О медленной науке

Всем известно, что наука — вещь не на один день, но исследования обычно проводятся всё-таки в сравнительно короткие сроки, будучи разбиты на отдельные эксперименты или самостоятельные проекты, чему способствует и схема финансирования современной науки. Но есть и такие исследования, которые невозможно ускорить. Они касаются, к примеру, изучения человеческой жизни в целом или возмущений земной коры. Одни производят сотни статей в год, а другие — одну точку измерения за десятилетие.

Журнал Nature подготовил материал о подобных штудиях — памятниках дальновидности, терпению и самоотверженности учёных. Предлагаем его вашему вниманию с некоторыми сокращениями.

400 лет: подсчёт пятен на Солнце

Астрономы следят за пятнами с тех самых пор, как изобрели телескоп: сохранились даже записи самого Галилея. На протяжении большей части этого времени исследователи не знали, что это за явление, не догадываясь о существовании в природе магнитных полей. Лишь в 1848 году швейцарский астроном Рудольф Вольф начал проводить систематические наблюдения и разработал формулу, которая по сей день используется для расчёта «международного числа солнечных пятен» — числа Вольфа — и даёт представление об изменении солнечной активности с течением времени.

Центр анализа данных о солнечных воздействиях при Королевской обсерватории Бельгии ведёт учёт солнечных пятен по фотографиям и рисункам от руки, выполненным более чем пятью сотнями наблюдателей с 1700 года. Эти данные имеют неоценимое значение для прогнозирования солнечной активности, отмечает Лейф Свальгард из Стэнфордского университета (США). Активность, по-видимому, ослабевает и вновь набирает силу в течение 11 лет или около того, и потоки заряженных частиц, которые солнечные пятна разбрызгивают в космос, могут повлиять на работу спутников и наземной электроники. Подробные данные помогают исследователям понимать причины этого цикла и уточнять прогнозы особенно интенсивных всплесков активности. «Чем дольше продолжается наблюдение, тем лучше проверяются гипотезы», — подчёркивает г-н Свальгард. Каждый год около 200 статей цитируют данные о солнечных пятнах, и они посвящены не только физике Солнца, но и геомагнетизму, атмосфере, климату.

Эта летопись существует исключительно благодаря энтузиазму учёных. Ежемесячно бельгийский центр обрабатывает показания, которые получают 90 наблюдателей. Две трети из них — любители с небольшими оптическими телескопами не мощнее тех, что использовались два столетия назад. И хотя этот центр имеет интернациональное значение и признан Международным научным советом, он не получает финансирования от этой организации. Помимо главы центра Фредерика Клетта, там на полставки занят лишь ещё один человек, который в свободное от этой базы данных время подвизается астрономом в Королевской обсерватории Бельгии.

Г-н Клетт не жалуется: его увлекает «сотрудничество» с коллегами, жившими сотни лет назад. Например, он говорит, что, хотя наблюдения Галилея неравномерно охватили Солнце (астроном больше интересовался планетами и другими вещами), его рисунки позволяют судить о магнитной структуре групп солнечных пятен, а также о размере и наклоне диполя звезды. Иными словами, из тех рисунков можно извлечь точно такую же информацию, как из чертежа, сделанного сегодня.

Исследователь поражён силой предвидения своих предшественников. Они добросовестно записали увиденное, считая, что это пригодится впоследствии. «Это фундаментальный аспект науки — не беспокоиться о конечном результате», — говорит учёный.

Утренний Везувий (фото Trey Ratcliff).

170 лет: наблюдение Везувия

Хотя вулкан активен постоянно, раз в несколько тысяч лет он устраивает особенно эффектные представления. В последний раз Везувий уничтожил Помпеи и Геркуланум в 79 году, а до этого, около 3 800 лет назад, залил всю территорию современного Неаполя. Обсерватория Везувия — старейшая в мире исследовательская станция для наблюдения за вулканом. Она открылась в 1841 году, чтобы по глубинному рокоту предупреждать о грозящей опасности, в 600 м вверх по склону — достаточно далеко от вершины, чтобы до неё не долетел выброшенный мусор, и достаточно высоко, чтобы не залило лавой. Станция проложила путь современной вулканологи и геологии, считает её нынешний директор Марчелло Мартини.

