Świat Nauki, Marzec 2011, Nr 3 (235)

SWLMMUKI SCIENTIFIC AMERICAN

Marzec 2011 nr 3 (235)

ARTYKUŁY BIOLOGIA

56 Po nitce do kłębka

ZDROWIE

34 Pokonać otyłość W rozwiązaniu problemu nadwagi pomoże nie zmiana fizjologii, lecz otoczenia, David H. Freedman

Rozmieszczenie łańcucha DNA w jądrze komórkowym ma wielki wpływ na funkcjonowanie genów w zdrowiu i chorobie. Tom Mistełi EKOLOGIA

64 Obrońca obcych

FIZYKA

33 Jeszcze bardziej paradoksalni bliźniacy Liczący już ponad 100 lat problem „paradoksu bliźniąt" okazuje się głębszy i mniej akademicki, niż sądzono. Marek Abramowicz i Stanisław Bajtlik

Zdaniem ekologa Marka Davisa gatunki inwazyjne nie są aż takim zagrożeniem, jak uważają niektórzy naukowcy. Rozmawia Brendan Borrell ASTROFIZYKA

BADANIA KOSMOSU

38 Satelity obywatelskie Małe, standaryzowane satelity umożliwiają prowadzenie doświadczeń na orbicie nawet bardzo niewielkim grupom badaczy. Alex Soojung-Kim Pang i Bob Twiggs ZRÓWNOWAŻONY

ROZWÓJ

44 Błękitna rewolucja Nowe rybne farmy na pełnym morzu to sposób na zapewnienie światu tak potrzebnego białka. Sarah Simpson

68 Kosmos w promieniach X Dzięki pomysłowemu układowi luster teleskop NASA NuSTAR pozwoli dojrzeć utajone kosmiczne zjawiska. Fiona Harrison i Charles J. Hailey NEUROPROTETYKA

70 Umysł wyzwolony Pionier neuroprotetyki przekonuje, że w przyszłości połączymy umysły w globalną sieć i będziemy „ściągać" nasze myśli bezpośrednio do podręcznych pamięci. Miguel A.L. Nicolelis HISTORIA NAUKI

PSYCHOLOGIA POZNAWCZA

53 J a k język kształtuje myśl Języki, którymi mówimy, wpływają na nasze postrzeganie świata. Lera Boroditsky

Zdjęcie Floto + Warner

74 Łoś Jeffersona Jak Thomas Jefferson obalał mit o zdegenerowanej Ameryce stworzony przez europejskich przyrodników. Lee Dugatkin

marzec 2011, Świat Nauki 1

STAŁE R U B R Y K I 6

Skaner Spór o witaminę. Zbawienne robaki. Ptasznik z Bagdadu. Plastikowa zagląda, Polski wzór w chemii. W rezonansie z wirusem. Problemy zimowych dzieci. Matematyka a popularność. Towarzystwo ze zderzacza. Kaprysy powonienia. Ciasto z prądem.

19 Wokół nauki Redakcja Scientific American Cena strachu 30 Forum Francesco Grifo Dobre strony impasu 31

TechnoFakty David Pogue Otwarte pytanie

33 Zdrowie Katie Moisse W propagandowej Sieci 78 Umysł giętki Marek Penszko O Wandzie, co chciała Niemca, i Józefie, który chciał przeżyć 81 Głos sceptyka Michael Shermer Houdini uczy sceptycyzmu 83 Anty(po)waga Steve Mirsky Nuda w operze 83 J a k i dlaczego Biżuteria Saturna 84

Recenzje Lekcje astronomii króla Stasia

86

Faktograf Mark Fischetti Zakochany mózg

87 Warto wiedzieć Tydzień Mózgu Śladami pionierów chemii Fascynująca technika 88 Sto lat temu OKŁADKA Jeżeli obecny trend się utrzyma, otyłość stanie się najpoważniejszym poje­ dynczym czynnikiem ryzyka przedwczesnego zgonu w USA, wyprzedzając nawet palenie papierosów. Niestety, metody behawioralne, które mają naj­ trwalszy wpływ na nasze nawyki żywieniowe i aktywność fizyczną oraz mo­ głyby najskuteczniej powstrzymać epidemię tycia, są często lekceważone. Ilustracja: Bryan Christie Opracowanie polskiej wersji okładki: Irina Pozniak

SWIAIMAUKI SCIENTIFIC AMERICAN Redaktor naczelny Elżbieta Wieteska [email protected] Redakcja Tatiana Krajowska-Kukiel (sekretarz redakcji) [email protected] Olga Orzytowska-Śliwińska [email protected] Lech Trzeciak [email protected] Redakcja techniczna, skład i tamanie Jolanta Kotas Adres redakcji ul. Garażowa 7 02-651 Warszawa tel. 22 607 77 71,607 77 90 faks 22 848 22 66 e-mail: [email protected] Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o. ul. Garażowa 7 02-651 Warszawa tel. 22 607 77 71,607 77 90 faks 22 848 22 66

TŁUMACZE, AUTORZY I KONSULTANCI BIEŻĄCEGO NUMERU prof. Marek Abramowicz Wydział Fizyki Uniwersytetu w Góteborgu oraz Centrum Mikołaja Kopernika Polska Akademia Nauk w Warszawie dr Stanisław Bajtlik Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polska Akademia Nauk

Marta Kozłowska mgr Marek Krośniak Biblioteka Jagiellońska

mgr Rafał Bożek Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytet Warszawski

dr Małgorzata Luczyńska-Hołdys Instytut Anglistyki UW

mgr Joanna Burek Katedra Matematyki Stosowanej Politechnika Lubelska

Adrian Markowski

dr Michał Czerny

mgr Agata Przybysz

mgr Beata Dąbrowa-Kość

mgr Magdalena Richter Instytut Biochemii i Biofizyki PAN

Marek Penszko

dr Mikołaj Golachowski /w.Zl^',

Prezes Zarządu Maciej Makowski Kolportaż Firma 2M Magdalena i Marek Szwed ul. Garażowa 7, 02-651 Warszawa tel. 22 607 79 10 [email protected] Druk QuadAVinkowski Sp. z o.o. ul. Okrzei 5, 64-920 Pita Nakład 35 000 egz. INDEKS 378194 ISSN 0867-6380 Copyright © Prószyński Media 2011 Wszystkie prawa zastrzeżone (łącznie z tłumaczeniem na języki obce). Żaden fragment niniejszego wydania nie może być wykorzystany w jakiejkolwiek formie - fotokopii, mikrofilmu czy innych reprodukcji ani przekładany na język mechaniczny bez pisemnej zgody wydawcy SCIENTIFIC AMERICAN jest zastrzeżoną nazwą handlową należącą do Scientific American, Inc. w Nowym Jorku i używaną przez firmę Prószyński Media na podstawie umowy licencyjnej.

SCIENTIFIC AMERICAN Editor in Chief: Mariette DiChristina Board of Editors: Fred Guterl, Ricki L. Rusting, Philip M. Yam, Gary Stix Editors: Davide Castelvecchi, Mark Hschetti, Chhstine Gorman, Anna Kuchment, Michael Moyer, George Musser, Kate Wong Contributing Editors: Mark Alpert, Steven Ashley,

mgr Paulina Klimentowska dr Ewa Kozłowska Zakład Immunologii Wydział Biologii Uniwersytet Warszawski

dr Weronika Śliwa Niebo Kopernika

Andrzej Hołdys dr n. med. Tomasz Jagielski Zakład Mikrobiologii Stosowanej Instytut Mikrobiologii Wydział Biologii UW

dr Berenika Targos dr hab. Jarosław Włodarczyk Instytut Historii Nauki Polska Akademia Nauk

lek. med. Władysław Januszewicz mgr farm. Patrycja Klimek-Wierzbicka Katedra Biochemii i Chemii Klinicznej Wydział Farmaceutyczny Warszawski Uniwersytet Medyczny

Magda Zawadzka NKJO Radom mgr Marta Żylicz

Promocja: Marta Rendecka, tel. 22 607 77 83, e-mail: [email protected] Biuro Reklamy: Joanna Piasecka, tel. 22 607 77 86, e-mail: [email protected] Prenumerata indywidualna - reklamacje: Biuro Obsługi Klienta Prószyński Media Sp. z o.o. - telefonicznie (w godzinach 8.00-17.00): 22 607 78 27 - faksem, z dopiskiem „Prenumerata": 22 849 40 60 - listownie, pod adresem: Prószyński Media Sp. z o.o., ul. Garażowa 7, 02-651 Warszawa - elektronicznie: [email protected]

3Sa ;UIP „J"" Bi

M.HMIIK

f "

1.

Cytargttwi V, *| BELGIA/HOLANDIA

BRAZYUA

:

fj£H - .

r£"-t-J

CHINY

CZECHY

SCIENTIFIC AMERICAN na świecie

Graham P. Collins, John Rennie, Sarah Simpson Design Director: Michael Mrak President: Steven Inchcoombe Vice Presidents: Bruce Brandfon, Michael Florek, Michael Voss SCIENTIFIC AMERICAN 75 Varick Street, 9th Floor New York, NY 10013-1917

4 Świat Nauki, marzec 2011

Redakcja nie odpowiada za treść zamieszczanych reklam.

SKANER Czym żyje nauka

MEDYCYNA

D jak dawkowanie Nowa idea rezygnacji z suplementowania witaminą D wywołała ostre spory wśród specjalistów Lekarze w krajach strefy umiarkowanej od około 10 lat zalecają swoim pacjentom przyjmowanie dodatkowych porcji witaminy D. Wielokrotnie wykazano bowiem, że jej wysoka podaż (znacznie przewyższająca uzy­ skiwaną z typowej diety i ekspozycji na słońce w tych rejonach) koreluje z rzadszym występowaniem chorób przewlekłych, w tym nowotworów oraz cukrzycy typu 1. Nietrudno więc zrozumieć konsternację, jaką wywołał Institute of Medicine, doradzający amerykańskiemu rządowi w sprawach polityki zdrowotnej, gdy w listopadzie ub.r. ogłosił, że suplementy z wita­ miną D są Amerykanom na ogół niepotrzebne, a nawet mogą szkodzić. Stwierdzenie to ujawniło głęboki podział wśród specjalistów ds. żywie­ nia. Jedni utrzymują, że akceptowalnym w nauce kryterium jest tylko wy­ nik randomizowanego badania klinicznego, pozwalającego bezpośrednio porównać efekty określonej interwencji medycznej ze skutkami uznanej terapii lub podawania placebo. Taki pogląd podziela większość członków zespołu oceniającego suplementację witaminy D. „Badania do­ starczają zazwyczaj dowodów naukowych o największej war­ tości" - napisali w swoim raporcie i konsekwentnie wyliczyli dawki jedynie na podstawie danych pochodzących z prób klinicznych. W analizach nie uwzględnili jednak wielu badań obser­ wacyjnych, w których naukowcy porównywali stan zdrowia populacji przyjmujących duże dawki witaminy D (w natural­ nej diecie lub w suplementach) oraz spożywających jej małe ilo­ ści. Badania epidemiologiczne tego typu mają teoretycznie mniejszą wagę od klinicznych, ponieważ bazują na obserwacjach w warunkach, w których niemożliwa jest kontrola wszystkich zmiennych mogących wpływać na wy­ nik. Naukowcy kompensują brak tego nadzoru liczebnością grupy - w nie­ których badaniach nad witaminą D monitorowano nawet 50 tys. osób oraz analizami statystycznymi. Wyniki tych prac wskazują, że duże dawki witaminy D są na ogól korzystne. Raport Instytutu sprawił, że niektórzy lekarze ostro skrytykowali próby kliniczne. Zwrócili uwagę, że w żywieniu trudno uzyskać prawdziwą grupę placebo - bo niełatwo zapobiec przyjmowaniu dodatkowych dawek witami­ ny D przez pacjentów z grupy kontrolnej, jeśli jedzą oni normalne posiłki i nie unikają słońca, co może prowadzić do niedoszacowania korzyści z suplementacji. Ponadto trudno oddzielić efekt działania jednej witaminy lub składnika mineralnego od wpływu wielu innych obecnych w diecie, ponie­ waż często działają one wspólnie. „Uznawanie za miarodajne tylko wyni­ ków randomizowanego badania klinicznego jest błędne" - uważa Jeffrey Blumberg, farmakolog z Tufts University. Ciąg dalszy tej historii nastąpi zapewne wiosną, kiedy to własne wytycz­ ne ogłosi Endocrine Society. Organizacja ta zaleca obecnie wyższe stężenia witaminy D we krwi niż Instytut - 30 ng/ml, a nie 20 ng/ml - a to już wy­ maga suplementacji. Będziemy informować o dalszym rozwoju wypadków. Melinda Wenner Moyer

6 Świat Nauki, marzec 2011

SKANER ONKOLOGIA

Od razu rak IMMUNOLOGIA

Najeźdźcy czy strażnicy? Pasożyty jelitowe mogą chronić przed zapaleniem okrężnicy, astmą oraz innymi dolegliwościami Do lunchu w kafejce University of California w San Francisco zasiedli w 2007 roku immunolog P'ng Loke oraz pewien pa­ cjent potrzebujący pomocy w udokumentowaniu swojej cho­ roby. Połączyło ich niecodzienne zainteresowanie pasożytami kolonizującymi jelito człowieka, 35-letni gość Loke'a (nie zgodził się na ujawnienie swojej toż­ samości) wyjaśnił, że cierpi na wrzodziejące zapalenie jelita gru­ bego. Kilka lat wcześniej, poszukując informacji na temat swoich dolegliwości, natknął się na opisy leczenia pasożytami, niezaakceptowanego jeszcze przez Agencję ds. Żywności i Leków (FDA - Food and Drug Administration), ale wnikliwie badanego przez gastroenterologów i parazytologów. Polegało ono na próbie zła­ godzenia przebiegu choroby autoimmunologicznej za pomocą celowego zakażenia pacjenta pasożytniczymi robakami, takimi jak tęgoryjec dwunastnicy czy włosoglówka. Robaki te bowiem, jak się zdaje, pacyfikują ludzki układ odpornościowy, by prze­ żyć wewnątrz organizmu. W licznych badaniach na zwierzętach rzekomo chroniły gryzonie przed rozmaitymi schorzeniami im­ munologicznymi, w tym zapaleniem jelita grubego, astmą, reu­ matoidalnym zapaleniem stawów, alergiami pokarmowymi oraz cukrzycą typu 1. Mężczyzna stwierdził, że mógłby odnieść korzy­ ści z takiej terapii, i w 2004 roku zaczął łykać jaja włosoglówki, sprowadzane z Tajlandii. Trzy lata później po objawach choroby praktycznie nie było śladu. Prosił więc o pomoc w ustaleniu, czy przyczyniły się do tego pasożytnicze nicienie. Loke, wprawdzie bez entuzjazmu, ale się zgodził. Efektem była praca, którą niedawno, już gdy przeniósł się do New York University opublikował wraz ze współpracownikami w Science TranslationalMedicine. Sugeruje w niej, że włosoglówki rzeczy­ wiście działają korzystnie - wykonując kolejne badania kolonoskopowe, lekarze obserwowali, jak w skolonizowanych przez nicienie rejonach jelita ustępowały zmiany zapalne i owrzodze­ nia. A w wyniku analiz tkanki Loke stwierdził, że pasożyty mogą wywierać korzystny wpływ poprzez pobudzanie wytwarzania śluzu w jelicie grubym. Zapalenie tego narządu pojawia się bo­ wiem na skutek ataku układu odpornościowego na dobroczynne bakterie zasiedlające przewód pokarmowy i wiąże się ze zmniej­ szeniem produkcji śluzu. Dodatkowa jego ilość mogłaby wpły­ wać łagodząco na układ odpornościowy i zapobiegać zwalczaniu przez niego nieszkodliwych drobnoustrojów jelitowych. „To nie jest badanie z podwójnie ślepą próbą, ale zaobser­ wowany przebieg zmian wskazuje, że robaki pomogły temu pa­ cjentowi - mówi Joel Weinstock, gastroenterolog z Tufts University który zapoczątkował badania nad terapią pasożytami. - Najważniejsze w pracy jest wskazanie potencjalnego mecha­ nizmu jej działania - produkcji śluzu - co wcześniej właściwie zaniedbywano". FerrisJabr

Niekiedy do rozwoju nowotworu dochodzi w wyniku pojedynczego zdarzenia Już w szkole uczymy się, że nowotworzenie to powolny, trwający la­ tami proces stopniowej kumulacji błędów w komórce, która ostatecznie zaczyna dzielić się w niekontrolowany sposób.Teraz naukowcy dowodzą, że nie zawsze jest to prawda. Autorzy artykułu, który ukazał się 7 stycznia na tamach Celi, przeanali­ zowali genomy setek pacjentów cierpiących na różne rodzaje nowotwo­ rów, starając się uchwycić kolejno następujące mutacje DNA. Czasami okazało się to niemożliwe: zmieniony byt tylko jeden chromosom (lub fragmenty kilku do siebie przylegających), ale za to w kilkudziesięciu lub kilkuset miejscach. Wyglądało to tak, jakby podwójna helisa pękła na wiele kawałków, które maszyneria naprawiająca pośpiesznie posklejała na chybił trafił. Badacze postawili tezę, że do takich zniszczeń dochodzi na przykład pod wpływem promieniowania jonizującego, kiedy wysokoenergetyczna cząstka uderzy w komórkę, bądź też w wyniku nieprawidłowości w roz­ dziale chromosomów pod koniec podziału komórkowego. Oczywiście nie każde tego rodzaju masowe przetasowanie DNA pro­ wadzi do rozwoju nowotworu - zwykle jest śmiercionośne dla komór­ ki. Czasem jednak skutkuje nadmierną aktywacją tzw. protoonkogenów i/lub dezaktywacją genów hamujących transformację nowotworową. Jak wynika z opublikowanej analizy, ten ostatni scenariusz odpowiada za 2-3% wszystkich nowotworów, w tym za co czwarty mięsak tkanki kostnej. Marta Żylicz

m

GWUM

Nowy EX-H20G z Hybrydowym - GPS, 24 mm szerokokątnym obiektywem i 10 x zoomem optycznym - Najszybszy na świecie DSC wyposażony w Hybrydowy - GPS (GPS z Sensorem Ruchu do ustalania pozycji w wewnątrz i na zewnątrz obiektów) - Aktualna lokalizacja, zdjęcia i filmy są wyświetlane na mapie - Zawiera oprogramowanie Google Picasa na zupełnie nowe doświadczenie dzielenia się zdjęciami

^PicascfwebAibums Google earth

i Ul

600dl

•- 24 mm szerokokątny obiektyw dla imponujących zdjęć krajobrazu . - 10 x zoom optyczny z mechaniczną stabilizacją obrazu 14.1 mega piksel i 3.0" Super Clear LCD ' - Długa żywotność baterii* •' Filmy HD H.264 + wyjście HDMI •i Funkcja panoramy 360° • Single Frame SR Zoom

www.exilim.pl

*Do 600 zdjęć na jednym ładowaniu baterii (standard CIPA) gdy funkcja GPS jest wyłączona.

