Наука — развивающийся процесс, а не набор догм

Уильям Кристан (младший), Кэтлин Френч

ШИРОКОЙ АУДИТОРИИ ОЧЕНЬ ТРУДНО ОБЪЯСНИТЬ, что такое «вера» в научную теорию. Отчасти это связано с тем, что в понятие «вера» люди вкладывают разный смысл. В повседневной жизни мы используем слово «верить» в самых разных контекстах:

Я верю, что скоро пойдет дождь.

Я верю своему ребенку, когда он говорит, что не употребляет наркотики.

Я верю, что подсудимый виновен.

Я верю, что кора головного мозга — вместилище сознания.

Я верю, что А будет лучшим президентом, чем В.

Я верю в гравитацию.

Я верю в Бога.

В одних примерах «я верю» означает «я уверен», а в других — что-то вроде «по моему мнению» или «я предполагаю», как во фразе о возможном дожде. В каждом случае тот, кто верит, может действовать исходя из своего убеждения, и эти действия могут быть малозначимыми (когда вы берете с собой зонт, выходя из дома) или иметь далеко идущие последствия (когда вы строите свою жизнь, основываясь на религиозном учении). Где на этой шкале находится вера в научную теорию? Это трудный вопрос, потому что научные теории в своем развитии проходят несколько стадий, и на каждой из них критерии могут существенно разниться. Эти стадии существуют потому, что наука следует стратегии «предположение — проверка — интерпретация», и такая последовательность обычно повторяется многократно. Интересно, что и в повседневной жизни мы все действуем подобно ученым — по крайней мере, иногда.

Рассмотрим пример из жизни. Вы устраиваетесь в любимом кресле, чтобы почитать газету, щелкаете выключателем торшера, но свет не зажигается. Возможно, кто-то выдернул шнур из розетки (предположение 1). Вы смотрите на стену и видите, что вилка шнура в розетке (проверка 1), а значит, проблема в другом (интерпретация 1). Возможно, сработал предохранитель (вполне логичное предположение 2); однако телевизор, подключенный к той же электрической цепи, работает (проверка 2) — стало быть, дело не в предохранителе (интерпретация 2). Возможно, неисправна стенная розетка (предположение 3); вы включаете в нее другую лампу, и она зажигается (проверка 3). Значит, розетка исправна (интерпретация 3). Затем вы последовательно проверяете еще несколько предположений (не перегорела ли лампочка, не оборвался ли шнур) и, наконец, находите интерпретацию (неисправный выключатель), которая позволяет вам починить торшер. Все ваши предположения основываются на прежнем опыте обращения с автоматическими выключателями, стенными розетками и лампами, а также на общих знаниях об электричестве.

В том, что касается базовой логики, научное исследование не слишком отличается от починки торшера — разве что каждый его этап может быть гораздо более сложным. Один из подходов, описанный еще Аристотелем, называется индукцией: вы собираете все доступные факты о каком-либо явлении, размышляете, а затем выводите («индуцируете») общие закономерности, объясняющие факты [Индуктивные рассуждения как наилучшая модель для научных размышлений имеют очень долгую историю, и к ним прибегали многие великие философы, в том числе, помимо Аристотеля, Дэвид Юм («Трактат о человеческой природе»), Иммануил Кант («Критика чистого разума») и Джон Стюарт Милль («Система логики силлогистической и индуктивной»). Они утверждали, что сначала ученый должен собрать данные о предмете своего интереса, не задумываясь о связи между фрагментами полученной информации (потому что размышления о причине и следствии могут повлиять на сбор данных), а затем последует ослепительная вспышка озарения, и ответ станет ясен. Философы ХХ века, такие как Карл Поппер («Предположения и опровержения: рост научного знания») и Томас Кун («Структура научных революций»), утверждали, что истинная индукция бесплодна (она ограничена доступными данными) и, кроме того, ученые все равно действуют иначе. У ученого всегда есть по крайней мере общие соображения (догадки) о том, что важно, и именно они указывают, какие данные следует собирать; здесь начинается цикл «предположение — проверка — интерпретация». Интересная дискуссия по этому вопросу содержится в эссе Питера Медавара The Philosophy of Karl Popper (1977) из опубликованного после его смерти сборника под названием The Threat and the Glory (New York: Harper Collins, 1990). Каждый начинающий ученый должен прочесть эту работу и вдохновиться ею, прежде чем переступить порог лаборатории, а всем прочим для лучшего понимания было бы неплохо прочесть ее дважды.]. Это весьма распространенный подход, и его применяют для получения самых разных объяснений: как сакральных (таких, как мифы о сотворении мира), так и бытовых (почему не заводится машина). Однако за последние два столетия, по мере развития экспериментальной науки, индуктивный метод перестал быть источником лучших объяснений и превратился в инструмент формулирования предположений. (Ученым нравится термин «гипотеза», философы предпочитают говорить «допущение», но оба этих слова — синонимы «предположения» [Есть и другие синонимы: например, «правильная догадка», или более напыщенно — «удачный всплеск творческого таланта»; но мы предпочитаем «предположение». «Удачный всплеск» — это цитата из Уильяма Уэвелла (History of the Inductive Sciences, London: John W. Parker, 1837), приведенная в книге Питера Медавара The Limits of Science (New York: Harper and Row, 1984). Сэр Питер Медавар был чрезвычайно успешным британским иммунологом (в 1960 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине) и написал множество научно-популярных эссе и книг для широкой публики, а также философских работ для ученых. Все его произведения — образцы ясности мышления, и читать их — истинное удовольствие.].)