Мачедонио Меллони, первый глава обсерватории, стал пионером изучения магнитных свойств лавы, что сильно пригодилось в последующих исследованиях палеомагнетизма — истории магнитного поля Земли. В 1856 году второй директор, Луиджи Пальмьери, изобрёл электромагнитный сейсмограф, более чувствительный к дрожанию земли, чем предыдущие аппараты, что позволило ему предсказывать извержения. Именно этой обсерватории мир обязан значительной части приборов, используемых по сей день для мониторинга вулканов. В начале ХХ века, например, Джузеппе Меркалли разработал шкалу для классификации вулканической активности.

Но сама станция уже не играет той роли, для которой она была предназначена. «На начальном этапе важно было оказаться как можно ближе к месту действия, но сегодня в этом нет необходимости», — отмечает Харальдур Сигурдссон из Род-Айлендского университета (США). Мониторинг теперь осуществляется удалённо — с помощью датчиков, а данные поступают в лабораторию Национального института геофизики и вулканологии в Неаполе. В 1970 году историческое здание превратилось в музей.

Станция много сделала не только для науки, но и для защиты населения — например, предупредила об извержении в 1944 году. Неапольская лаборатория, где учёные дежурят круглые сутки, следит также за островом Стромболи, расположенным к северу от Сицилии, кальдерой под Флегрейскими полями на западе Неаполя и островом Искья. Впрочем, г-н Сигурдссон поясняет, что будущее вулканологии не в установке датчиков на вулканах, уже известных своей опасностью, а в спутниковых радиолокационных наблюдениях для повсеместного мониторинга деформации поверхности Земли. «Следует двигаться в направлении формирования международно согласованной системы слежения за вулканической активностью, которая охватит весь мир, а не только склоны вулканов», — считает специалист.

Фото Rothamsted Research.

170 лет: влияние удобрений на сельское хозяйство

Служителям науки приходится не только продолжать доставшиеся по наследству эксперименты, но и ломать голову над тем, как обеспечить согласованность данных, несмотря на новую аппарату и методы измерений. Именно в эту ловушку попал Энди Макдональд, которому в 2008 году выпало курирование наблюдений за воздействием минеральных и органических удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, начатых в 1843 году.

Проект стартовал на территории усадьбы производителя удобрений Джона Лоуза в Ротэмстеде, что к северу от Лондона (Великобритания). Магнат хотел знать, как азот, фосфор, калий, натрий, магний и навоз влияют на пшеницу, ячмень, бобовые и корнеплоды.

«20–30 лет спустя ответы на основные вопросы об относительной важности различных удобрений были уже получены», — рассказывает г-н Макдональд. Наибольший эффект оказался у азота, за ним следует фосфор. Эксперимент продолжается для проверки свежих идей относительно удобрений в условиях новых методов ведения сельского хозяйства. В 1968 году, например, зерновые культуры с длинным стеблем, которые выращивались с начала опытов, были заменены на высокоурожайные культуры с коротким стеблем. По словам г-на Макдональда, новым культурам потребовалось больше удобрений по сравнению с традиционными сортами из-за того, что они извлекали из почвы больше питательных веществ.

«Ротэмстедский проект — прадедушка долгосрочных сельскохозяйственных исследований», — говорит Фил Робертсон, директор Биологической станции им. Келлогга Университета штата Мичиган (США). По его словам, непрерывная цепочка данных бесценна. В Ротэмстеде можно изучать не только экологические и биологические тенденции (например, содержание углерода в почве и воздействие инвазивных видов), которые становятся очевидными лишь по прошествии времени, но и немедленные эффекты (к примеру, в результате потери азота почвой).

В ротэмстедском архиве хранится около 300 тыс. растений и проб грунта. В 2003 году учёные выделили ДНК двух патогенов пшеницы из архивных образцов, восходящих к 1843 году, и показали, что промышленные выбросы диоксида серы навредили некогда доминантному виду.