SKANER NAUKOWIEC W TERENIE

Ptaki moja miłość Mimo wojny i chaosu skromny, 32-letni ornitolog pogłębia wiedzę o skrzydlatych mieszkańcach Iraku Dorastałem w Bagdadzie, ale w week­ czajkę towarzyską. Każdej wiosny te mi­ endy mężczyźni z mojej rodziny - ojciec, grujące ptaki odlatują z Sudanu do swo­ brat, dziadek i ja - wyjeżdżali poza mia­ ich letnich siedzib w Kazachstanie. sto i polowali z sokołami. Sokolnictwo Obserwowanie ptaków w Iraku wyglą­ to sport przekazywany z pokolenia na po­ da inaczej niż w amerykańskich parkach kolenie, nadal go kocham. narodowych. Aby ruszyć w teren, muszę Jako dziecko fascynowałem się za­ uzyskać oficjalną zgodę policji i kilku róż­ równo drapieżnikami, takimi jak sokoły nych ministerstw. Po otrzymaniu wyma­ i inni skrzydlaci łowcy, jak i ich ofiarami, ganych zezwoleń, konwojowani przez 15 na przykład bojaźliwą, podobną do indyka żołnierzy, dotarliśmy do miejsca w pobli­ hubarą (na zdjęciu). Ptaki stały się moim żu Eufratu, gdzie wylądowały nasze czaj­ życiem. Rozwijam swoją pasję na Uniwer­ ki. Przeszukiwaliśmy okolicę przez 13 dni, sytecie Bagdadzkim, gdzie badam ekolo­ ale ptaki, zawsze bardzo ruchliwe w porze gię zagrożonych sokołowi innych ptaków migracji, zdążyły już przenieść się dalej. Miejsce to obrały sobie na od­ drapieżnych. Moje zajęcie wy­ STATUS _ poczynek nie tylko czajki, lecz maga podróżowania po całym _ także działająca w Iraku Al-KaiIMIĘ I NAZWISKO kraju, nawet tam, gdzie wciąż Omar Fadhil da. Kilka miesięcy później jej jest bardzo niebezpiecznie STANOWISKO dwaj długo poszukiwani przy­ i nadal trwa wojna. Magistrant na Wydziale wódcy zostali zabici w pobliżu Wiosną 2009 roku zosta­ Biologii i nauczyciel strefy naszych poszukiwań. laboratoryjny, łem wezwany przez grupę, Uniwersytet Bagdadzki z którą współpracuję, w oko­ Za każdym razem, gdy ru­ MIEJSCE lice Tikrit, rodzinnego domu szam w teren, mieszkańcy wio­ Bagdad, Irak Saddama Husajna. Zespól ten sek pytają: „Co ty tu, do diabła, za pomocą nadajników GPS i radiowych robisz?". Nigdy pierwszy się do nich nie śledzi krytycznie zagrożony gatunek - odzywam. Zamiast tego wyciągam lornet-

9 kę, ustawiam statyw aparatu i wyjmuję książki o ptakach. Pokazuję im rysunki okazów, których szukam, a jeśli to możli­ we, pozwalam im popatrzeć na nie przez lornetkę. Po jakimś czasie często się do mnie przekonują. Wskazują ptaki w książce i mówią: „tego widzieliśmy, a tamtego nie". Stają się moimi zwiadowcami. Po­ mimo wojny znalazłem sześć nowych gatunków, które nigdy wcześniej nie były obserwowane w Iraku. Wysłuchał Gary Stix

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

Jeszcze jedna postać węgla Czysty węgiel może występować w rozmaitych postaciach. D ment, nanorurki, grafen (badania nad nim nagrodzono Noblem z zyki w 2010 roku) - wszystkie mają wyjątkowe własności fizyczne i chemiczne oraz znajdują różne zastosowania w technice. Jest co­ raz więcej dowodów na istnienie jeszcze innej, niezwykłej kryst licznej formy węgla, która może znaleźć zastosowanie do budo\ części mechanicznych, o twardości zmieniającej się w zależno: od wywieranego na nie nacisku. Tę nową alotropową odmianę węgla po raz pierwszy zaobser­ wowano w 2003 roku, gdy badacze poddali grafit (w którym sze­ ściokątne pierścienie węgla są ułożone w równoległych warstwach) działaniu wysokiego ciśnienia w temperaturze pokojowej. Pod wpływem tej „zimnej" kompresji grafit zaczął przyjmować formę hybrydową, pomiędzy grafenem a diamentem, jednak jego struktu­ ra nie została dokładnie poznana. Symulacje komputerowe wskazują, że taki skompresowany gra­ fit zawiera kryształy o sieci tetragonalnej, przestrzennie centrowa­ nej (bet - body-centered tetragonal), oraz nieznaną dotąd strukturę jednoskośną (nazwaną węgiel-M od określenia monoclinic - jed-

8 Świat Nauki, marzec 2011

noskośny). W węglu bet grupy czterech atomów tworzą kwadraty. Upakowane są one w formie uporządkowanych stosów, gdzie każdy kwadrat tworzy wiązanie z czterema innymi z warstwy powyżej i czterema z warstwy poniżej. Zespół Hui-Tian Wanga z Uniwersytetu Nankai w Tianjin w Chinach pokazał, że podczas „zimnej" kompresji przejście do węgla ie energii, co oznacza, że proces ten może Zespół japońsko-amerykański przeprowadził również symula­ cję, w której węgiel tetragonalny dał obraz dyfrakcji rentgenowskiej zbliżony do tego z badań z 2003 roku. „Zgodność pomiędzy symu­ lacją a eksperymentem jest dość duża" - twierdzi Wendy L. Mao ze Stanford University, która uczestniczyła w tym wcześniejszym odkryciu. Wykazanie, czy węgiel bet istnieje i może zostać zsyntetyzowany w czystej postaci „pozostaje dla chemii eksperymentalnej wyzwaniem". DaWde Castelvecchi

SKANER KLIMATOLOGIA

Spór o chmury Jaki jest wpływ promieniowania kosmicznego na ziemski klimat? Chmury mogą powstawać pod proponowali obu stronom sporu wpływem promieniowania kosmicz­ przeprowadzenie doświadczenia. nego - potwierdzają doświadczenia Do synchrotronu protonowego prowadzone obecnie w CERN w ra­ wstawiono stalową komorę napeł­ mach projektu o nazwie CLOUD (Conioną gazami atmosferycznymi. smics Leaving Outdoor Droplets). Akcelerator strzela w nią cząstka­ W latach dziewięćdziesiątych duńscy mi osiągającymi energię podobną badacze Henrik Svensmark i Eigil Friisdo tej, jaką ma promieniowanie -Christensen rozpropagowali teorię, kosmiczne bombardujące ziemską według której obecne zmiany klima­ atmosferę. tyczne wynikają z wahań aktywności Od listopada 2009 roku prze­ Słońca, a nie z działalności człowieka. prowadzono trzy serie takich Dowodzili, że kiedy gwiazda słabnie, testów. Następne są planowane, gorzej chroni planetę przed promie­ ale w polowie grudnia 2010 roku niowaniem kosmicznym. Silniej joni­ Komora, w której odbywa się eksperyment CLOUD. podczas kongresu amerykańskiej zuje ono ziemską atmosferę, inicjując podczas transportu. Unii Geofizycznej Joachim Curpowstawanie chmur, które odcinają tius z Johann Wolfgang Goethe glob od ciepła słonecznego. Pogląd ten ma licznych zwolenników Universitat we Frankfurcie nad Menem ujawnił, że po włącze­ i jeszcze liczniejszych przeciwników wskazujących, że w ostatnich niu synchrotronu w komorze wielokrotnie obserwowano po­ dekadach XX wieku wahania aktywności Słońca miały niewielki wstawanie jąder kondensacji i kropelek wody. Szczegóły badań Andrzej Hołdys wpływ na ziemski klimat. Kilka lat temu naukowcy z CERN za- poznamy dopiero za 2-3 lata.

FABRYKA INŻYNIERÓW

\

Człowiek - najlepsza inwestycja Wzmocnienie i rozwój potencjału dydaktycznego uczelni oraz zwiększenie liczby absolwentów kierunków o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy - to działania, które Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie rozwija dzięki realizacji projektu "Fabryka inżynierów" współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Fundusz Społecznego.

• Kursy wyrównawcze dla studentów AGH z matematyki

Rozszerzenie programu na kierunku Socjologia oraz

i fizyki - BEZPŁATNE

przygotowanie programów na nowym kierunku

Utworzenie nowego makrokierunku Ceramika

Kultur oz nawstwo i Wzmocnienie współpracy Uczelni z przedsiębiorstwami

• Rozszerzenie programu na istniejących studiach

sektorów pozyskiwania i przetwórstwa surowców

międzykierunkowych Inżynieria Akustyczna

mineralnych

Rozszerzenie programu na istniejących kierunkach Metalurgia, Inżynieria Materiałowa i Edukacja

Utworzenie nowej specjalności Pomiary technologiczne

Techniczno-lnformatyczna

i biomedyczne na kierunku Elektrotechnika

9

KAPITAŁ LUDZKI NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

i

AGH

www.fi.agh.edu.pl

UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ SPOŁECZNY

SKANER ZAGADKA Śmiercionośny plastik: Duża część z 260 min ton tworzyw sztucznych zużywanych przez nas co roku trafia do oceanów, oddziałując na życie akwenów mor­ skich. W północnej części Oceanu Spokojnego dryfuje utworzona przez te odpadki wyspa - Wielka Pacyficzna Plama Śmieci. W ciągu ostatnich dwóch lat fotografik Chris Jordan dokumentował wpływ, jaki plastikowe odpady mają na przyrodę Atolu Midway położonego na północny zachód od archipelagu Wysp Hawajskich. Jest to liczący około 8 km2 obszar będący siedliskiem albatrosów, największych ptaków latających. Dorosłe osobniki często biorą kolorowe odpadki za pożywienie i karmią nimi swoje potomstwo, co może prowadzić nawet do śmierci młodych. „Co kilkanaście kroków napotyka się tu szczątki ptaków w różnych stadiach rozkładu" - mówi Jordan, który fotografuje martwe pisklęta i zawartość ich żołądków: zakrętki od bute­ lek, pokrywki opakowań, zapalniczki i inne plastikowe drobiazgi. Ann Chin

FIZYKA

Niesforne oddziaływania Czy grawitacja miesza w elektromagnetyzmie? Niemal każdy artykuł poświęcony unifikacji oddziaływań zaczyna się od stwierdzenia, że einsteinowska ogólna teoria względności i fizyka kwantowa są nie do pogodzenia. Pierw­ sza opisuje grawitację, druga - elektromagnetyzm i siły jądro­ we, ale żadna nie zajmuje się i tym, i tym, dlatego fizycy muszą poruszać się w świecie teorii przedzielonym głęboką szczeliną, To wdzięczny temat do gazety, ale nie oddaje prawdy. „Wszyscy powtarzają, że mechanika kwantowa i grawitacja nie pasują do siebie - są niekompatybilne - wyjaśnia John F. Donoghue z University of Massachusetts w Amherst. - I ciągle słyszymy to samo, chociaż to nieprawda". Słynny fizyk Richard Feynman w latach sześćdziesiątych zaproponował zgrabną kwantową teorię grawitacji. W dużej mierze przypomina ona kwantowe teorie innych oddziaływań. Podobnie jak w elektromagnetyzmie fotony pośredniczą w od­ działywaniu na odległość, tak w grawitacji rolę tę odgrywają cząstki zwane grawitonami. Różnica polega na tym, że elektro­ magnetyzm zachowuje się z grubsza w ten sam prosty sposób niezależnie od skali - zmienia się jedynie wielkość działają­ cej siły. Inaczej jest z grawitacją, która staje się coraz bardziej skomplikowana, gdy odległości maleją. Wskazuje to, że obecne teorie doprowadzą w końcu do kolejnej, głębszej, takiej jak teo­ ria strun lub pętlowa grawitacja kwantowa. Ale to „w końcu" jest tak daleko, że zwykle można pominąć komplikacje zwią­ zane z grawitacją w mikroskali. W latach dziewięćdziesiątych Donoghue oraz inni fizycy przyjęli teorię Feynmana za model roboczy, tzw teorię efektywną. Chociaż nie jest ona z pewno­ ścią ostatnim słowem, to pozwala częściowo zasypać rozpadlinę między grawitacją a innymi oddziaływaniami, przynajmniej dla dużych oraz średnich odległości. W 2006 roku Sean P. Robinson i Frank Wilczek z Massachu­ setts Institute of Technology skorzystali z teorii efektywnej, aby sprawdzić, czy grawitacja wpływa na zależność sil od odległości.

10 Świat Nauki, marzec 2011

Jeżeli grawitacja nie miałaby tu znaczenia, to oddziaływania elek­ tromagnetyczne powinny mieć wartość równą silom jądrowym w jednym zakresie odległości, a w innym - wartość równą gra­ witacji. Robinson i Wilczek podejrzewali, że grawitacja osłabia pozostałe siły i sprawia, że w pewnej skali ich wartości są porów­ nywalne. Pomysł nie wypalił, ale sprawił, że inni również zaczęli zastanawiać się, jak wpływają na siebie różne oddziaływania. W listopadzie ubiegłego roku David J. Toms z Newcastle University w Anglii opublikował pracę, w której przekonywał, że nawet jeżeli grawitacja nie zrównuje wszystkich oddziaływań, to przynajmniej pozwala pogodzić elektromagnetyzm z silami jądrowymi. Jeżeli zaniedbać grawitację, to siły elektromagne­ tyczne rosną wraz ze zmniejszaniem się odległości, a siły jądro­ we słabną. Uwzględnienie grawitacji osłabia elektromagnetyzm i sprawia, że dla najmniejszych odległości zachowuje się on po­ dobnie jak siły jądrowe. Wilczek nazwał pracę Tomsa „godną uwagi". Jednak mniej więcej w tym samym czasie Donoghue i jego doktoranci Mohamed M. Anber oraz Mohamed El-Houssieny zakwestionowali proponowane w niej wyjaśnienie. Chociaż grawitacja bez wąt­ pienia w ten czy inny sposób wpływa na pozostałe siły, to wąt­ pliwe, by efekt ten ograniczał się do zmiany wielkości oddzia­ ływania. Skomplikowany charakter grawitacji powinien mieć wpływ na inne siły. Fakt, że fizycy wyciągają aż tak różne wnioski, bierze się po części stąd, że obliczenia są niezmiernie złożone i nikt jesz­ cze nie wie, jak należy je interpretować. „Bardzo chciałbym stwierdzić, że rozumiem, co się dzieje, ale, niestety, tak nie jest" - przyznaje Toms. Parafrazując odkrywcę jądra atomowego Er­ nesta Rutherforda: fizyk nie może uznać, że coś rozumie, jeśli nie potrafi w prostych słowach wytłumaczyć tego barmanowi. Teoretycy zajmujący się kwantową grawitacją mają szczęście, George Musser że barmani to zwykle bardzo cierpliwi ludzie.

