Как же нам найти редкие клетки с паразитами? Я не хотел покупать набор фильтров для микроскопа за 5000 долларов, поэтому решил просто посмотреть, что получится, если смотреть через кусок стекла. Результат был не очень хорошим; свет просачивался разными цветами. Но потом мы поняли, что паразиты пропускают свет определённого цвета.

Оказывается, свет, излучаемый инфицированной клеткой, отличается на 10 нанометров [по сравнению с неинфицированной клеткой]. Мы работали над той же самой проблемой, которую уже решили астрономы. Теперь мы можем создавать дешевые микроскопы с объективами стоимостью от 10 до 15 долларов и огромным полем зрения, которое позволяет нам исследовать 20 миллионов клеток в капле крови [и идентифицировать малярийных паразитов по их световым характеристикам].

Как вы формулируете исследовательские вопросы в области рекреационной биологии?

Абсурдность строения клеток является движущей силой этой работы.

Наша первая океанографическая экспедиция на Гавайях состоялась потому, что у нас было предчувствие, что нам следует поискать фотосинтезирующие клетки в глубинах. Мы знаем о китах. Киты могут нырять и погружаться на глубину за один вдох, поэтому мы задались вопросом: может ли клетка сделать то же самое? У меня не было никаких грантов или финансирования для океанографических исследований. Я познакомилась с замечательным человеком, который предложил мне лодку у берегов Гавайев, и это был мой первый опыт участия в океанографической экспедиции. Это было около семи-восьми лет назад, и я просто влюбилась в жизнь на борту. Я только что завершила свою 19-ю экспедицию, так что мы прошли долгий путь.

Я хотел проверить, сможем ли мы найти фотосинтезирующие клетки на большой глубине. Это парадоксально, но было бы интересно. В итоге мы обнаружили эти прекрасные фотосинтезирующие клетки, но у них нет жгутика. У них нет ресничек. Нет органелл для движения. Так как же они туда попадают? И как они когда-нибудь вернутся? Ведь если ты находишься на большой глубине, но тебе нужен свет для выживания, ты или твоё потомство должны подняться на поверхность.

Мы обнаружили, что у клетки есть прекрасный двигатель плавучести. Она надувается, как воздушный шар, и очень похожа на опреснительную установку. Аквапорины [белки, образующие поры в клеточных мембранах] притягивают пресную воду с меньшей плотностью, поэтому она может внезапно взлететь на 250-300 метров. Она производит белки, а затем опускается. Теперь эта клетка держит мировой рекорд по самой длинной клеточной миграции. Это объект размером 100 микрон, перемещающийся на полкилометра. Если бы вы сделали это в масштабах своего тела — я бы, наверное, смог пройти до другого конца планеты и вернуться обратно. Но клетка совершает эту миграцию за семь дней.

Какие еще уникальные особенности клеток вы обнаружили?

Однажды мы изучали микроб Lacrymaria olor, который охотится, невероятно сильно вытягивая шею — это эквивалентно тому, как если бы человек ростом 180 см вытянул голову на 60 метров. Мы никак не могли понять, как он это делает.

Затем, когда я был в Японии с детьми, меня очаровали эти бумажные фонарики-чочин. Я начал размышлять о том, может ли настоящее оригами происходить на клеточном уровне. Я понял, что это может быть и есть архитектура клетки. Мы пошли в лабораторию и тщательно измерили клетку, и — бац! — это оказалось именно тем, что мы предполагали. В этом случае вопрос возник первым. Он может быть причудливым во многих отношениях, и ответ, скрытый глубоко внутри, имел феноменальную биологическую основу.

Ваш подход к исследованиям, движимый любопытством, относится к фундаментальной или базовой науке, которая изучается не для практического применения. Что бы вы хотели донести до общественности о важности фундаментальной науки?

Большинство проблем, с которыми мы сталкиваемся в обществе, по своей сути возникают из-за отсутствия у нас фундаментального понимания процессов, в которые мы вмешиваемся. В медицине каждое когда-либо изобретенное лекарство — это результат наших попыток вмешаться в то, что нам неподвластно. Когда мы создаем решения, используя только имеющиеся знания, мы оказываемся невероятно ограничены в том, что можем сделать, по какой цене и в каком масштабе.

Дело не в инвестициях. Это гораздо глубже, заложено в каждом из нас. Фундаментальная наука служит не какой-то конкретной цели, а является основой всего нашего общества.

Итак, как же подготовить биолога-любителя?

Вы покупаете им резиновые сапоги, берете их в глубины океана, болота или ледники и учите их наблюдать. Вы даете им свободу задавать оригинальные вопросы, не беспокоясь о том, будут ли они полезны кому-то еще, и они начнут видеть то, чего раньше никогда не замечали.

Нам всем должно быть позволено прикоснуться к тайнам живого мира, но люди избегают этого. Они говорят, что наука им кажется скучной или неинтересной, или что она им не по душе, или что у них не получается. Но наука — это всё. Это все эмоции, всё, что вы пережили, и всё наше существование в мире. Мы лишили почти всех возможности познать чудо живого мира. Для меня рекреационная биология — это ответ на вопрос, как нам это вернуть.

*Примечание редактора: Распространение Foldscope поддерживается Фондом Саймонса, который также финансирует это независимое издание. Решения Фонда Саймонса о финансировании не влияют на наши публикации. [назад]

Источник: www.quantamagazine.org