Значит ли это, что генерирование гипотез превратилось в заурядную и несущественную часть научного познания? Вовсе нет! Чтобы выдвинуть хорошее предположение, требуются фундаментальные знания и творческие способности. Как правило, хорошая гипотеза неожиданна (никто ранее не задумывался об этом или не принимал эту мысль всерьез), интересна, проверяема и может подтверждаться во многих экспериментах. Иногда вместо слова «проверяемость» используют термин «фальсифицируемость» — чтобы гипотеза считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения с помощью объективных, повторяемых экспериментов [Этой теме посвящено множество книг. Самая авторитетная из них — «Логика научного исследования» Карла Поппера, впервые опубликованная в Германии в 1935 году. (Философы считают ее немного старомодной, однако ученые-исследователи утверждают, что в ней описано почти все, чем они занимаются ежедневно.) Более современная и доступная книга на эту тему — Failure Стюарта Файрштейна (New York: Oxford University Press, 2016).]. Проверки, необходимые для оценки гипотезы (то есть для того, чтобы принять или отвергнуть предположение), должны быть строгими. (Принятие гипотезы означает лишь то, что она пока не отвергнута.) По сути, ученые пытаются выявлять причинно-следственные связи, и поэтому научная гипотеза обычно имеет следующий вид: «А является причиной В». Приведем пример из нашего лабораторного исследования медицинских пиявок. Мы предположили, что определенные нейроны в нервной системе пиявки запускают ее плавательные движения. Основываясь на результатах первоначальных экспериментов, аспирантка Дженис Уикс обнаружила разновидность нейронов, подходящих на эту роль; она назвала их клетками типа 204 [J. C. Weeks and W. B. Kristan, Jr., «Initiation, Maintenance, and Modulation of Swimming in the Medicinal Leech by the Activity of a Single Neuron», Journal of Experimental Biology 77 (1978): 71–88.]. Как мы могли проверить ее предположение, что именно клетки типа 204 отвечают за плавание? В сущности, есть три общепринятые категории проверок на причинно-следственную связь: проверки на корреляцию, необходимость и достаточность. В экспериментах Дженис с клетками 204 проводились проверки всех категорий.

Корреляция. Записи электрических сигналов клеток 204 показали, что нейроны всегда активизируются непосредственно перед тем, как животное начинает плавать, и остаются активными все время, пока оно плавает, — то есть активность клеток коррелирует с процессом плавания. Обратите внимание: даже этот самый слабый тест на причинно-следственную связь мог бы опровергнуть наше предположение в том случае, если бы клетки 204 не были активны во время плавания. Иными словами, с помощью теста на корреляцию можно опровергнуть гипотезу — но не подтвердить ее.

Достаточность. Стимуляция одной клетки типа 204 (одного из приблизительно 10 тысяч нейронов центральной нервной системы пиявки) заставляла животное плавать. Мы пришли к выводу, что активации одной клетки 204 достаточно, чтобы пиявка начала плавать. Но этот тест не доказывал, что активация клетки 204 — единственный способ вызвать плавательные движения. Нужны были дополнительные тесты.

Необходимость. Деактивация одной клетки 204 (путем пропускания через нее электрического тока, вызывающего торможение) снижала вероятность того, что стимуляция нерва заставит животное плавать. Это значит, что активность клетки 204 необходима для плавания — по меньшей мере частично. (В нервной системе пиявки 12 клеток типа 204, и только две из них можно контролировать одновременно; этот факт объясняет, почему вероятность плавания лишь снижалась, а не сводилась к нулю.)

По итогам этих экспериментов, а также аналогичных опытов с нервной системой других животных клетки типа 204 были признаны «командными нейронами» — их активация вызывает определенные действия (то есть «подает команду» к этим действиям). Считается, что командные нейроны связывают сенсорный вход с моторными зонами мозга: они принимают входящие сигналы от сенсорных нейронов, и если эти сигналы активируют их, то они, в свою очередь, инициируют то или иное моторное действие. Эти нейроны также называют «нейронами принятия решений», поскольку предполагается, что их истинная функция — выбор нужного действия из нескольких возможных (например, плыть или ползти).