SKANER CHEMIA

Aromatyczność w liczbach Indeks HOMA pomaga precyzyjnie zdefiniować aromatyczność Dzisiejszą chemię czy medycynę trudno wyobrazić sobie bez związków aromatycznych. To liczna i bardzo ważna grupa, mają­ ca powszechne zastosowanie w przemyśle, przy produkcji leków, tworzyw sztucznych i barwników. Występują w organizmach ży­ wych, pełniąc różne, istotne funkcje - przykładowymi związka­ mi aromatycznymi są zasady azotowe tworzące nić DNA. Aromatyczność ma wpływ na właściwości fizyczne, che­ miczne oraz biologiczne cząsteczki poprzez zmiany jej struktu­ ry geometrycznej. Jednak zdefiniowanie tego terminu sprawia mnóstwo problemów. Mimo że jest jednym z najczęściej uży­ wanych w chemii organicznej pojęć, nie ma jednej precyzyj­ nej definicji - aromatyczność nie jest bowiem wartością bez­ pośrednio mierzalną. Naukowcy często porównują określanie jej do opisywania piękna - każdy potrafi powiedzieć, czy rzecz bądź osoba mu się podoba, ale nie istnieje definicja jednoznacz­ nie wskazująca cechy klasyfikujące. Możemy przyjąć jakieś kry­ teria, stwierdzić, że warunkiem koniecznym do bycia pięknym są regularne rysy twarzy i figura o określonych proporcjach. Podobnie sprawa się ma z aromatycznością. Ustalono, że cy­ kliczny, sprzężony układ pi-elektronowy (warunek konieczny) może być aromatyczny, jeśli spełnia następujące kryteria: - energetyczne - określenie tzw energii rezonansu, czyli minimalnej energii koniecznej do przekształcenia cząsteczki o zdelokalizowanych wiązaniach w cząsteczkę o identycznej liczbie atomów, ale o wiązaniach w pełni zlokalizowanych. Delokalizacja elektronów w cząsteczce oznacza, że nie można ich przypisać do konkretnego wiązania pomiędzy dwoma atoma­ mi; elektrony są wspólne dla większej grupy atomów i to wła­ śnie one odpowiadają za własności aromatyczne; - geometryczne - związki aromatyczne powinny mieć wią­ zania zbliżonej długości. Do niedawna uważano, że muszą być przy tym płaskie, jednak można znaleźć przykłady związków ([6]radialen), które są płaskie i mają wszystkie wiązania iden­ tycznej długości, ale nie są aromatyczne. Istnieją również niepłaskie związki aromatyczne ([njpirenofany czy heli ceny); - magnetyczne - prostopadłe przyłożenie pola magnetycz­ nego do cząsteczki mającej zdelokalizowane elektrony indu­ kuje przepływ prądu kołowego. Im większa delokalizacja, tym silniejszy prąd. W widmie NMR (magnetycznego rezonansu jądrowego) również widać charakterystyczne sygnały; - reaktywnościowe - zachowanie elektronów pi. Związki aro­ matyczne łatwiej ulegają reakcji podstawienia (nieangażującej elektronów pi) niż przyłączenia, która wymusza ich lokalizację. Jak widać, zakwalifikowanie związku do kategorii „aroma­ tyczny" może sprawiać trudności, gdyż oparte jest na arbitral­ nych kryteriach. Pomocny okazał się tu indeks HOMA (Har­ monie Oscillator Model of Aromacity) opracowany przez prof. Tadeusza Marka Krygowskiego, który otrzymał za to na­ grodę zwaną Polskim Noblem. HOMA pozwala określić, w jakim stopniu dany związek jest aromatyczny, głównie na podstawie kryterium geometrycznego, jednak aromatyczność wg tego in­ deksu najczęściej bardzo dobrze koreluje z pozostałymi kryteria­ mi, co zostało wykazane w licznych publikacjach naukowych.

r 2 HOMAę definiuje się wzorem: 1 - ya/nl(d t - d(.) gdzie: n - liczba wiązań chemicznych w potencjalnie aromatycz­ nym fragmencie; d t - zoptymalizowana długość wiązania, przy którym następuje pełna delokalizacja elektronów (np. dla wiąza­ nia C-C wynosi ona 1,388 A, a C-N, występującego w pirydynie - 1,334A); dj - długość wiązania uzyskana doświadczalnie (zwykle na podstawie dyfrakcji elektronowej lub neutronowej na mono­ krysztale) bądź wynikająca z obliczeń teoretycznych; a - współ­ czynnik normalizacyjny dobrany tak, by osiągnąć wartość 1 dla układu w pełni aromatycznego i 0 dla niearomatycznego. HOMA zakłada stuprocentową aromatyczność (= 1) benzenu z pełną delokalizacja elektronów i zeroprocentową aromatyczność izoelektronowego z nim cykloheksatrienu (cykloheksatrien jest teoretyczną strukturą Kekulego, w której na przemian występuje wiązanie podwójne i pojedyncze - czyli wszystkie elektrony są zlo­ kalizowane), przy czym dopuszcza wyjście poza przedział <0, 1>. Zaletą indeksu HOMA jest możliwość określania stopnia aromatyczności nie tylko węglowodorów cyklicznych, lecz także związ­ ków heterocyklicznych, jonów, a nawet fullerenów Mimo że in­ deks HOMA został opracowany prawie 40 lat temu, znakomicie opisuje też niedawno odkryte związki. Paulina Klimentowska

SKANER CHOROBY ZAKAŹNE

Magnetyzm grypy Gigantyczne urządzenie ujawnia mechanizmy lekoopomości epidemicznego wirusa Coraz częstsza oporność wirusa grypy na dwa podstawowe leki utrudnia postępowanie lekarzom i frustruje farmakologów. Po­ może im 900-megahercowy magnes. Dzięki temu 40-tonowemu kolosowi biochemicy z Florida State University oraz Brigham Young University uzyskali obrazy, które z atomową rozdzielczością pokazują, w jaki sposób wirus grypy unika zniszczenia, oraz wskazują nowe drogi poszukiwania leków. Badacze skupili się na białku M2 z powierzchni drobnoustroju, kluczowym w replikacji wirusa typu A, do którego należą szczepy pandemiczne. Mutacje genu kodują­ cego M2 uodporniają patogen na amantadynę oraz rymantadynę, dwa najczęściej stoso­ wane leki. Oba skutecznie hamowały szlak metaboliczny związany z M2, nie pozwalając na reprodukcję zarazka w komórce gospo­ darza, jednak zmiany konformacyjne białka M2 umożliwiły wirusowi przełamanie bloka­ dy. W 2006 roku Centers for Disease Control and Prevention (CDC) zaleciły zaprzestanie stosowania obu leków. I choć mechanizm oporności na nie był w zarysach znany już od dłuższego czasu, jego szczegóły oraz funk­ cja M2 pozostawały niejasne. Przełom przyniosło zastosowanie techniki zwanej spektro­ skopią magnetycznego rezonansu jądrowego w fazie stałej (SS NMR), pokrewnej znanemu z medycyny obrazowaniu metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (MRI). Obie techniki ba­ zują na oddziaływaniu pola magnetycznego ze spinami jąder atomowych (spin można sobie w uproszczeniu wyobrazić jako wirowanie jądra wokół własnej osi). W klasycznym MRI za po­ mocą silnego magnesu wymusza się ujednolicenie ustawienia

spinów jąder wodoru (który współtworzy wodę, niemal wszech­ obecną w organizmie człowieka), potem zaś rejestruje się ich powrót do nieuporządkowanego stanu. Czas tego powrotu za­ leży częściowo od wielu oddziaływań z sąsiednimi atomami, za­ tem jest inny dla każdej tkanki ze względu na jej skład. Białko M2 leży jednak w błonie komórkowej, w warstwie tłuszczów, gdzie nie ma wody. Dlatego do jego badania po­ trzebna jest odmienna technika. SS NMR pozwala manipulować spinami jąder in­ nych pierwiastków, umożliwia więc badanie obiektów bezwodnych, a także ich zamraża­ nie, co ułatwia obserwacje. TimothyA. Cross i jego współpracownicy z Florida State University skupili się na ją­ drach azotu i ustalili, że M2, mające postać obustronnie otwartego kanału, jest aktywne w środowisku kwaśnym. Kluczowe są przy tym dwa aminokwasy: histydyna i tryptofan. Histydyna przenosi protony ze środo­ wiska komórki do wnętrza wirionu, tryptofan zaś działa jak otwierająca się przed nimi furtka. Transport protonów jest warunkiem rozpoczęcia replikacji drobnoustroju. Mechanizm ten, opisany na lamach Scien­ ce, jest całkowicie unikatowy. „Może więc uda się nam zaprojek­ tować lek ukierunkowany na jego blokowanie" - ocenia Cross, wskazując jednocześnie, że całkowita zależność wirusa od białka M2 może znacznie utrudnić powstanie mutacji warunkujących niewrażliwość na taki środek. Badacz i jego zespół już rozpoczęli testy różnych związków chemicznych pod kątem ich wykorzystania przeciw wirusowi Jessica Wapner gryPY-

Winna zima Ekspozycja na światło dzienne może tłumaczyć związek między chorobami umysłowymi a porą narodzin Ostatnio pojawiło się kilka badań wskazują­ cych, że dzieci urodzone zimą są bardziej podatne na pewne choroby, takie jak schizo­ frenia, depresja i sezonowe zaburzenia afektywne (SAD - depresja sezonowa). Jedno z nich może wyjaśniać przyczynę: ekspo­ zycja na światło dzienne, której poddawano mysie noworodki, wpływała na regulację kluczowych genów zegara biologicznego.

12 Świat Nauki, marzec 2011

Badacze z Vanderbilt University i Uniyersity of Alabama w Birmingham hodowali jedną grupę młodych myszy w warunkach „zimowych" (8 h światła słonecznego), a drugą w „letnich" (16 h światła). Gdy zwierzęta dorosły, kolejne cztery tygodnie trzymano je w takich samych warunkach lub tych ustalonych dla drugiej grupy. W porównaniu z „letnimi" myszami u „zimowych" zegar biologiczny ustawiał się na krótsze okresy bez względu na to, jak

długa była późniejsza ekspozycja na świa­ tło. Zaobserwowano też, że myszy „zimo­ we" przejawiały większą aktywność w nocy, podobnie jak pacjenci z SAD, co wskazuje, że ich zegary nie były tak dobrze dostoso­ wane do pory dnia. Nie znaczy to jednak, że należy natych­ miast kupić do pokoju dziecinnego lampę UV. Badacze wciąż analizują jaki wpływ mają okresowe zmiany długości dnia na ludzi. Melinda Wenner Moyer

MERSy

^OVl«*

POLICZ SAM

4¾¾¾ ^ ¾

Dlaczego jesteśmy prawdopodobnie mniej popularni od naszych znajomych

<%tt,5sniTWA8SŁ»W

Jak statystyka rozmija się z intuicją Czy wasi znajomi są bardziej od was znani? Nie ma żadnego powodu, by tak było, ale przypuszczalnie to prawda. Bardziej prawdopodobne jest bowiem, że przyjaźnimy się z tymi, którzy mają liczne grono zna­ jomych, niż z tymi, którzy nie mają ich prawie wcale. I to nie dlatego, że tych ostatnich unikamy, ale po prostu krąg przyjaciół tych pierwszych jest szerszy i tatwiej się nam w nim znaleźć.

Dla najlepszych studentów kierun­ ków zamawianych

Dotyczy to nie tylko znajomości w życiu realnym, lecz także w ser­ wisach społecznościowych. Na Twitterze, na przykład, mamy do czynie­ nia ze zjawiskiem, które można nazwać paradoksem znajomych - więk­ szość użytkowników ma ich mniej niż ich znajomi. Zanim dojdziecie do wniosku, że powinniście zabłysnąć czymś w Sieci, weźcie pod uwa­ gę, że w identycznej sytuacji są niemal wszyscy inni jej użytkownicy.

stypendia IOOO zł

miesięcznie. Wrześniowe kursy Starti i Start2 dla studentów studiów I i II stopnia. Kursy Przed Maturą.

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego Liczba przyjaciół to typowy przykład nie tak rzadkiej sytuacji, kiedy średnia statystyczna rozmija się z indywidualną perspektywą. Weźmy choćby pod uwagę liczebność grupy akademickiej. Wyobraźmy sobie maty wydział na uczelni oferujący studentom w ciągu semestru trzy ro­ dzaje zajęć - kurs wstępny dla 80 osób, kurs wyższego stopnia dla 15 uczestników oraz seminarium, na które uczęszcza pięć osób. Jak liczna jest zatem średnio grupa zajęciowa? Łatwo wyliczyć, że średnia wynosi (80 + 15 + 5)/3, czyi i 33,3 studenta. Taką liczbę zapewne podaje wydział w materiałach promocyjnych. A teraz przekonajmy się, jak to wygląda z perspektywy przeciętnego studenta na tym wydziale. 80 ze 100 wszystkich uczestników zajęć należy do grupy 80-osobowej, 15 do grupy 15-osobowej i pięciu do pięciooso­ bowej. Zatem przeciętny stan grupy zajęciowej to (80 x 80 + 15 x 15 + + 5 x 5)/100, czyli 66,5 osoby. Tą liczbą wydział raczej się nie chwali. Oczywiście rozumowanie to stosuje się także w przypadku innych rozmaitych kwestii. Rozważmy gęstość zaludnienia. Średnia liczba lu­ dzi przypadających na kilometr kwadratowy powierzchni Ziemi jest bardzo niska. Jeśli jednak spojrzymy na to z perspektywy przeciętnego mieszkańca naszej planety, okaże się znacznie wyższa, ponieważ ludzie na ogół mieszkają w miastach. A zatem możemy wyciągnąć wniosek, że jakkolwiek wokół nas bardziej tłoczno, niż wynikałoby ze średniej sta­ tystycznej, popularność większości z nas jest mniejsza niż przeciętnej. John Allen Paulos

Fizyka / kierunek zamawiany (specjalne stypendia na studiach II stopnia - informacje na stronie http://fizykai.fuw.edu.pl) Astronomia Studia indywidualne (Fizyka, Astronomia) - dla najbardziej ambitnych Zastosowania fizyki w biologii i medycynie /kierunekzamawiany http://fizykaxxi.fuw.edu.pl z pięcioma specjalnościami do wyboru Inżynieria nanostruktur / kierunek zamawiany http://nano.fuw.ec/u.p/ makrokierunek Wydziału Fizyki i Wydziału Chemii UW Energetyka i chemia jądrowa / NOWOŚĆ http://atom.chem.uw.edu.pl makrokierunek Wydziału Fizyki i Wydziału Chemii UW otwierany w roku 2011/2012

Paulos wykłada matematykę na Tempie University. Studia doktoranckie Studia podyplomowe

Chcesz wiedzieć więcej, zajrzyj na www.fuw.edu.pl

SKANER

FIZYKA

Stadne cząstki Naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów usiłują dociec, dlaczego czasami cząstki poruszają się synchronicznie Przez pierwsze sześć miesięcy działania Wielki Zderzacz Hadronów (LHC - Large Hadron Collider) nie zdolal odkryć bozonu Higgsa, nie rozwiązał tajemnicy ciemnej materii ani nie wykrył zwinię­ tych wymiarów czasoprzestrzeni. Ukazał jednak dziwną zagadkę, którą naukowcy będą musieli rozwiązać, gdy w lutym LHC znów zacznie działać po przerwie świą­ tecznej. Latem fizycy zauważyli, że nie­ które cząstki powstające w zderzeniach protonów synchronizowały swoje tory niczym stada ptaków. Odkrycie to było tak dziwne, że „cały czas się zastanawia­ my, czy to, co zobaczyliśmy, było realne" - mówi Guido Tonelli, rzecznik prasowy Compact Muon Solenoid (CMS - Zwar­

14 Świat Nauki, marzec 2011

tego Solenoidu Mionowego), jednego z dwóch ogólnych eksperymentów pro­ wadzonych w LHC. Obserwowany efekt jest bardzo subtel­ ny Naukowcy stwierdzili, że jeśli w zde­ rzeniu protonów powstaje ponad 110 no­ wych cząstek, wydają się one lecieć w tym samym kierunku. Wysokoenergetyczne zderzenia protonów w LHC mogą odsła­ niać „nową, głęboką strukturę początko­ wych protonów" - mówi Frank Wilczek z MIT, który otrzymał Nagrodę Nobla za wyjaśnienie działania gluonów. Moż­ liwe też, że między cząstkami występują połączenia, o których fizycy nie wiedzieli. „W wysokich energiach [wytworzonych przez LHC] robimy zdjęcia protonu o roz-

dzielczości przestrzennej i czasowej więk­ szych niż do tej pory" - zauważa noblista, Widziane z tak dużą rozdzielczością protony, zgodnie z teorią opracowaną przez Wilczka i jego współpracowników, są wypełnione morzem gluonów - bezmasowych cząstek, które kontrolują zachowa­ nie kwarków - zasadniczych składników protonów i neutronów. „Całkiem możliwe - twierdzi Wilczek - że w tym ośrodku gluony oddziałują ze sobą i są skorelowane, a efekt tych oddziaływań jest przekazywa­ ny nowo powstającym cząstkom". Jeśli zjawisko to zostanie potwierdzo­ ne przez innych fizyków z LHC, będzie to fascynujące nowe odkrycie dotyczące jednej z najpowszechniejszych cząstek we Wszechświecie - uważanej przez na­ ukowców za doskonale poznaną, Amir D. Aczel Aczeljest autorem książki Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider (Obecność w chwili stworzenia: historia CERN i Wielkiego Zderzacza Hadronów).

SKANER GEOLOGIA

Kiedy Ziemia była śnieżną kulą

W KALEJDOSKOPIE

Genialne

Topniejące lądolody przyśpieszyły ewolucję ziemskiego życia Zwierzęta zajęły większość ziemskich lądów i oceanów w ciągu zaledwie 85 min lat - to mgnie­ nie oka w geologicznej skali czasu. Badacze skamieniałości oraz biolodzy molekularni zdobyli wiele informacji na temat tej ekspansji, lecz jej praprzyczyna pozostała nieznana. Nowe analizy wskazują, że impulsem mogło być topnienie lodowców. Wypływające z nich wody zawierały wiele cennych związków odżywczych. Ta dodatkowa dawka energii przyśpieszyła ewolucję. W latach dziewięćdziesiątych naukowcy doszli do wniosku, że większość naszego globu była 750-635 min lat temu pokryta lodem. Hipotezie nadali nazwę „śniegowej kuli ziemskiej" („Snowball Earth"). W następnych latach przybywało dowodów na to, że drogę od bieguna do bieguna można by wtedy pokonać na nartach. Nasuwające się lodowce niszczyły podłoże skalne, a podczas odwrotu oddawały do oceanów minerały i związki pokarmowe znajdujące się w zdartej warstwie gleby i skał. Raptowne topnienie lodowców zbiegło się w czasie z rozprzestrzenieniem się zwierząt. Biogeochemicy Timothy W. Lyons i Noah J. Planavsky z University of California w Riverside wiedzieli o tym, ale chcieli wyjaśnić, czy rzeczywiście wypłukiwane przez wody polodowcowe substancje pokarmowe mogły przyśpieszyć ewolucję fauny, czy też jej masowe pojawienie się w tym czasie w warstwach geologicznych jest przypadkową zbieżnością. Gdyby tylko dato się zmierzyć poziom fosforu - pierwiastka o kluczowym znaczeniu biologicznym, który m.in. wspomaga wzrost mikro­ organizmów i glonów - można by wówczas oszacować łączną koncentrację wszystkich związków odżywczych. Ale jak to zrobić w przypadku oceanów, które szumiały prawie miliard lat temu?