Проект получает финансирование от государства, по грантам и из целевого фонда, учреждённого Джоном Лоузом. Честь и хвала спонсорам, которые готовы поддерживать научную работу даже в периоды каких-то поразительных результатов!

90 лет: изучение гениев

В 1921 году психолог Льюис Терман из Стэнфордского университета (США) начал следить более чем за полутора тысячами одарённых детей (таковых определяли по итогам теста на IQ, разработанного самим Терманом на основе работы французского коллеги Альфреда Бине), родившихся в период с 1900 по 1925 год. Это было одно из первых в мире продольных исследований, и сегодня это самая продолжительная хроника человеческого развития, в которую занесены сведения о семейной жизни, образовании, интересах, способностях и личностных качествах.

Терман хотел опровергнуть распространённое мнение о том, что одарённые дети часто болеют и не могут устроить свою жизнь. Социологическая наука в те годы была не такой строгой, как сегодня, но даже по меркам того времени исследование было на редкость непродуманным. Тестировали только тех детей, на которых указывали их школьные учителя, и более 90% испытуемых были европеоидами из верхних и средних слоёв общества. Терман включил в исследование и своих детей. Более того, он писал рекомендательные письма своим «термитам», как их стали называть, и помог некоторым попасть в Стэнфорд.

Когда дети выросли, Терман с удовлетворением убедился, что они в среднем столь же здоровы и счастливы, как и другие люди.

Впоследствии учёные не раз обращались к этому эксперименту, чтобы сделать его более достойным звания научного. Например, в 1980-х годах Джордж Вейлант из Гарвардской медицинской школы (США) решил пополнить данными Термана собственное долгосрочное исследование и приступил к сбору информации о смерти «термитов». Воспользовавшись этими записями, Говард Фридман из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) сделал одно из самых важных открытий, за которые можно поблагодарить Термана. Он показал, что добросовестность (точнее, рассудительность, настойчивость и расчётливость) и в детстве, и в зрелости является ключевым психологическим фактором долгой жизни, способным подарить человеку шесть или семь «лишних» лет.

Уникальная фотография: всего шесть капель. Сегодня их уже восемь! (Фото University of Queensland.)

85 лет: в ожидании капли

В 1961 году, на второй день работы в Квинслендском университете (Австралия), физик Джон Мейнстоун наткнулся на странный эксперимент, который спокойно и незаметно протекал в лабораторном шкафу вот уже 34 года. С тех пор минуло больше полувека, а он всё наблюдает за ним.

Всё началось с первого профессора физики этого учреждения, Томаса Парнелла, который решил продемонстрировать студентам, что кусок пека (продукт перегонки дёгтя, настолько хрупкий, что при достаточно низкой температуре его можно разбить молотком) способен вести себя как жидкость. Образец поместили в стеклянную конструкцию, напоминающую песочные часы, и приготовились ждать, когда закапает. И действительно капало — раз в 6–12 лет. Девятой капли г-н Мейнстоун ожидает к концу этого года.

Не сказать, что эксперимент привёл к сенсационным открытиям. За 86 лет он породил только одну статью, в которой сообщалось, что пек в 230 млрд раз более вязок, чем вода. А в 2005 году проект заработал Шнобелевскую премию.

Тем не менее это тоже наука, и с этим образцом далеко не всё ясно. До сих пор никому не удавалось увидеть падение капли своими глазами. Веб-камера, с помощью которой следили за образцом, сломалась как раз перед тем, как капнуло в прошлый раз — в ноябре 2000 года. Поэтому неизвестно, как именно капля отрывается от остального куска. Кроме того, не изучено влияние на эксперимент погоды, систем кондиционирования и вибрации от ремонтных работ в здании.

Г-н Мейнстоун считает, что ценность эксперимента следует искать в области истории и культуры, а не науки: он вдохновляет скульпторов и литераторов на размышления о течении времени и темпе современной жизни. Кроме того, это памятник преемственности в науке. «Пока мир переживает один кризис за другим, мы продолжаем заниматься своим делом», — говорит учёный. И, судя по размерам образца, он будет капать ещё полтораста лет. К счастью, 78-летний исследователь уже нашёл себе преемника...

Подготовлено по материалам журнала Nature News.