Первые эксперименты с клетками типа 204 были проведены почти 40 лет назад, и поэтому разумно задать вопрос: мы по-прежнему верим в первоначальные выводы из цепочки «предположение — проверка — интерпретация»? [Новейшие представления о нейронной цепи, отвечающей за плавание пиявки, изложены в обзорной статье: W. B. Kristan, Jr., R. L. Calabrese, and W. O. Friesen, «Neuronal Basis of Leech Behaviors», Progress in Neurobiology 76 (2005): 279–327.] И да, и нет. Основные данные выдержали проверку временем (и много раз воспроизводились), но дальнейшие эксперименты выявили и другие нейроны, по своим функциям похожие на клетки 204, и поэтому первоначальный вывод о том, что за плавание пиявки отвечают только клетки 204, оказался упрощением. Эксперименты с использованием красящих веществ, которые светятся, сообщая об электрической активности нейрона (это позволяет одновременно наблюдать за работой множества нейронов), показали: решение о том, что должна делать пиявка — плыть или ползти, — принимается на основе трудноуловимых взаимодействий между многими нейронами. Клетки 204 вместе с другими командными нейронами подают сигнал к моторному действию после завершения этих тонких взаимодействий. Таким образом, клетка 204 не «главнокомандующий», а скорее «лейтенант», выполняющий приказы «коллективного руководства», которое и принимает решения [В последнее время стали возможны аналогичные эксперименты с мозгом, который больше похож на мозг человека, чем мозг пиявки, и это позволило ученым задаться вопросом, есть ли в нашем мозге нейроны с такими же функциями, как у клеток 204 в мозге пиявки. Серьезным препятствием к выяснению функций отдельных нейронов стало огромное количество нервных клеток в мозге млекопитающих. Однако в последнее десятилетие методы визуализации и селективной экспрессии молекул, регистрирующих активность нейронов, позволили исследовать поведенческие функции множества нейронов одновременно. В результате эксперименты, подобные тем, что описаны для клеток 204, теперь могут проводиться и на более сложном мозге, например рыбьем и мышином. Ученые визуализируют нейроны с известной функцией, выясняя корреляцию их активности с поведением животного. После генетической модификации нейроны начинают вырабатывать чувствительные к свету белки, и в результате ученые получают возможность воздействовать на эти нейроны светом с определенной длиной волны, включая или выключая их во время поведенческого теста, чтобы определить их достаточность и необходимость для данного поведения. Подобные эксперименты — наряду с другими — привели к настоящему перевороту в исследованиях нейронной основы поведения животных со сложным мозгом. Подробную информацию об этой методике можно найти в приведенных ниже работах. В первых двух рассматривается сам метод, а в остальных описаны эксперименты, выполненные с его помощью. K. Deisseroth, «Controlling the Brain with Light», Scientific American 303 (2010): 48–55; K. Deisseroth, «Optogenetics: 10 Years of Microbial Opsins in Neuroscience», Nature Neuroscience 18 (2015): 1213–1225; E. Pastrana, «Primer on Optogenetics. Optogenetics: Controlling Cell Function with Light», Nature Methods 8 (2010): 24–25; V. Emiliani, A. E. Cohen, K. Deisseroth, M. Haeusser, «All-Optical Interrogation of Neural Circuits», Journal of Neuroscience 35 (2015): 13917–13926.].

Помня об экспериментах с клетками типа 204, вернемся к значению слова «вера» в науке. Этот вопрос нужно рассматривать как минимум на трех уровнях.

1. Есть ли возможность опровергнуть гипотезу? Если не существует способа опровергнуть гипотезу с помощью объективных, осуществимых экспериментов, эта гипотеза может быть интересной, но не может относиться к научной сфере.

2. Считаем ли мы данные достоверными? Для ответа на этот вопрос мы должны оценить применимость методик, тщательность экспериментов, убедительность результатов. Например, в типовом эксперименте с целью выяснить функцию той или иной зоны мозга исследователи будут вмешиваться в работу этой зоны и регистрировать изменения в поведении или активности мозга. Для выявления изменений экспериментатор использует стимулы и фиксирует реакцию на них. Зачастую данные неоднозначны: один и тот же стимул может вызывать разную реакцию, а два разных стимула — одинаковую. Причин тому может быть много, и существуют проверенные методы обнаружения и разрешения такого рода проблем. Например, можно не посвящать человека, оценивающего результаты, в подробности исследования (это называется «слепым» методом). Или можно повторить эксперимент в другой лаборатории, с другими сотрудниками, оборудованием и сложившимися практиками проведения опытов.