Astrofizycy szacują, że Wszechświat zawiera

300 000 000 000 000 000 000 000 gwiazd - trzy razy więcej, niż poprzednio szacowano. Do tego trzeba doliczyć planety. Badania nad korzyściami spożywania niewielkich dawek -O aspiryny dla serca ujawniły, że lek ten zmniejsza również ryzyko zgonu z powodu wielu nowotworów złośliwych.

Lyons i jego współpracownicy doszli do wniosku, że rozwiązanie problemu może tkwić w bo­ gatych w żelazo osadach, które gromadziły się na dnie dawnych oceanów, gdy te zawierały jeszcze mało tlenu. Analiza tych warstw pozwala pośrednio oszacować, ile fosforu było wówczas w wo­ dzie. „Mechanizm przechwytywania fosforanów przez te osady jest dobrze poznany" - podkreśla Lyons. On i Planavsky opublikowali wyniki badań w Naturę. Wyliczyli stężenie fosforanów w wo­ dzie morskiej przed setkami milionów lat, mierząc zawartość tych związków w zachowanych osa­ dach dennych. Próbki pobrali z siedmiu miejsc na globie. Zgodnie z przypuszczeniami wszędzie koncentracja substancji wyraźnie wzrosła podczas topnienia potężnych lodowców.

1. NASA poinformowała o znalezieniu pozaziemskich form życia. 2. Właściwie jest to ziemski mikrob, który zjada... arszenik! 3. Wielu badaczy uznało te badania za bezwartościowe.

„To byt potężny impuls do rozwoju życia oceanicznego" - uważa Lyons. Dzięki fosforanowej diecie w morzach zaroiło się od glonów i innych organizmów produkujących tlen. Obfitość gazu umożliwiła z kolei ewolucję zwierzętom. „Badania pokazują, jak zmiany w systemach geochemicznych planety mogły doprowadzić do poważnych przetasowań w biosferze" - mówi Gabriel Filippelli, naukowiec z uniwersytetów Indiana i Purdue, nieuczestniczący w badaniach. Jego zdaniem gigantyczne ochłodzenie klimatu, Carrie Arnold którego Ziemia doświadczyła dawno temu, na zawsze odmieniło jej przyrodę.

Szokująca wiadomość: nastolatki z Szanghaju są lepsze w matematyce, mają większe osiągnięcia w nauce i więcej czytają od swoich rówieśników z krajów zachodnich. Nie ma się czemu dziwić. Po prostu więcej pracują. Nowości na liście sprzecznych rad: ~° suplementy wapna i witaminy D prawdopodobnie nie przynoszą żadnych korzyści większości ludzi.

Fani „WikiLeaks" zablokowali strony internetowe „wrogów" wśród których znaleźli się Visa, MasterCard oraz... Sarah Palin. Głupie L o d o w i e c macierzysty: Lodowiec szelfowy Larsena na wschodnim wybrzeżu Półwyspu Antarktycznego.

16 Świat Nauki, marzec 2011

George Hackett

SKANER NEUROBIOLOGIA

KRYMINALISTYKA

Perfumeria czy szambo?

Cała prawda na zdjęciu

Każdy z nas żyje we własnym świecie woni

Nowa technika fotografii bezpośred­ nio ujawnia ślady przestępstw

Od dawna wiadomo, że ludzie odmien­ nie odczuwają zapachy. Jednak z najnow­ szych, prowadzonych na dużą skalę badań wyłonił się obraz zmienności znacznie większej, niż podejrzewano. Okazuje się, że różnimy się percepcją wielu, jeśli nie wszystkich woni, a na co najmniej jedną jesteśmy całkowicie niewrażliwi. „Świat zapachów każdego z nas jest unikatowy" - mówi Andreas Keller, genetyk z Rocke­ feller University. W początkach swojego istnienia ssaki były przez długi czas skazane na nocny tryb życia. W toku ewolucji rozwinęły więc doskonały zmysł węchu, a straciły niektóre zdolności wzrokowe. Po zagła­ dzie dinozaurów powróciły do dzien­ nej aktywności i wiele spośród nich także człowiek - stało się wzrokowcami, w mniejszym stopniu polegając na węchu. W genach kodujących jego receptory za­ częły się gromadzić mutacje. Gen, w któ­ rym zebrało się już ich dostatecznie dużo, zmieniał się w pseudogen i przestawał kodować funkcjonalny receptor - tłuma­ czy Doron Lancet z izraelskiego Instytutu Naukowego Weizmanna. Każdy człowiek ma inny zestaw pseudogenów. „Można go uznać za swego rodzaju kod paskowy" wyjaśnia Lancet,

Wyobraźmy sobie, że na wykonanym przez nas zdjęciu z przyjęcia niespodziewanie ukazu­ ją się niewidoczne gołym okiem ślady zbrod­ ni. Taki scenariusz właśnie przestaje być fikcją. Na tamach dwutygodnika Analytical Chemistry naukowcy opisali nową metodę wizualizacji m.in. plam krwi, wykorzystującą tzw. multimodalne obrazowanie w podczerwieni termalnej.

Ta zmienność genetyczna wydaje się przekładać na behawioralną. Gdy Keller i jego współpracownicy poprosili 500 osób, aby oceniły 66 aromatów - ich intensyw­ ność oraz czy są przyjemne, czy przykre - otrzymali pełen wachlarz odpowiedzi. W badaniach przeprowadzanych w Universitats-HNO Klinik Dresden Thomas Hummel z zespołem sprawdził odczuwa­ nie 20 zapachów przez 1500 młodych ludzi i znalazł osobnicze niewrażliwości w przy­ padku wszystkich substancji z wyjątkiem jednej - nitrylu geranylu, syntetycznego zapachu cytrusowego. Na tej podstawie Keller podejrzewa, że każdy z nas ma wła­ sną „ślepą plamkę" węchową. Lancet zauważa, że te badania mają szersze implikacje. Ponieważ za wykry­ wanie większości zapachów odpowiada kilka genów, poznanie genetyki węchu i dróg rozprzestrzeniania się mutacji jego receptorów w populacji pozwoli przyjrzeć się mechanizmom powstawania chorób wielogenowych. Laura Spinney

Obecnie plamy krwi zwykle uwidacznia się za pomocą roztworu luminolu, co ma kilka wad. Związek ten jest toksyczny w większych stężeniach, nierzadko daje wynik fałszywie pozytywny, a jego świecenie trudno dostrzec na powietrzu (trzeba podświetlać promienia­ mi UV w ciemności). W dodatku reaguje on z samą plamą, niekiedy rozcieńczając ją tak, że uniemożliwia to późniejsze badania DNA. Stosując nową technikę, w żaden sposób nie ingeruje się w badany materiał. Obiekt oświe­ tla się podczerwienią i specjalnie skonstru­ owanym aparatem fotograficznym w sekundę wykonuje setki zdjęć przez filtry blokujące fale określonych długości. Dzięki temu praktycznie natychmiast można stwierdzić obecność śla­ dów rozmaitych substancji na różnego rodzaju tkaninach. Taka metoda wizualizacji świetnie nadaje się do wstępnego zbadania miejsca przestępstwa i wytypowania mniejszych ob­ szarów do bardziej wnikliwej analizy. Marta Żylicz

Prezydent Miasta Torunia ogłasza konkurs na stanowisko:

DYREKTORA Centrum Nowoczesności w Toruniu Poszukiwana jest osoba o zdolnościach managerskich i otwartym umyśle. Tworzona instytucja będzie szczególnym miejscem popularyzacji nauki i techniki - poprzez zabawę, własnoręczne przeprowadzanie badań i eksperymentowanie. Istota centrum nauki to interakcja. Cel prowokacja odbiorcy do stawiania kolejnych pytań i prowadzenia samodzielnych poszukiwań. Toruńskie centrum nauki, o nazwie „Centrum Nowoczesności", ulokowane zostanie w przestrzeni pofabrycznej, w budynku starych Młynów Rychtera. Uzupełnieniem działalności wystawienniczej będzie udostępnianie specjalistycznych pracowni oraz organizacja pokazów popularnonaukowych poza siedzibą instytucji. Otwarcie Centrum nastąpi w 2013 r. Szczegółowe informacje na temat warunków uczestnictwa w konkursie, zakresu obowiązków na stanowisku oraz założeń programowych i organizacyjnych instytucji znajdują się na stronie: http://www.bip.torun.pl/ files/dokumenty/praca_cn_25-01 -2011_ogl_kpl.pdf (Biuletyn Informacji Publicznej Urzędu Miasta Torunia/ Ogłoszenia o pracy/w innych jednostkach). Termin naboru ofert upływa 4 marca 2011 r.

SKANER ZYWNOSC

Od piwa smaku przybywa Dlaczego ryba smażona w cieście piwnym jest pyszna Jeśli kiedykolwiek mieliście okazję jeść naprawdę dobrą rybę w cieście - taką, na której skórka smakowicie chrupie, a mimo to mięso jest soczyste i delikat­ ne - z pewnością było to ciasto na piwie. Piwo znakomicie się do tego celu nadaje, ponieważ zawiera trzy istotne składniki - ditlenek węgla, substancje spieniające i alkohol - każdy z nich niezależnie, w wy­ niku różnych procesów fizycznych i che­ micznych, przyczynia się do osiągnięcia doskonałego efektu na talerzu. Piwo jest nasycone C0 2 . W odróżnie­ niu od większości ciał stałych, takich jak cukier, które łatwiej rozpuszczają się w gorących płynach niż w zimnych, gazy wykazują wyższą rozpuszczalność w niższej temperaturze. Jeśli więc ciasto zawiera piwo, przy zetknięciu z gorącym olejem rozpuszczalność C0 2 raptownie spada i tworzą się pęcherzyki gazu, które rozpychają ciasto od wewnątrz, nadając mu delikatną, chrupką strukturę.

Oczywiście nie po­ wstałaby ona, gdyby pę­ cherzyki pękały od razu po utworzeniu, tak jak bąbelki w kieliszku szam­ pana. Na powierzchni na­ lanego piwa pojawia się jednak piana, na co mają wpływ substancje spieniające. Są to zarówno białka wystę­ pujące naturalnie w piwie, jak i dodatki wprowadzane przez piwowarów w celu uzyskania obfitej, długo utrzymującej się piany. Związki te tworzą wo­ kół pęcherzyków cienką war­ stwę, opóźniając tempo ich pękania. Piana także dobrze izoluje ciepło. Kie­ dy wrzucimy kawałek ryby do gorącego tłuszczu, ciepło zatrzyma się głównie w cieście i nie dotrze do delikatnej zawar­ tości, którą ono otula. Skórka ogrzeje się zatem powyżej 55°C, czyli do temperatu­

ry, dzięki której nabierze złocistej barwy i aromatu, a ryba łagodnie dosmaży się w środku. Zawarty w piwie alkohol odgrywa również istotną ro­ lę w zapewnieniu umiarko­ wanej temperatury wnętrza i chrupkości otoczki. Alkohol wyparowuje szybciej od wody, zatem piwne ciasto smaży się krócej niż przygotowane wy­ łącznie z dodatkiem wody lub mleka. Im szybciej ciecz ucieka ze skórki, tym mniejsze ryzyko nadmiernego wysmażenia ryby. Jeśli kucharz okaże się dostatecznie szyb­ ki, ryba będzie soczysta, a skórka złocista W. Wayt Gibbs i Nathan Myhrvold i krucha. Myhrvold jest autorem, a Gibbs redaktorem książ­ ki Modernist Cuisine: The Art and Science of Cooking, która ukaże się w USA w marcu br.

WULKANOLOGIA

Tło atmosferycznych anomalii Zaskakujące wyniki satelitarnych pomiarów Francuski satelita DEMETER zarejestrował zaburzenia fal w Jono: rze pojawiające się na wiele dni przed dużymi erupcjami wulkaniczny Szybująca na wysokości 650 km sonda, na której pracują też urządzi zbudowane w Centrum Badań Kosmicznych PAN, śledzi od ponad sześciu lat anomalie elektromagnetyczne powstające w wyższych warstwach at­ mosfery. Zespół badaczy pod kierunkiem Jacques'a Złotnickiego z Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand, przeanalizował część danych przesłanych przez sondę od sierpnia 2004 roku do grudnia 2007 roku. W tym czasie DEMETER wielokrotnie przelatywała nad licznymi aktyw­ nymi stożkami wulkanicznymi. Do dalszych studiów wybrano 50 spośród nich. Łącznie wybuchały one 74 razy. Anomalie elektromagnetyczne ob­ serwowano w przypadku aż 30 erupcji. Zaburzenia pojawiały się często już na 30 dni przed przebudzeniem się wulkanu i utrzymywały się co najmniej dwa tygodnie po rozpoczęciu eksplozji.

IR obserwuje zjawiska zachodzące

Artykuł zamieszczony w Geophysical Journal International kończy się na­ ferze. stępującą konkluzją: silna erupcja wulkaniczna jest poprzedzana zmianami w jonosferze. Autorzy badań podkreślają, że zgromadzona przez nich baza danych jest zbyt uboga, by można było wyjaśnić mechanizm zja­ wisk zachodzących pomiędzy skatami a atmosferą, na skutek których pojawiają się zagadkowe anomalie na wysokości kilkuset kilometrów. Czy w przyszłości satelity będą nas ostrzegały przed wybuchami wulkanów, a także trzęsieniami ziemi? Główny problem to błyskawiczne wyłowienie z mnóstwa często nakładających się na siebie perturbacji jonosferycznych (ich źródła mogą być różne) jednego konkretnego Andrzej Hołdys sygnału pochodzącego od budzącego się wulkanu. Niektórzy badacze uważają jednak, że wkrótce to będzie możliwe.

18 Świat Nauki, marzec 2011

Wokół nauki Opinie i analizy redakcji Scientific American

Cena strachu Nawrót epidemii chorób zakaźnych wymaga zaostrzenia zasad profilaktyki Tego roku w regionie San Francisco dzieci jak zwykle zasiądą w szkolnych ławkach, a w przerwach zapełnią place zabaw. Po zajęciach wrócą do domów i troskliwych, chcących zapew­ nić im jak najlepszy życiowy start, rodziców. W tej części Sta­ nów Zjednoczonych są oni lepiej wykształceni i zamożniejsi niż przeciętni Amerykanie, mogą więc stworzyć swoim dzieciom korzystniejsze warunki. Ale to właśnie tu powstał i rozwija się ruch społeczny nawołujący do zaniechania immunizacji naj­ młodszych w obawie przed autyzmem i innymi zaburzeniami rzekomo mającymi związek ze szczepieniami. Mimo że intencje rodziców mogą być jak najlepsze - chcą chronić swoje dzieci są w błędzie, którego konsekwencje mogą być groźne. W Kalifornii trwa właśnie największa od półwiecza epidemia niezwykle zakaźnej choroby - krztuśca Był prawdziwą plagą wśród dzieci, dopóki w latach czterdziestych nie opracowano skutecznej szczepionki, co radykalnie ograniczyło liczbę zacho­ rowań. Jednak ostatnio są one coraz częstsze. A w ubiegłym ro­ ku chorobę podejrzewano lub rozpoznano w 7297 przypadkach - to aż czterokrotnie więcej niż rok wcześniej. Nie wiadomo, na ile do wybuchu epidemii przyczynia się rezygnacja ze szcze­ pień, pewne jest jednak, że spowodowały powstanie epidemio­ logicznych beczek prochu: w niektórych szkołach regionu nie zaszczepiono ponad 40% dzieci, nie są więc one chronione przed krztuścem i innymi chorobami zakaźnymi, na przykład odrą. Nie tylko w Kalifornii immunizacją jest na cenzurowanym. W całym kraju znaczący odsetek rodziców odmawia poddawa­ nia dzieci podstawowym szczepieniom. Tymczasem powodzenie akcji immunizacyjnej zależy głównie od wytworzenia tzw od­ porności populacyjnej: wysoki odsetek uodpornionych oznacza także ochronę pozostałych. Uzyskanie tego efektu w przypadku bardzo zakaźnych chorób (takich jak krztusiec czy odra) wy­ maga zaszczepienia około 95% populacji. Jeśli się to nie uda, zarazek może infekować nie tylko osoby niezaszczepione, lecz także kilka procent spośród tych, które otrzymały szczepionkę, ale z jakiegoś powodu zbyt słabo na nią zareagowały. Rodzice niezgadzający się na szczepienie stwarzają więc zagrożenie i dla swoich dzieci, i dla pozostałych - zarówno tych niepodlegających immunizacji ze względu na zbyt miody wiek lub obniżoną odporność, jak i tych, u których immunizacją zawiodła.

| | s s

Szczepionki budzą obawy, odkąd je wynaleziono, jednak strach przed autyzmem to skutek publikacji z 1998 roku. W pre­ stiżowym czasopiśmie Lancet brytyjski lekarz dr Andrew Wakefield stwierdził na podstawie badania 12 dzieci, że wykazał związek pomiędzy szczepionką na odrę, świnkę i różyczkę (MMR) a zaburzeniami z kręgu autyzmu. Zarówno media, jak i nieprzychylne immunizacji kręgi szybko podchwyciły problem. Wkrótce stał się on głośny aż w Hollywood, gdy była aktorka i modelka Playboya Jenny McCarthy obwieściła, że szczepionka MMR wywołała autyzm u jej syna.

Przeciwnicy szczepień mają najlepsze intencje, ale są w błędzie. W lutym 2010 roku Lancet ostatecznie wycofał niesławny artykuł. Nie pozostał więc najmniejszy dowód naukowy na to, że szczepionki powodują autyzm bądź jakiekolwiek inne cho­ roby przewlekle. Niestety, strach jest dużo łatwiej wywołać, niż stłumić. Niektórzy rodzice, zagubiwszy się w sporze między na­ ukowcami a szarlatanami, zdecydowali - wbrew zdrowemu roz­ sądkowi - że szczepionki są większym zagrożeniem niż choroby, przed którymi chronią. To błąd. Szczepionki mogą wywoływać stany podgorączkowe i miewają inne działania niepożądane. Bardzo rzadko jednak są one poważne (np. ciężkie reakcje alergiczne). Ryzyko związa­ ne z immunizacją jest więc nieporównywalne z ryzykiem zacho­ rowania nieszczepionych dzieci. Na przykład gdy zetkną się one z wirusem odry, zarazi on ponad 90% z nich. Każdy z 50 stanów USA ma własne schematy immunizacji dzieci. Jednak we wszystkich oprócz Missisipi i Wirginii Za­ chodniej rodzice mogą odmówić szczepienia swoich pociech ze względu na poglądy czy przekonania religijne. Prawo do decy­ dowania, co jest najlepsze dla danej osoby i jej potomstwa, nie powinno mieć zastosowania tam, gdzie dowody naukowe jedno­ znacznie wskazują na zagrożenie zdrowia publicznego. Najwyż­ szy czas, aby pozostałe 48 stanów odstąpiło od polityki dobro­ wolności i sięgnęło po środki zapewniające każdemu dziecku otrzymanie zastrzyku. Zanim to nastąpi, lekarze muszą cierpli­ wie, ale i stanowczo w stosunku do pełnych obaw rodziców wy­ jaśniać, dlaczego szczepionki są ważne, i pomagać w przywróce­ niu zaufania do nauki. •

marzec 2011, Świat Nauki 19

Forum

Francesca Grifo

Komentarze ekspertów

Francesca Grifo jest starszym badaczem oraz dyrektorem

fm

Scientific Integrity Program (Programu Uczciwości Naukowej)

w

^

f j ..»

w Union of Concerned Scientists w Waszyngtonie.

Czy do końca 2012 zapali się zielone światło dla nauki? Wielu polityków wybranych ostatnio do Kongresu i władz sta­ nowych nie okazuje ani zrozumienia, ani szacunku dla nauki. Na przykład republikanie, którzy zasiedli właśnie w Izbie Re­ prezentantów, publicznie wyrażają sceptycyzm w kwestii glo­ balnego ocieplenia. Uważają, że wysiłki na rzecz ograniczenia emisji ditlenku węgla skutkują utratą miejsc pracy, i zamierzają wzywać klimatologów na przesłuchania. Perspektywa dwóch lat impasu nie napawa optymizmem. Ale nawet w sytuacji, gdy w państwie panoszy się antynaukowy po­ pulizm, wciąż można zająć się sporządzaniem planu osiągnięcia wytyczanych przez naukę celów w następnej kadencji, a niewy­ kluczone, że coś w tej sprawie uda się zrobić już teraz. Oczywiście należy zdawać sobie sprawę, że w najbliższej przy­ szłości nie rozwiążemy wielu ważnych kwestii, takich jak sys­ tem wymiennych kwot emisyjnych, podatek od emisji COa i inne problemy w skali ogólnokrajowej, związane z globalnym ocie­ pleniem. To jednak nie wyklucza poszukiwania międzypartyjne­ go porozumienia w kwestii mniejszych projektów, które pozwo­ liłyby zredukować naszą energochłonność i przybliżyłyby wizję gospodarki opartej na czystej energii. Być może następny Kon­ gres wprowadzi odpowiedni system ulg i odroczeń podatkowych promujących oszczędność energii i technologie wykorzystujące źródła odnawialne. Niewątpliwie wpłynęłoby to na zwiększenie liczby miejsc pracy w okręgach wyborczych kongresmenów.

2 0 Świat Nauki, marzec 2011

Jednak nawet obecnie na poziomie stanowym i lokalnym nie zasypia się gruszek w popiele. W referendum przeprowadzonym 3 listopada ubiegłego roku w Kalifornii wyborcy odrzucili tzw. Propozycję 23. Jej przyjęcie oznaczałoby odłożenie na czas nie­ określony zobowiązania stanu Kalifornia do obniżenia emisji gazów cieplarnianych do poziomu z 1990 roku w ciągu 10 lat. Propozycja 23 przepadła po części dzięki temu, że udało się przekonać ludzi, iż działania podejmowane na rzecz ogranicze­ nia emisji powodują wzrost zatrudnienia. Jako ósma gospodar­ ka świata Kalifornia znakomicie przyczyni się do propagowania strategii i rozwiązań technicznych wpływających na redukcję emisji. Do czasu, gdy do tej kwestii powrócimy na szczeblu ogólnopaństwowym, mają one szansę się upowszechnić. Kalifornia nie jest pod tym względem jedyna. Ponad tysiąc burmistrzów amerykańskich miast przystąpiło do porozumie­ nia o nazwie US Mayors Climate Protection Agreement. 29 sta­ nów oraz dystrykt federalny Columbia wdrożyły normy określa­ jące, jaka część zużywanej energii elektrycznej ma pochodzić ze źródeł odnawialnych. Western Climate Initiative, w której uczestniczy siedem stanów oraz cztery prowincje kanadyjskie, uzgodniła wdrożenie regionalnego programu wymiennych kwot emisyjnych. Naukowcy pracują nad sposobami wytwarzania energii elektrycznej dla oddalonych rejonów i miejscowości. Nie ma tego złego, co by nie mogło wyjść na dobre. Niektó­ rzy wysoko postawieni członkowie Kongresu zaczęli głośno wzywać do zakrojonego na dużą skalę śledztwa, obejmującego przesłuchania członków administracji Baracka Obamy i czoło­ wych naukowców, zwłaszcza klimatologów. Niewykluczone jed­ nak, że takie przesłuchania przyniosą skutek wręcz odwrotny do zamierzonego - stworzą naukowcom trybunę, dzięki której ich glos łatwiej dotrze do opinii publicznej. Wyważony, dobrze uargumentowany wywód, poparty mocnymi dowodami bez wątpienia przekona ludzi, że klimatologia jest rzetelną nauką, a jej ustalenia muszą być powszechnie uznawane. Prezydent Obama, który nadal dysponuje pełnią władzy wykonawczej, mógłby zażądać wprowadzenia limitów emisji dla silników spalinowych, naciskać na budowanie elektrowni słonecznych na gruntach publicznych i wspierać działalność Agencji Ochrony Środowiska (EPA) w zakresie regulacji emisji cieplarnianych. Mógłby też energicznie działać na rzecz wdraża­ nia swojej własnej dyrektywy, która każe uwzględniać ustalenia nauki w projektach legislacyjnych na szczeblu federalnym. O postępy nie będzie łatwo. Aby je osiągnąć, konieczne są wy­ trwale i energiczne działania ze strony społeczności naukowej. Wielu naukowców i towarzystw naukowych zanadto ogranicza zakres swoich postulatów, protestując wyłącznie przeciwko malejącym nakładom na badania. Nie poświęcają oni więk­ szej uwagi innym aspektom funkcjonowania nauki w społe­ czeństwie, nawet prowadzonej z premedytacją i na dużą skalę kampanii dezinformacyjnej. Ich milczenie wobec zmasowanych ataków dezorientuje opinię publiczną, podczas gdy sytuacja wymaga, by naukowcy wspólnie ze społeczeństwem odważnie i jednoznacznie im się przeciwstawili. •

Ilustracja John Cimeo

D -

Tech no Fakty Davidpoque David Pogue pisze felietony na temat najnowszych technologii dla New York Timesa, a także prowadzi nowy cykl programów naukowych Making Stu/f dla PBS.

Otwarte pytanie Sukces systemu Android firmy Google wcale nie dowodzi, że otwarte znaczy lepsze Powszechnie wiadomo, że Apple zaprzepaścił pierwszą szan­ sę na zdominowanie rynku komputerów. Nie został królem pe­ cetów, ponieważ zaoferował systemy zbyt zamknięte. Nie tylko w sensie dosłownym - pierwsze macintoshe były starannie za­ plombowane, co uniemożliwiało majstrowanie w ich wnętrzno­ ściach - ale przede wszystkim w zakresie licencjonowania sys­ temu operacyjnego. Tylko Apple mógł produkować komputery korzystające z systemu operacyjnego Mac. Microsoft postąpił odwrotnie i udostępnił licencję Windows. Dzięki temu dziś pra­ cuje na nich 90% komputerów osobistych. Minęły lata i staliśmy się świadkami kolejnego eksperymentu, którego przedmiotem tym razem były odtwarzacze muzyczne. I znów Apple oraz Microsoft przy­ jęły te same strategie, co w przy­ padku komputerów. W jednym narożniku Steve Jobs upierający się, że będzie wyłącznym produ­ centem iPodów oraz ich oprogra­ mowania; w drugim Microsoft oferujący otwartą platformę PlaysForSure każdemu, kto zgodzi się wykupić licencję. Tym razem wynik byl dokładnie odwrotny. Zatriumfowało rozwią­ zanie zastrzeżone: iPody zdobyły aż 85% rynku odtwarzaczy mu­ zycznych. A Microsoft? Wypro­ wadził PlaysForSure za stodołę i rozstrzelał. (Wkrótce potem Microsoft przeprowadził trzeci eksperyment. Opracował zupełnie nowy odtwarzacz muzyki o nazwie Zune, który zaskakująco przypominał swoją zamknię­ tą architekturą Apple'a. I kolejna klapa.) Mamy więc kilka przykładów rywalizacji ze sprzecznymi roz­ strzygnięciami. Które rozwiązanie jest słuszne? Udostępniać li­ cencję? A może jednak nie? Obecnie jesteśmy świadkami kolejnej wielkiej wojny, która ma wskazać model gwarantujący dominację na rynku. Przed­ miotem największej z dotychczasowych potyczek są smartfony. Tym razem rywalizują Apple (iPhone, system zastrzeżony) oraz Google (Android, system otwarty). I znowu Apple kontynuuje starą politykę, nie zgadzając się, aby inni dostarczali sprzęt i oprogramowanie. Nikomu poza Apple nie wolno wytwarzać iPhone'ów. Z drugiej strony, firma Google, która przejęła postawę Microsoftu „każdy może używać naszego oprogramowania" i zastosowała ją w praktyce. Android nie tylko jest dostępny dla wszystkich, ale co więcej - bezpłat­ ny. Każdy może produkować smartfony (także tablety i czytniki e-booków) z Androidem, nie musi płacić Google ani centa i na dodatek wolno mu modyfikować system.

Ilustracja Leo Espinosa.

Eksperyment rozwija się w najlepsze. Firmy na całym świecie wypuszczają coraz to nowe telefony z Androidem - jest już ich 30 min. Apple sprzedał wprawdzie 75 min iPhone'ów, ale wy­ startował rok wcześniej niż Google. Liczby wprawdzie wskazują na fantastyczny sukces Androida, ale wynik próby nie jest jednoznaczny. Pozostaje bowiem pyta­ nie: jaką część atrakcyjności Androida można przypisać otwar­ tości systemu? Prawdę mówiąc, ta „otwartość" może uprzykrzać życie użyt­ kownikom. Wystarczy, że sieci, takie jak AT&T albo Verizon za­ pchają telefon ikonami prowadzącymi do ich mało przydatnych i podejrzanie drogich usług. (W Apple nikomu nie przyszłoby do głowy aby firmom trzecim po­ zwolić na preinstalowanie w iPhonie aplikacji usługowych.) Co gorsza, otwartość oznacza nawet, że nie ma jednego Androi­ da. Powstała już cała rodzina nie­ co różnych systemów. Zapytajcie tylko użytkowników smartfonów z Androidem, czy ucieszyła ich możliwość odtwarzania anima­ cji Flash, kiedy Adobe wypuścił wreszcie odpowiednią wtyczkę, a usłyszycie, że aplikacja działa tylko na niektórych modelach. Sklep z aplikacjami prowa­ dzony przez Google jest bardziej otwarty niż odpowiednik Apple'a, który konsekwentnie wyma­ ga, aby każda aplikacja była zaaprobowana przez jego edytorów. Oznacza to m.in., że aplikacje z pornografią na telefonach z An­ droidem są dostępne, a w iPhone'ach nie można ich spotkać. Sklep Apple'a jest też lepiej zorganizowany niż googlowski. Te opinie mają brzmieć radykalnie. Ale czy „otwartość" to tyl­ ko pusty frazes? Czy z perspektywy producentów otwartość jest ważną zaletą Androida? A może liczy się tylko, że Android to kompletny, dopracowany i elegancki system operacyjny dla te­ lefonów komórkowych z wbudowaną biblioteką programów, za który nie trzeba płacić ani centa? A jak to wygląda z punktu widzenia użytkownika - czy otwartość ma w ogóle jakiekolwiek znaczenie? Być może potrzebny byłby jeszcze jeden rozstrzygający eks­ peryment naukowy, w którym zmierzyłby się system zamknię­ ty i zastrzeżony (Apple) z zamkniętym i darmowym (Google). Trzeba jakoś rozróżnić zmienne „darmowy" i „modyfikowalny", aby przekonać się, skąd tak naprawdę bierze się androidowy sukces. Na taki eksperyment nie ma jednak szans. A byłby to jedyny sposób, aby sprawdzić, ile warta jest „otwartość". •

marzec 2011, Świat Nauki 21

Zd

rOWie

KatieMoisse Katie Moisse jest dziennikarką zajmującą się problemami zdrowia i nauki.

'

\ \

Wcześniej pracowała jako neurobiolog.

W propagandowej Sieci Ogromne zainteresowanie niesprawdzoną metodą leczenia stwardnienia rozsianego pokazuje rosnący wpływ portali społecznościowych na praktykę lekarską Gdy Paolo Zamboni, chirurg naczyniowy, ogłosił w grudniu 2009 roku, że napompowanie małego balonika wsuniętego do skręconych żyl szyi łagodzi objawy stwardnienia rozsianego (SM), w Internecie zawrzało. Pomysł leczenia degeneracyjnej choro­ by nerwów przez chirurgiczne rozprostowanie zakrzywionych naczyń byl zdumiewający. Specjaliści odnieśli się do niego scep­ tycznie, a Zamboni sam stwierdził, że jego obserwację trzeba pod­ dać bardziej rygorystycznym testom. Mimo to wielu cierpiących na SM (w samych Stanach Zjednoczonych jest ich 250 tys.) zaczęło domagać się udostępnienia tej niesprawdzonej terapii. Ich żądań, wysuwanych za pośrednictwem najrozmaitszych internetowych portali społecznościowych, wkrótce nie sposób już było ignoro­ wać. W ubiegłym roku leczenie metodą Zamboniego zaoferowały szpitale w Kalifornii, Nowym Jorku, we Włoszech i w Polsce, in­ kasując nawet po 10 tys. dolarów za za­ bieg - oczywiście z kieszeni pacjenta, gdyż ubezpieczalnie nie finansują form jeszcze niesprawdzonych. Lekarzom nie udawało się zapa­ nować nad szybko rozwijającą się sytuacją. Jeszcze zanim wyniki Zam­ boniego opublikowano w Journal of Vascular Surgery, informacja o nich pojawiła się w portalu pacjentów PatientsLikeMe.com wraz z przydat­ nymi odsyłaczami i nazwą dedykowa­ nej strony Facebooka. W Sieci zaczęły krążyć namiary na placówki i lekarzy wykonujących zabiegi. Na stronie YouTube umieszczano filmy ukazują­ ce stan pacjenta przed operacją i po niej. Tak jak 30 lat temu w przypadku AIDS, tyle że uzbrojeni w znacznie lep­ sze narzędzia komunikacji, pacjenci zaczęli naciskać na naukowców i centra medyczne, domagając się wyjaśnień, dlaczego tak długo trwa wprowadzenie metody Zamboniego. Jednak nadal wielu ekspertów zajmujących się SM uważa, że poddanie się temu zabiegowi jest obecnie bardzo ryzykowne. Wypadki te ilustrują nowe zjawisko, z którym muszą sobie poradzić dzisiejsi pacjenci. Jak powstrzymać entuzjazm wzbu­ dzany przez nowe doświadczalne terapie, które - zanim jeszcze konkretne badania potwierdzą, że mają one szansę przynieść więcej pożytku niż szkody - są szeroko i skutecznie reklamowa­ ne w Sieci przez publikowanie osobistych relacji pacjentów. „Nie można winić ludzi za ekscytowanie się dobrą nowiną, zwłaszcza gdy cierpią na poważną chorobę - stwierdza Aaron Miller, wy­ kładowca neurologii w Mount Sinai School of Medicine i główny

22 Świat Nauki, marzec 2011

specjalista National MS Society, stowarzyszenia zajmującego się stwardnieniem rozsianym w Stanach Zjednoczonych. - Portale spolecznościowe mogą pełnić pozytywną funkcję, gdyż umożli­ wiają pacjentom przedyskutowanie badań i wymianę doświad­ czeń". Jednak „istnieje ogromne ryzyko, że skłonią pacjentów do poddania się zabiegom terapeutycznym, które nie do końca będą dla nich wskazane lub też ich skuteczność nie zostanie na­ ukowo potwierdzona" - dodaje. NIEBEZPIECZNA GRA Analizując przypadek Zamboniego, nie sposób nie zauważyć, jak łatwo namówić pacjentów na leczenie nową, niesprawdzo­ ną metodą, która - przynajmniej na początku - robi wielkie wrażenie. W końcu te wyniki uzyskał znany i szanowany chi­ rurg (chociaż nie ekspert w dziedzinie SM) i przedstawił je w poważnym czasopiśmie naukowym. Daniel Simon, radiolog inter­ wencyjny z Edison w stanie New Jersey, ujmuje to tak: „Wyniki nie zostały opubli­ kowane w jakimś Bob's Journal ofMS and Autobody Repair, ale w pierwszorzędnym czasopiśmie podejmującym tematykę chi­ rurgii naczyniowej". Nietrudno też zauważyć, dlaczego tak niebezpieczne są naciski na jak najszybsze udostępnienie terapii. Po pierwsze, wyni­ ki jednego badania, choćby nie wiadomo jak dobrze wykonanego, nie dowodzą, że metodę można już powszechnie stosować. W medycynie bardzo często się zdarza, że w kolejnych badaniach nie udaje się uzyskać tak dobrych wyników, jak w pierw­ szym. Sam Zamboni także wskazuje na sła­ bości swojej pracy. Nie była randomizowana, nie obejmowała kontroli z zastosowaniem placebo, nie wykonano jej metodą podwójnie ślepej próby - a to podstawo­ we zasady dobrego badania klinicznego. Ponadto operowani zażywali leki wpływające na układ odpornościowy, co mogło przyczynić się do złagodzenia objawów choroby. W przypadku SM, tak jak przy innych zaburzeniach, trudność polega na stwierdzeniu, czy stosowana metoda rzeczywiście wy­ wołuje dany efekt, gdyż często zdarza się, że jej działanie jest maskowane przez zmienne nasilenie choroby. Najczęściej wy­ stępująca postać SM, rzutowo-remisyjna, charakteryzuje się okresami wybuchu dolegliwości przeplatanymi fazami skąpoobjawowymi. Trudno rozstrzygnąć więc, czy to terapia spowo­ dowała poprawę, czy też zastosowano ją akurat na początku naturalnie występującej remisji. Miller podkreśla, że niekiedy

Ilustracja Andrew Bannecker

Zdrowie

Anatomia metody: Chirurg naczyniowy Zamboni wprowadził cewnik do zwężonego odcinka żyły szyjnej {strzałka). Napompował balonik (6), aby rozszerzyć naczynie. Prawidłowy przepływ krwi został przywrócony (c). Ale czy to pomaga pacjentom z SM, nie wiadomo.

złagodzenie objawów obserwowano nawet u pacjentów zażywa­ jących placebo. Co więcej, główna przyczyna choroby pozostaje nieznana, dlatego też trudno określić stosowność interwencji. Wszyscy są zgodni, że w wyniku choroby dochodzi do zniszczenia otocz­ ki mielinowej, którą ma wiele włókien nerwowych. Pozbawione takiej izolacji tracą zdolność przewodzenia sygnałów elektrycz­ nych, która jest warunkiem wykonywania ruchów i działania zmysłów czucia czy wzroku. Większość naukowców zakłada, że za zniszczenie osłonki odpowiada błędna odpowiedź układu od­ pornościowego, który zamiast ignorować tkanki własnego orga­ nizmu, atakuje je. Obecne metody leczenia SM są mało skuteczne i nie działają w każdym przypadku. Niektórzy chorzy sądzą więc, że nie ma nic złego w próbowaniu czegoś innego, co mogłoby poprawić jakość ich życia. Niewykluczone jednak, że takie eksperymenty bardzo tę jakość życia pogorszą. Każdy zabieg operacyjny niesie ryzyko infekcji, a sama procedura może uszkodzić naczynia krwiono­ śne, sprzyjając powstawaniu skrzepów i tętniaków.

18

ZA I PRZECIW Nie przeprowadziwszy bardziej rygorystycznych testów klinicz­ nych nowej terapii, praktycznie nie da się dokładnie oszacować potencjalnych zyskowi strat. Chirurgiczny zabieg wyprostowania i rozdęcia poskręcanych i zapadniętych żył, zwany plastyką ba­ lonową żył, jest niemal identyczny z powszechną metodą leczenia naczyń wieńcowych - angioplastyką naczyń wieńcowych. (Po­ dobne są także skutki uboczne w obu przypadkach - m.in. two­ rzenie się skrzepów, powstawanie infekcji i poważne krwawienia wewnętrzne.) Do żyły znajdującej się w miednicy wprowadza się cewnik przypominający nitkę spaghetti i popycha go, aby przez naczynia leżące wzdłuż kręgosłupa dotarł do żyły szyjnej. Tam nadyma się położony na czubku cewnika balonik, rozpychając żyłę do jej pierwotnego kształtu. Dokładnie na tej samej zasa­ dzie, na jakiej wciśnięcie nogi w nogawkę dżinsów skurczonych po praniu spowoduje jej rozciągnięcie się - wyjaśnia Simon. Ale żyły, mniej sprężyste i sztywne niż tętnice, często już po upływie kilku miesięcy znów przybierają zakrzywiony kształt i zabieg trzeba powtarzać. W USA jeden z pacjentów chorują­ cych na SM zmarł wkrótce po zabiegu w wyniku krwawienia do mózgu. Innego trzeba było nagle operować, gdy proteza

wprowadzona do żyły by ją trwale rozprostować, wysunęła się i powędrowała do serca. Zaletą metody Zamboniego jest niewątpliwie oparcie jej na ra­ cjonalnych podstawach, czego nie da się powiedzieć o niektó­ rych terapiach reklamowanych w Internecie. Charakterystyczne płytki zbliznowacialej tkanki, którym choroba zawdzięcza swo­ ją nazwę, zazwyczaj gromadzą się wokół naczyń krwionośnych. I to według Zamboniego jest sprawą kluczową. Żyły to bar­ dzo wiotkie naczynia, przez co łatwo się wyginają i skręcają, a to zwalnia odpływ krwi i może sprzyjać akumulacji w mózgu zbędnych substancji i związków, takich jak żelazo. Zamboni za­ czął więc się zastanawiać, czy to możliwe, aby nagromadzenie szkodliwych cząsteczek uruchamiało odpowiedź zapalną. A jeśli stan zapalny trwałby bardzo długo, to w końcu mogłoby dojść do uszkodzenia osłonek mielinowych otaczających nerwy. Po­ dobny mechanizm odpowiedzialny jest za powstawanie mielinopatii, degeneracyjnych chorób rdzenia kręgowego, które pod względem patologicznym bardzo przypominają SM. Wątpliwości jest, jak widać, wiele. Ale niektórzy lekarze uwa­ żają metodę Zamboniego za wystarczająco obiecującą, by ją przetestować. National MS Society i Multiple Sclerosis Society of Canada przeznaczyły 2,4 min dolarów na sfinansowanie dwu­ letnich badań analizujących rolę, jaką w SM mogą odgrywać problemy krążenia żylnego. „Nie ma raczej wątpliwości, że to żywe zainteresowanie metodą [wenoplastyką balonową] wpły­ nęło na decyzję obu towarzystw, aby finansować dalsze bada­ nia" - stwierdza Miller. Jednak jego zdaniem wciąż jeszcze za wcześnie, by terapię oferować pacjentom - chyba że w ramach badań klinicznych. Miller sądzi, że te wydarzenia powinny nauczyć neurologów i innych lekarzy, aby śledzili to, co ich pacjenci mogą przeczytać i zobaczyć w Internecie. „Nie możemy zamykać się w wieży z ko­ ści słoniowej i udawać, że portali spolecznościowych nie ma zauważa. - Trzeba odnosić się do przemyśleń chorych. Musimy wiedzieć, jak wygląda sytuacja, i być przygotowani do logicznej rozmowy". Specjalista wspomina, że jego pacjenci niemal za­ wsze z nim dyskutowali. Gdy wyjaśnia im wątpliwości na temat skuteczności angioplastyki w przypadku SM, zwykle przyznają mu rację i zgadzają się jeszcze poczekać. Na jak długo starczy im tej cierpliwości, zależy od kolejnego ruchu portali spoleczno­ ściowych i forów pacjentów. •

marzec 2011, Świat Nauki 23

David H. Freedman od 30 lat pisze na temat nauki, biznesu i techniki. Jego najnowsza książka, zatytułowana Wrong, wyjaśnia, dlaczego czasami naukowcy i eksperci nie mówią nam całej prawdy.

ZDROWIE

Pokonać

otyłość W rozwiązaniu problemu nadwagi pomoże nie zmiana fizjologii, lecz otoczenia DavidH. Freedman

24 Świat Nauki, marzec 2011

Ilustracja Eiyan Ch-istie

Współczesna epidemia: Przez całe tysiąc­ lecia powszechnym problemem byt nie­ dostatek pożywienia. Obecnie światową ;t otyłość. W USA cierpi na nią a obywateli. Taka sama grupa

Otyłość to złożony problem. Naukow­ com udało się już odkryć jej kluczowe przyczyny:

metaboliczne,

genetyczne

i neurologiczne. Nadal jednak nie znamy najlepszej metody odchudzania.

li,*

1

Podejście

behawioralne:

Zastosowa­

nie technik, które okazały się skuteczne w leczeniu autyzmu, jąkania i alkoholizmu, może być najlepszym sposobem na utratę kilogramowi zapobieganie tyciu. Przepis na sukces: Zapisywanie spoży­ wanych kalorii oraz wykonanych ćwiczeń i masy ciała, a także stawianie sobie nie­ wygórowanych celów i dołączenie do gru-

O

TYŁOŚĆ JEST JUŻ CHOROBĄ CYWILIZACYJNĄ

W Stanach Zjednoczonych, jeżeli obec­ ny trend się utrzyma, wkrótce stanie się ona najczęstszą bezpośrednią przyczyną przedwczesnej śmierci, obniżenia jakości życia i wzrostu kosztów opieki zdrowotnej - wyprzedzając nawet palenie tytoniu. We­ dług Centers for Disease Control and Prevention jedna trzecia Amerykanów jest otyła, a kolejna ma nadwagę. Ponadto miesz­ kańcy USA stają się z roku na rok grubsi. Jak podaje Journal of the American Medical Association otyłość jest powodem ponad 160 tys. przedwczesnych zgonów rocznie. Naukowcy z George Washington University szacują z kolei, że przeciętna cierpiąca na otyłość osoba kosztuje społeczeństwo około 7 tys. dolarów rocznie - ze względu na spadek swojej wydajności i koniecz­ ność zapewnienia jej dodatkowej opieki medycznej. Koszty tej ostatniej w ciągu całego życia ludzi z nadwagą co najmniej 30-kilogramową, w zależności od ich płci i rasy, sięgają 30 tys. dolarów.

Rodzi się więc pytanie: dlaczego tak trudno trwale zrzu­ cić zbędne kilogramy? Przecież przepis jest dość prosty i po­ wszechnie znany: należy spalać więcej kalorii, niż się ich orga­ nizmowi dostarcza. Gdyby to jednak było takie łatwe, otyłość nie stałaby się największym, związanym z trybem życia, pro­ blemem zdrowotnym. Dla gatunku, który ze względu na stale zagrożenie głodem wyewoluował tak, by konsumować wysoko­ energetyczne pokarmy, utrzymywanie prawidłowej masy ciała w świecie dostatku, tanio oferującym puste kalorie i wypełnio­ nym atakującymi zewsząd reklamami, okazuje się niezmiernie trudne. Prawie każdy, kto próbuje diety, po jakimś czasie się poddaje - z analizy 31 badań różnych diet przeprowadzonej przez American Psychological Associaton w 2007 roku wynika,

że dwie trzecie osób rozpoczynających dietę po dwóch latach waży więcej niż na początku. Nauka wytoczyła najcięższe armaty, by rozwiązać ten pro­ blem. National Institutes of Health przeznaczają rocznie niemal 800 min dolarów na badania mające na celu zrozumienie meta­ bolicznych, genetycznych i neurologicznych przyczyn otyłości. W planie na 2011 rok NIH wymieniają obiecujące kierunki ba­ dań w następującej kolejności: stworzenie modeli zwierzęcych wyjaśniających funkcje białek w poszczególnych tkankach, ba­ danie skomplikowanych dróg sygnałowych w mózgu oraz szla­ ków pomiędzy ośrodkowym układem nerwowym a różnymi na­ rządami, identyfikacja wariantów genów związanych z otyłością oraz epigenetyczne mechanizmy regulacji metabolizmu. Badania te dostarczają ważnych informacji o tym, jak nasz organizm pozyskuje energię z pożywienia i magazynuje ją w po­ staci tłuszczu; jak mózg powiadamia nas, że jesteśmy głodni; dlaczego niektórzy rodzą się podatniejsi na tycie i czy na te zja­ wiska mogą wpływać pewne pokarmy lub substancje toksyczne. Ich wyniki wskazują też firmom farmaceutycznym liczne poten­ cjalne cele opracowywanych leków. Pytanie, na które te badania nie dostarczają odpowiedzi, to jak zapobiec narodowej epidemii otyłości. Być może biologia pozwoli nam kiedyś stworzyć pigułkę, któ­ ra zmieni nasz metabolizm tak, byśmy spalali więcej kalorii, lub zmodyfikuje nasze wrodzone preferencje i z hamburgerów prze­ rzucimy się na brokuły. Zanim to jednak nastąpi, najlepszym rozwiązaniem jest bazowanie na wypróbowanych metodach psychologii behawioralnej, rozwijanych przez ostatnie 50 lat i zweryfikowanych w setkach prac naukowych. Te empirycznie sprawdzone sposoby, doskonalone, by były skuteczniejsze dla większej liczby osób, cieszą się ostatnio coraz większym zainte­ resowaniem. W swoim strategicznym planie badań nad otyło-

E P I D E M I A OTYŁOŚCI

Narastający problem W USA wzrósł odsetek osób z nadwagą i otytych (z lewej), co określano na podstawie wskaźnika masy ciała (z prawej). Zwiększa się u nich ryzyko udaru, chorób serca, cukrzycy typu 2, niektórych n o w o t w o r ó w i innych przewlekłych chorób XXI wieku.

20

30

T 40

Wskaźnik masy ciała Coraz grubsi: Ponad 34% dorosłych Amerykanów cierpi na otyłość {pomarańczowy obszar pod krzywą) - w późnych latach siedemdziesiątych było to 15%. W 33 stanach otyłych jest ponad 25% osób (nie pokazano).

26 Świat Nauki, marzec 2011

145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200

26

29

31

33

36

38

40

43

45

48

50

52

55

57

24

27

29

31

33

36

38

40

42

44

47

49

51

53

23

25

27

29

31

33

35

37

40

42

44

46

48

50

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

20

22

24

26

28

29

31

33

35

37

39

40

42

44

19

21

22

24

26

28

29

31

33

35

36

38

40

42

18

20

21

23

26

28

29

34

36

38

39

19

20

22

25

26

28

31 29

33

17

24 23

31

32

34

35

37

16

18

19

20

22

23

25

26

28

29

31

32

34

35

15

17

18

19

21

22

24

25

26

28

29

30

32

33

14

16

17

18

20

21

22

24

25

26

28

29

30

32

14

15

16

18

19

20

21

23

24

25

26

28

29

30

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100 105 110

115 120

Waga [kg] Wskaźnik masy ciata (BMI) oblicza się, dzieląc masę ciała (w kilogramach) przez kwadrat wzrostu (w metrach). Wzór opracował XIX-wieczny belgijski matematyk i prekursor socjologii Adolphe Gfuetelet. Chociaż BMI nie określa ilości tkanki tłuszczowej, to jeśli wynosi powyżej 30, wskazuje na otyłość (wyjątkiem są bardzo umięśnieni sportowcy).

Grafiki Jen Christiansen

NOWOŚCI Z LABORATORIUM ścią NIH ujęły to następująco: „wyniki doświadczeń przynoszą nowe i ważne informacje na temat czynników socjalnych i be­ hawioralnych związanych z dietą, aktywnością fizyczną i siedzą­ cym trybem życia". JAK DO TEGO DOSZŁO OGROMNĄ DESPERACJĘ osób z nadwagą i otyłych oddaje nieusta­ jący potok porad płynących z tak różnych źródeł, jak publikacje naukowe, poradniki, gazety i błogi. Nasz „apetyt" na dietetyczne cuda, które szybko i trwale pozwolą zrzucić zbędne kilogramy, dorównuje niemal temu na tuczące pokarmy. Społeczeństwo wierzy w łatwe rozwiązania, a media czują się w obowiązku wy­ olbrzymiać kolejne odkrycia naukowe, informując o nich tak, jakby to były gotowe recepty. Co gorsza, bywa, że opisywane na pierwszych stronach gazet naukowe osiągnięcia wydają się sobie przeczyć. Przykładowo, praca opublikowana w ubiegłorocznym wrześniowym wydaniu American Journal ofClinicalNutrition wskazywała na powiąza­ nie pomiędzy zwiększonym spożyciem przetworów mlecz­ nych a utratą masy ciała, natomiast w metaanalizie ^ ^ ^ Ł « M przedstawionej wNutrition Reviews w maju 2008 ^gr roku takiej zależności nie stwierdzono. W pu­ blikacji ze stycznia 2010 roku zamieszczonej ; w Journal ofOccupational and Environmental '' Medicine postulowano relację pomiędzy stre­ sem w pracy a otyłością - listopadowy raport w czasopiśmie Obesity takiemu związkowi zaprzeczył.

Biologia otyłości National Institues of Health wydają rocznie niemal 800 min dolarów na badania mające wyjaśnić neurologiczne, metaboliczne i genetycz­ ne przyczyny otyłości. Odkryto wiele biochemicznych szlaków i sprzę­ żeń zwrotnych łączących mózg i układ pokarmowy, regulacyjną rolę tkanki tłuszczowej, występowanie subtelnych, dziedzicznych zmian powodujących, że pewne osoby mają większą tendencję do tycia, ist­ nienie dużego prawdopodobieństwa, że niektóre pokarmy i toksyczne związki mogą w p ł y w a ć na wymienione zjawiska. Zważywszy na to, że prawdopodobnie miną lata, zanim zrozumiemy różnorodne przy­ czyny otyłości, czeka nas jeszcze wiele niespodzianek. Mózg: Naukowcy od dawna wiedzą, że podwzgórze i pień mózgu biorą udział w regulacji uczucia głodu i sytości. Wciągu ostatnich kilku lat badacze odkryli, że ważną rolę odgrywa też w tym procesie ośrodek przyjemności, będący częścią układu limbicznego, oraz kora przedczotowa, która odpowiada za funkcje poznawcze i zachowanie. State przejadanie się wykazuje pod względem biochemicznym podobieństwo do narkomanii.

Metabolizm: Zdolność do spalania i przechowywania energii jest różna dla poszczególnych komórek. W 2009 roku w New England Journal of Medicine opublikowano wyniki trzech badań wykazujące, że niektóre osoby, zarówno kobiety, jak i mężczyźni, po zakończeniu okresu dojrzewania długo korzystają z niewielkich zapasów tłuszczu brunatnego, który w przeciwieństwie do tłuszczu białego jest związany ze smukłą sylwetką. Tłuszcz brunatny pomaga wytwarzać ciepło i wydaje się bardziej „spokrewniony" z mięśniami niż tłuszcz biały, którego główną funkcją jest gromadzenie nadmiaru energii.

Problem tkwi w tym, że naukowcy przy­ pominają ślepców z buddyjskiej przypo­ wieści dotykających słonia - ich badania dotyczą zwykle niewielkich fragmentów skomplikowanej układanki. Po zebra- ,, v niu wszystkich wyników staje się jasne, że radzenie sobie z otyłością iY' nie może sprowadzać się do wybo­ ru konkretnego pożywienia lub in­ nego równie prostego działania. Na problem składa się wiele czynników. Po części środowisko - nawyki żywieniowe przyjaciół, produkty dostęp­ ne w domu i w najbliższych sklepach, aktywność fizyczna w pracy. Po części biologia - genetyczne predyspozycje do odkładania tłuszczu, próg odczu­ wania sytości, a nawet różnice we wrażliwości kub­ ków smakowych. Po części ekonomia - „śmieciowe" jedzenie jest znacznie tańsze od świeżych produktów. A ponadto marketing - producenci żywności nauczyli się po mistrzowsku wykorzystywać nasze uwarunko­ wania ewolucyjne i społeczną naturę, by skłaniać nas do zakupu niezdrowych, ale przynoszących im zysk artykułów. Dlatego właśnie proste rozwiązania typu „jedz to czy tamto" się nie sprawdzają. Kiedy rozpoczynamy dietę i poddajemy się reżimowi ćwiczeń, polegamy głównie na sile woli, aby nie ulec temu wszystkiemu, co pcha nas do konsumpcji nieadekwatnej do poziomu aktywności. Liczymy, że zapłatą będzie smuklejsza sylwetka, co z kolei zmotywuje nas do dalszego wysiłku. Niewątpliwie utrata wagi jest nagrodą. Nieste­ ty, naszym przeciwnikiem w tej walce jest upływ czasu. Wraz z ubytkiem kilogramów, stajemy się coraz bardziej

Ilustracja Peter i Maria Hocy

'kf!

Geny: Naukowcom udało się wykazać obecność w ponad 20 genach różnic predysponujących do szybszego tycia. Kolejne badania dowiodły, że skutki tej zmienności są niewielkie nie mogą być odpowiedzialne za dzisiejszą epidemię otyłości. Geny wydają się istotne, ponieważ środowisko ma wpływ na to, które z nich są włączane, a które wyłączane. Dotychczas większość takich genetycznych przełączników otyłości zidentyfikowano u myszy. W przypadku ludzi poznano zaledwie kilku potencjalnych kandydatów.

marzec 2011, Świat Nauki 27

głodni, a ćwiczenia zaczynają nas nużyć. Jedno­ cześnie tempo utraty masy ciała nieuchronnie spada, co jest normalną reakcją kompensacyj­ ną metabolizmu, który w odpowiedzi na kalo­ ryczną deprywację staje się „oszczędniejszy''. Tak więc katorga okazuje się coraz większa, a nagroda bardziej odległa. „Okres od momentu zmiany nawyków żywieniowych do utraty wagi miesiące później jest dużym wyzwaniem" - tłu­ maczy SungWoo Kahng, neurobehawiorysta zajmujący się tematyką otyłości w Johns Hop­ kins Univeristy School of Medicine i Kennedy Krieger Institute.

Zewsząd atakują nas profesjonalnie przygotowane reklamy wykorzystujące naszą łatwowierność i potrzebę zadowalania zm

Szansa utrzymania diety by wzrosła, gdyby trud mógł być mniejszy, a cel - bardziej realny. Czy istnieje na to sposób? OD BIOLOGII DO PSYCHIKI DOTYCHCZAS NAJLEPSZĄ METODĄ trwałej utraty nawet kilku kilo­ gramów były dieta i wysiłek fizyczny, czyli zmiana zachowania. Podejście behawioralne, sprawdzane od lat, polega na wprowa­ dzaniu wielu małych, możliwych do utrzymania zmian w odży­ wianiu się i fizycznej aktywności przy wsparciu otoczenia. Badania naukowe potwierdzające skuteczność behawioral­ nego podejścia w walce ze zbędnymi kilogramami rozpoczęto ponad 50 lat temu, kiedy to Burrhus Frederic Skinner, psycho­ log z Harvard University, opracował analizę behawioralną. Za­ kłada ona, że naukowcy nie wiedzą, co tak naprawdę dzieje się w naszych głowach. Nawet obrazowanie metodą czynnościowe­ go magnetycznego rezonansu jądrowego - najnowocześniejszej techniki badania umysłu - pozwala uzyskać jedynie ogólniko­ we, dopuszczające dowolność interpretacji przybliżenia prze­ żywanych emocji i funkcji poznawczych, redukując skompliko­ wane wyładowania w sieciach neuronów do kilku plam koloru. Naukowcy mogą jednak obiektywnie, w sposób powtarzalny, obserwować i mierzyć reakcje badanych w danym środowisku, co pozwala im na identyfikację powiązań między zachowaniem a otoczeniem. Zazwyczaj polega to na rozpoznawaniu zdarzeń lub sytuacji wyzwalających pewne reakcje i odnotowywaniu, co może stanowić nagrodę (wzmocnienie pozytywne), a co karę (wzmocnienie negatywne). Skuteczność interwencji behawioralnych udokumentowa­ no dla wielu zaburzeń i kłopotliwych zachowań. Z metaanalizy opublikowanej w 2009 roku w Journal ofClinical Child ScAdolescent Psychology wynika, że „w przypadku dzieci autystycznych leczeniem z wyboru powinna być wczesna, intensywna inter­ wencja behawioralna". W pracy przeglądowej, sponsorowanej przez United States Preventive Services Task Force (USPSTF), wykazano, że nawet bardzo krótkie interwencje - sesje porad­ nictwa psychologicznego - zredukowały ilość alkoholu spoży­ wanego przez osoby uzależnione o 13 do 34% aż na cztery lata. By skuteczniej walczyć z nadwagą, naukowcy zajmujący się analizą behawioralną przyglądają się wpływom środowiska: ja­ kie czynniki zewnętrzne sprawiają, że ludzie przejadają się lub sięgają po „śmieciowe" jedzenie? Co skłania ich do sięgnięcia po zdrowe? W jakich sytuacjach zachowania i komentarze in­ nych osób wpływają na niezdrowe odżywianie się? Co na dłuższą metę jest skuteczną nagrodą za zdrowe odżywianie? Co sprzy­ ja aktywności? Badania oparte na metodzie behawioralnej już w latach sześćdziesiątych wykazały, że kilka zasadniczych czyn­ ników koreluje z większą szansą na trwałą utratę wagi: rygo-

28 Świat Nauki, marzec 2011

rystyczne liczenie i zapisywanie przyjmo­ wanych kalorii, masy ciała i wykonanych ćwiczeń; stopniowe zmiany zamiast du­ żych; spożywanie zbilansowanych posiłków z niewielką zawartością tłuszczów i cukrów, a nie wykluczanie całych grup pokarmów, wyznaczanie sobie jasnych, niewielkich celów; skupianie się na zmianie przyzwy­ czajeń, nie na krótkoterminowych rozwią­ zaniach, a w szczególności udział w spo­ tkaniach terapeutycznych, podczas których osoby odchudzające się są wspierane w swo­ w, ich wysiłkach i chwalone za osiągnięcia. Jeśli te rady nie wydają się nam niczym nowym lub odkryw­ czym, to dlatego, że są popularyzowane od ponad pół wieku przez Weight Watchers (Strażników Wagi). Ruch ten, zainicjowany w 1963 roku, miał na celu wspieranie osób będących na diecie, a teraz stale opracowuje nowe metody i wskazówki zgodnie z od­ kryciami badań behawioralnych. „Niezależnie od indywidualnych różnic, clou będzie zawsze zmiana zachowania" - tłumaczy Karen Miller-Kovach, dietetyk i dyrektor ds. naukowych w Weight Wat­ chers. I dodaje: „Można się tego wyuczyć".

Badania potwierdzają skuteczność metod behawioralnych w walce z nadwagą. Praca przeglądowa sponsorowana przez US Department of Health and Humań Services w 2003 roku wykaza­ ła, że „sesje terapeutyczne i interwencje behawioralne prowadzą do niewielkiej bądź umiarkowanej utraty wagi utrzymującej się co najmniej rok" - a to eon w przypadku odchudzania. W anali­ zie ośmiu popularnych programów wspomagających odchudza­ nie, opublikowanej w 2005 roku wAnnals of Internat Medicine, stwierdzono, że tylko metoda Weight Watchers (która wówczas nie polegała na gromadzeniu punktów) okazała się efektywna i umożliwiała utrzymanie zredukowanej o 3% masy ciała przez dwa lata trwania badania. Jednocześnie analizy z 2005 roku opublikowane w czasopiśmie JAMA potwierdziły, że program Weight Watchers oraz dieta Zonę (która też zaleca zbilansowane posiłki składające się z odpowiednich proporcji białka, węglo­ wodanów i tłuszczu) należą do najczęściej (w 65%) przestrzega­ nych. Zaznaczono przy tym, że to właśnie przestrzeganie diety, a nie jej typ, decyduje o efektach zdrowotnych. Badania z Jour­ nal of Pediatrics z 2010 roku udowodniły, że dzieci po rocznej terapii behawioralnej utrzymywały wskaźnik masy ciała (BMI) o 1,9-3,3 mniejszy niż te, które nie uczestniczyły w terapii (BMI jest stosunkiem wzrostu do masy ciała wyrażonym w postaci liczby; poniżej 18,5 to niedowaga, powyżej 25 - nadwaga). W Pe­ diatrics umieszczono także informację, że „pewne dane wskazu­ ją na utrzymanie się zmian przez ponad 12 miesięcy po zakoń­ czeniu terapii". Badanie z 2010 roku opublikowane w Obesity pokazało, że stali członkowie Take Off Pounds Sensibly (TOPS) ogólnokrajowej organizacji non profit propagującej utratę wagi zgodnie z założeniami terapii behawioralnej - w trakcie trwają­ cych trzy lata badań utrzymywali masę ciała niższą o 5-7% od po­ czątkowej. Brytyjska Medical Research Council z kolei ogłosiła w ubiegłym roku, że przeprowadzone przez nią długoterminowe badania dowodzą większej skuteczności programów bazujących na zasadach terapii behawioralnej. Jednak program Weight Watchers, podobnie jak inne popularne programy odchudzania, nie oferuje pełnej gamy technik behawio­ ralnych dopasowanych do potrzeb poszczególnych uczestników Zazwyczaj nie obejmuje jednoosobowych sesji terapeutycznych,

dostosowywania porad do szczególnych sytuacji i warunków w do­ mu, pracy i środowisku, dodatkowego wsparcia dla osób opusz­ czających spotkania lub zapobiegania próbom gwałtownej utraty wagi bądź wykluczania całych grup produktów żywnościowych. By zapełnić tę lukę, kilku naukowców zaangażowało się ostat­ nimi laty w doskonalenie, upowszechnianie i indywidualne pro­ jektowanie technik behawioralnych, osiągając obiecujące wyniki. Na przykład, na behawioralnych technikach redukcji masy ciała skupia się obecnie Michael Cameron - szef zakładu analizy beha­ wioralnej prowadzącej studia podyplomowe w Simmons College i pracownik naukowy Harvard Medical School. Od roku bada on czteroosobową grupę (naukowcy zajmujący się analizą behawio­ ralną zazwyczaj badają bardzo małe grupy lub nawet pojedyncze osoby, by jak najlepiej dopasować sposób interwencji i dokładnie

przyglądać się efektom). Badani spotykają się z terapeutą na wideokonferencjach, ważą się na wagach, które same przesyłają mu wyniki i stosują dietę zoptymalizowaną zarówno pod względem kaloryczności, jak i indywidualnych upodobań. Nagrodą za ćwi­ czenia fizyczne są ulubione dania. Do tej pory uczestnicy progra­ mu stracili od 8 do 20% początkowej masy ciała. Z kolei Matt Normand, zajmujący się analizą behawioralną w University of the Pacific, poszukuje sposobów na precyzyj­ niejszą kontrolę liczby spożywanych kalorii i wydatków na żyw­ ność, na przykład przez gromadzenie paragonów ze sklepów, notowanie, co się zjadło, wykorzystywanie krokomierzy oraz innych urządzeń do oceny aktywności fizycznej. Zgromadzone dane są przesyłane uczestnikom w formie codziennych, szcze­ gółowych bilansów kalorycznych. W jednym z opisanych przez

JAK TO DZIAŁA?

Cztery kroki do smukłej sylwetki Badania nad otyłością i dietami na podstawie analizy trybu życia pacjentów pozwoliły określić kilka podstawowych warunków, które wydają się zwiększać szansę na trwałą utratę wagi - są to m.in. dążenie do wyraźnego celu małymi krokami i trwała zmiana nawyków. Większość z tych propozycji można podzielić na cztery kategorie.

Ocena wstępna Badania podkreślają potrzebę ustalenia, ile

[

dana osoba waży i jakie

Zmiany zachowania Wiele osób sądzi, że najlepiej

przyzwyczajenia skłaniają

zacząć od małych modyfikacji,

ją do przejadania się

na przykład zrezygnować z windy

(jedzenie w stresie)

na rzecz schodów. Badania

i rezygnacji z ćwiczeń

dowodzą, że przyjrzenie się

(nierealne oczekiwania).

wszystkim daniom w bufecie przed

Odpowiedzieć na te

nałożeniem porcji powoduje,

pytania pomogą lekarz,

że jest ona mniejsza.

pielęgniarka lub dietetyk.

Grupy wsparcia Samokontrola Zapisywanie swojej wagi i „zjedzonych" kalorii, a także odnotowywanie aktywności fizycznej pomogą obiektywnie ocenić, czy ktoś w wystarczającym

Badania potwierdzają pozytywny wpływ innych osób. Członkowie grupy - ćwiczącej, wsparcia czy internetowej - dzielą się między sobą sukcesami, omawiają porażki i zastanawiają się nad rozwiązaniami.

stopniu zmienił swoje nawyki. Badania behawioralne pokazują, że sprawdzają się zarówno notatki odręczne, jak i systemy bezprzewodowego monitoringu.

Ilustracja Peter i Maria Hoey

marzec 2011, Świat Nauki 29

POLITYKA SOCJALNA

Zdrowsze życie w miejskiej dżungli Nowy Jork wykorzystuje politykę i gospodarkę, by zwiększyć dostęp do zdrowego jedzenia Thomas Farley Pewien naukowiec wytłumaczył mi kiedyś, że postęp biomedycy­ ny można mierzyć tym, jak bardzo zawęża się cel naszych badań. Dawno temu rozumieliśmy jedynie różnice między chorymi a zdro­ wymi ludźmi. Dziś potrafimy wejrzeć w narządy oraz komórki i roz­ różniać „zdrowe" i „chore" cząsteczki. Takie myślenie doprowadziło część badawczy do wniosku, że przyczyn otyłości trzeba poszukiwać na poziomie komórkowym. Nie znajdą tam odpowiedzi. W opanowaniu epidemii pomoże nie mikroskop, ale raczej „makroskop" - należy sięgać do socjologii i ekonomii, a nie do fizjologii i genetyki. W Nowym Jorku, gdzie trze­ ba dotrzeć do milionów osób już otytych lub będących na najlepszej drodze do otyłości, wykorzystujemy do tego celu politykę społeczną i bodźce ekonomiczne, zachęca­ jąc w ten sposób do sięgania po zdrową żywność. Skoro nawyki żywieniowe są indywidualną sprawą każdego z nas, to dlaczego skupiamy się na modyfikowaniu otoczenia, zamiast edukować ludzi, żeby dokonywali lepszych wyborów? Odpowiedź jest prosta - nie zmieniliśmy się w ciągu ostatnich 30 lat. Jesteśmy tacy sami, jak w latach siedemdziesiątych. Inne jest nasze otoczenie.

dawane i rozprowadzane przez działające w mieście firmy cateringowe, co będzie dotyczyć około 225 min posiłków rocznie. W 2008 roku w Nowym Jorku wprowadzono obowiązek informo­ wania o kalorycznosci dań w restauracyjnych menu. Efekty nie byty znaczące: aż około 75% konsumentów, wybierając potrawę, nie zwra­ ca uwagi na jej kaloryczność, a ci, którzy to robią, decydują się na posiłki mające zaledwie 100 kcal mniej. Większy skutek może odnieść wycofanie z oferty kanapek mających ponad 1000 kcal. W próbach zmiany nawyków żywieniowych Amerykanów nie moż­ na pominąć słodzonych napojów, których spożycie odpowiada za jedną trzecią lub nawet połowę dodatkowych 300 kcal dziennie przyjmowa­ nych przez Amerykanów przez ostatnie 30 lat. Zarówno w badaniach obserwacyjnych, jak i randomizowanych udowodniono, że słodzo­ ne cukrem napoje przyczyniają się do rozwoju otyłości i nadwagi. Nowy Jork popiera propozycję wprowadzenia prawa stanowego ograniczającego opłacalność sprze­ daży dużych objętości w wyniku nałożenia dodatkowego podat­ ku w wysokości centa od uncji (29,57 cm3) słodzonego napoju. Modele ekonomiczne wskazują, że wzrost cen o 10% spowodowałby spadek popytu o 8%.

Wybór: Około 25% konsumentów kieruje się podczas Ostatniej jesieni w Nowym Dziś żywność jest powszechnie zakupów wartością kaloryczną potraw przedstawioną Jorku zaproponowano wprowa­ dostępna, tania, wysokokalorycz­ w menu. Spożywają oni około 100 kcal mniej. na i serwowana w zbyt dużych dzenie próbnego programu wyco­ porcjach. Chociaż wiele mówi się fania słodzonych produktów z listy o „pustyniach pokarmowych" w ubogich dzielnicach, gdzie brakuje żywności dotowanej w ramach SNAP. W ten sposób można by się pełnowartościowego pożywienia, to tak naprawdę większość z nas pozbyć podstawowej sprzeczności w polityce zdrowotnej. Skoro cią­ żyje w „pokarmowych bagnach", topiąc się w jedzeniu naładowanym gle powtarza się nowojorczykom, że słodkie napoje prowadzą do oty­ kaloriami. Trudno sobie wyobrazić budynek publiczny, w którym nie łości i zwiększają ryzyko cukrzycy, jak uzasadnić rozdawanie na nie stoi automat z gazowanymi napojami, lub dużą ulicę bez McDonalbonów, w dodatku w ramach programu żywieniowego? Ta inicjatywa mogłaby także wpłynąć na rynek. Jeżeli utrata dotacji SNAP sprawi, da. W sklepikach w Bronksie Południowym na półkach sklepowych są ogromne paczki chipsów i trzylitrowe butelki słodzonych napojów że w sklepach osiedlowych zmniejszy się popyt na słodzone napoje gazowanych po dwa dolary. Kaloryczność chipsów wynosi około w trzylitrowych butelkach, być może zaczną one proponować zdrow­ sze produkty, akceptowane przez opiekę społeczną. 5 kcal/g, czyli 10 razy więcej niż marchewki. Znacznie łatwiej opisywać to sprzyjające otyłości środowisko, niż zmienić je na lepsze. W Nowym Jorku staramy się, aby większa była oferta zdrowszych, dostępnych w mniejszych porcjach produktów. Rodzinom objętym Supplemental Nutrition Assistance Program (SNAP) rozdajemy „zdrowe pieniądze" czyli bony o wartości dwóch dolarów do wykorzystania na targach warzywnych, żeby skłonić je do kupo­ wania mniej kalorycznych świeżych warzyw i owoców. Do oferowania produktów niskokalorycznych zachęcamy też właścicieli małych skle­ pów, zmieniliśmy też plany zagospodarowania i przepisy podatkowe tak, by supermarkety mogły powstawać tam, gdzie dziś są wyłącznie sklepiki. Dążymy również do poprawienia jakości jedzenia podawane­ go w szkolnych stołówkach, jednocześnie usuwając wysokokaloryczne napoje z automatów na szkolnych korytarzach. Opracowaliśmy także normy wartości odżywczych, jakie powinno spełniać pożywienie sprze­

30 Świat Nauki, marzec 2011

Przeprowadzone przez nas ankiety wykazały, że w porównaniu z 2007 rokiem dorośli wypijają nieco mniej słodzonych napojów. Respondentów pytamy także o ich wagę i wzrost. Ponadto stale monitorujemy poziom aktywności fizycznej i BMI 1,2 min uczniów nowojorskich szkół publicznych. Jest zbyt wcześnie, by odpowiedzieć na pytanie, czy wprowadzone przez nas zmiany zmniejszyły licz­ bę otytych nowojorczyków. Epidemia otyłości trwa już przeszło trzy dziesięciolecia, więc opanowanie jej zajmie nam na pewno więcej niż kilka lat. Wydaje nam się jednak, że zmierzamy we właściwym kierunku. Jeżeli nie chcemy, by w przyszłości każdy Amerykanin tykał co dzień pigułkę na otyłość, musimy zmienić nie naszą fizjologię, lecz środowisko. Thomas Farley, lek. med., jest komisarzem ds. zdrowia w Nowym Jorku.

siebie badań Normand uzyskał zmniejszenie poboru kalorii do rekomendowanej wartości u trzech z czterech uczestników. Natomiast Richard Fleming, badacz z Medical School Shriver Center przy University of Massachu­ setts, w artykule opublikowanym w Obesity analizuje sposoby motywowania rodziców, by nakłaniali dzieci do wybierania zdrowszych pokarmów. Odkrył m.in., że skuteczne jest bez­ pośrednie pokazywanie dorosłym, jak wyglą­ da odpowiednia porcja pożywienia na talerzu. Kolejny trik Fleminga to pozwolenie dzieciom na wybór w sklepie niewielkiego smakołyku, ale pod warunkiem, że dojdą tam na piechotę. „Najmłodszych łatwo namówić na aktywność fizyczną w zamian za nagrodę'' - tłumaczy.

Zakrojone n a dużą skalę programy pomocy w odchudzaniu nie oferują wielu technik behawioralnych, które byłyby dopasowane do indywidualnych potrzeb uczestników.

Dlaczego interwencje behawioralne dają efekty? Laurette Dube, zajmująca się marketingiem i psychologią stylu życia w McGill University Faculty of Management, zwraca uwagę, że otaczają nas perfidnie przygotowane reklamy, wykorzystu­ jące naszą potrzebę wynagradzania zmysłów i łatwowierność. Co więcej, naśladujemy zle nawyki żywieniowe i aktywność fi­ zyczną znajomych i rodziny. Istota interwencji behawioralnych polega na próbie takiej zmiany otoczenia, aby promowało ono pożądane zachowania. „Jeżeli wystarczającą liczbę razy usłyszy­ my słowa zachęty, pojawi się szansa, że okiełznamy swój nad­ mierny apetyt" - mówi Dube. ZMIANA POLITYKI NIE ISTNIEJE UNIWERSALNE ROZWIĄZANIE problemu otyłości ani w terapii behawioralnej, ani w innych dziedzinach. Ale choć in­ terwencje behawioralne sprawdzają się najlepiej, gdy są dopaso­ wane do indywidualnych potrzeb, to masowe rozwiązania, takie jak program Weight Watchers czy TOPS są też dość skuteczne. Dlaczego nie korzysta z nich więcej osób? Głównie dlatego, że się do nich nie zapisują, ponieważ wolą uganiać się za modnymi dietami cud czy suplementami albo przeczytali, że otyłość jest zależna od genów. W spotkaniach Weight Watchers, do tej pory najpopularniejszego programu opartego na terapii behawioral­ nej, uczestniczy zaledwie około 600 tys. osób w całej Ameryce Północnej. Oznacza to średnio mniej niż jedną osobę na 100 oty­ łych i mniej niż jedną na 200 mających nadwagę. Polityka społeczna w zakresie otyłości wydaje się jednak zmie­ niać. Główny lekarz kraju i Centers for Disease Control and Preyention wspierają podejście behawioralne w wojnie ze zbędnymi kilogramami. Głośna kampania Pierwszej Damy USA Michelle Obamy pod hasłem „Let's Move" (Ruszmy się), mająca na ce­ lu walkę z otyłością u najmłodszych, opiera się prawie wyłącz­ nie na wskazówkach terapii behawioralnej - nakłaniania dzieci do spożywania mniej kalorycznych posiłków, większej aktywno­ ści i czerpania z niej przyjemności. Zaproponowany ostatnio za­ kaz dodawania zabawek do posiłków Happy Meal sprzedawa­ nych w San Francisco dowodzi, że coraz więcej urzędników chce zmusić producentów żywności do rezygnacji z taktyk reklamo­ wych namawiających do sięgania po tuczące posiłki. Aby zachęcić mieszkańców biedniejszych dzielnic ze szczególnie wysokim od­ setkiem otyłych osób do kupowania owoców i warzyw, Biały Dom zamierza je dotować. Z kolei burmistrz Nowego Jorku Michael Bloomberg popiera zmiany w programach dotowania produktów spożywczych w ramach pomocy społecznej, tak aby ograniczyć

sprzedaż napojów o dużej zawartości cukru. W ubiegłym roku w Waszyngtonie uchwalo­ no zresztą 6% podatek od ich sprzedaży. Do­ datkowo w Nowym Jorku mniej zamożnym rodzinom rozdaje się bony na zakup świeżych produktów na bazarach i finansowo zachęca sklepy do oferowania zdrowszej żywności. Niektórzy eksperci starają się nakłonić rząd do takich zmian w przepisach zagospodaro­ wania przestrzennego, by plan zabudowy i ar­ chitektura budynków skłaniały do spacerów, jazdy na rowerze i wspinania się po schodach. Badania przeprowadzone w 2009 roku przez naukowców z Louisiana State University Me­ dical School wykazały, że korzystanie ze scho­ dów zaledwie 2,8% częściej pozwala schudnąć około 0,5 kg rocznie. Pozytywna korelacja pomiędzy poziomem aktywności fizycznej a prawidłową masą ciała to jedna z najlepiej udowodnionych hipotez w badaniach nad otyłością. Łatwiejszy dostęp do terapii behawioralnej także byłby po­ mocny. Wielu otyłym osobom wystarczyłoby jedynie monitoro­ wanie przez Internet, wsparcie i narzędzia do oceny postępów - środki o udokumentowanej umiarkowanej skuteczności. Inni potrzebują intensywniejszej, indywidualnie dobranej terapii, takiej jak te przygotowywane przez Camerona. Zważywszy na to, że plaga otyłości dotyka głównie najbiedniejszych, opłaty za uczestnictwo w programach mogłyby być dotowane przez rząd i z ubezpieczeń zdrowotnych. Tygodniowa terapia behawioral­ na kosztuje 50 dolarów, co w skali roku daje ich 2,5 tys., czy­ li niewiele ponad jedną trzecią wspomnianych 7 tys. dolarów wydawanych rocznie na opiekę socjalną i medyczną nad osobą otyłą. A wystarczy zaledwie rok lub dwa lata, by na spotkaniach terapeutycznych wypracować nawyki żywieniowe i ruchowe oszczędności dotyczą całego życia.

Na razie nie wiadomo, czy społeczeństwo zaakceptuje wysiłki rządu zmierzające do utrwalenia zdrowszych nawyków. W San Francisco, którego mieszkańcy są znani ze szczególnie przychyl­ nego nastawienia do inicjatyw prozdrowotnych, pomysł na no­ wy Happy Meal został przez nich źle przyjęty, co doprowadziło do zawetowania go przez burmistrza Gavina Newsoma. Akcja kampanii „Let's Move" mająca na celu wprowadzenie zdrow­ szych potraw do szkolnych stołówek też spotkała się z krytyką jako „zbytnio ingerująca". Ale nawet jeżeli udałoby się wdrożyć wszystkie wspomniane propozycje, to nadal nie ma gwarancji, że rozwiąże to problem otyłości. Obecnie odsetek takich osób jest większy niż kiedykolwiek i potrzebna jest zmiana nawyków ży­ wieniowych na dużą skalę. Badania wskazują, że byłaby to naj­ lepsza metoda walki z otyłością i są podstawy, by odniosła skutek. Jeśli wziąć pod uwagę, że coraz więcej naukowców, ekspertów ds. polityki społecznej i urzędników państwowych wspiera ten po­ mysł, pierwsze wyniki powinniśmy już zobaczyć w ciągu 10 lat. • J E Ś t l CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Determining the Effectiveness of Take Off Pounds Sensibly (TOPS), a Nationally Available Nonprofit Weight Loss Program. Nia S. Mitchell i in.; Obesity; Publikacja w Internecie 23 IX 2010. Dostępna na stronie: www.nature.com/obyjournal/vaop/ncurrent/full/oby2010202a.html You on a Diet: The Owner's Manuał for Waist Management. Michael F. Roizen i Mehmet C. Oz; Free Press, 2006. About Behaviorism. B.F. Skinnei; Vintage. 1974. Portal udostępniający wyniki badań nad otyłością przeprowadzonych przez NIH: obesityresearch. nih.gov

marzec 2011, Świat Nauki 31

Marek Abramowicz od 15 lat kieruje Katedrą Astrofizyki na Uniwersytecie w Goteborgu w Szwecji. Od kilku lat jest także wizytującym profesorem w Centrum Kopernika PAN w Warszawie Zajmuje się głównie fizyką czarnych dziur Po obronie dokloralu z fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Warszawskim w 1974 roku przez wiele lat pracował i wykładał w Stanford University, University of Oxford, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati w Trieście i Nordic Institute for Theoretical Physics (Nordita) w Kopenhadze, a okresowo także był związany z innymi uniwersytetami amerykańskimi, europejskimi, izraelskimi i japońskimi.

Stanisław Bajtlik jest astrofizykiem związanym z Centrum Astronomicznym im. M. Kopernika PAN w Warszawie. Przez kilka lat pracował w Princeton University, University of Colorado, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati w Trieście, Institute dAstrophysique w Paryżu i innych miejscach. Autor kilkudziesięciu prac naukowych z dziedziny kosmologii. Od wielu lat popularyzuje naukę, za co został uhonorowany Nagrodą Ministra Nauki i Prezesa PAP w 2007 roku oraz Medalem i Nagrodą im. Krzysztofa Ernsta Polskiego Towarzystwa Fizycznego w 2008 roku.

FIZYKA

Jeszcze bardziej paradoksalni bliźniacy Liczący już ponad 100 lat problem „paradoksu bliźniąt" okazuje się głębszy i mniej akademicki, niż sądzono Marek Abramowicz i Stanisław Bajtlik

W

SŁYNNEJ PRACY z 1905

ROKU O elektro­

dynamice ciał w ruchu Albert Einstein przedstawił szczególną teorię względno­ ści. Przewidział w niej następujące zjawi­ sko: jeśli zsynchronizujemy dwa zegary i jeden z nich pozostawimy na miejscu, a drugi odsuniemy na pewną odległość, po czym ponownie przybliżymy do tego, któiy pozostawał w spoczynku, to zegar ten będzie się późnił w stosunku do spo­

czywającego. Einstein nie dostrzegał w tym żadnego paradoksu. Podkreślał, że wynik eksperymentu jest naturalnym wnioskiem, wynikającym ze szczególnej teorii względności. W1911 roku roz­ winął ten przykład w słowach, przytaczanych w popularnym podręczniku fizyki Davida Hallidaya i Roberta Resnicka: „jeśli umieścimy w pudełku żywy organizm [...] to możemy sprawić, że ten organizm, po odpowiednio długiej podróży, może zostać sprowadzony do początkowego położenia w nieco tylko odmie­ nionym stanie, podczas gdy podobne organizmy, które pozosta-

VV S K l t O t l E Albert Einstein w 1905 roku opisał zja­

„Paradoks

problemy i dojdziemy do nie mniej cie-

dotyczących

wisko, które - określane początkowo jako

słyszeli wszyscy, nie jest wcale t r y w i a l -

kawych rozwiązań i wniosków.

lokalizacji. Ich pominięcie nieuchronnie

„paradoks zegarów" - znamy dziś pod

ny. Jeśli tylko przyjrzymy mu się bliżej,

Zjawiska

nazwą „paradoksu bliźniąt"

znajdziemy w nim bardzo interesujące

są dziś uwzględniane w

32 Świat Nauki, marzec 2011

bliźniąt",

o

którym

dziś

związane

z

„paradoksem" obliczeniach

prowadziłoby

m.in.

do

systemu

poważnych

w wyznaczaniu położenia.

globalnej

błędów

9 8

9 8

-y,

8

\ \

31

12 10 7

6 ^

6 12

12

1¾ 9

10 9 8

8

3-!

^ R KJ

I12 J

10 8

o

' 6 9

9

| B_V"f

podróżujący obserwuje, że to jego towarzysz wraz z Zie­ mią i całym Wszechświatem poruszają się względem nie­ go, spodziewa się więc, że to zegar na Ziemi będzie się późnił. Jednak symetrię łamią siły bezwładności, dzia­ łające na podróżnika, a nie na osobnika pozostającego na Ziemi. By udać się w podróż, trzeba się przecież rozpę­ dzić, a, by porównać wskazania zegarów, bliźniacy muszą znów znaleźć się w tej samej chwili w tym samym miejscu, tak więc podróżujący będzie musiał zawrócić i ponownie doświadczy działania sił bezwładności. Sytuacja nie jest wcale symetryczna. Ten, który odczuwał działanie sił bez­ władności, będzie młodszy! Dla Langevina takie wyjaśnie­ nie miało dodatkowo wskazywać na istnienie eteru. Dziś wiemy, że wnioski były mylne. Ziemską wersję takiej po­ dróży z przyśpieszaniem jednego z bliźniaków przedsta­ wia rysunek z lewej. BLIŹNIAKÓW TRZECH

Klasyczna wersja paradoksu bliźniąt: Jeden z bliźniaków udaje się w podróż, drugi pozostaje na miejscu. Symetria problemu jest łamana przez przyśpieszenia (siły bezwładności) odczuwane przez podróżującego bliźniaka.

ly na miejscu, dawno już przeminęły, ustępując miejsca nowym pokoleniom. Dzieje się tak dlatego, że dla poruszającego się or­ ganizmu długi czas podróży był zaledwie chwilką, o ile ruch od­ bywał się z prędkością bliską prędkości światła". „Paradoks zegarów", bo pod taką nazwą efekt byl początkowo analizowany, stal się przedmiotem rozważań wybitnych fizyków epoki, takich jak Richard C. Tolman czy Hendrik A. Lorentz. W 1911 roku francuski fizyk Paul Langevin przedstawił nową wersję, w której zegary zostały zastąpione dwiema osobami. Od tej pory jest to najczęściej dyskutowany „paradoks" w nauce (słowo „paradoks" ujmujemy w cudzysłów, ponieważ zgodnie ze stanowiskiem Einsteina sprzeczność to w tym wypadku tyl­ ko skutek posługiwania się błędnymi intuicjami, dotyczącymi symetrii układu). Langevin zauważył, że symetria jest w naszym „paradoksie" tylko pozorna. Co prawda, osoba pozostająca na Ziemi widzi, że podróżnik oddala się, a jego zegar tyka wolniej, podczas gdy

3 4 Świat Nauki, marzec 2011

WYJAŚNIENIE LANGEVINA wciąż cieszy się popularnością i można je znaleźć w podręcznikach licealnych, a także akademickich. Jest jednak błędne, a co najmniej niepełne. Już w 1913 roku niemiecki fizyk Max von Laue zauważył, że, odpowiednio planując podróż, można dowolnie zmniej­ szyć przyśpieszenia w rakiecie (aż do niezauważalnie ma­ łych). Laue zwrócił uwagę, że bliźniaka, który pozostaje na Ziemi, odróżniają od podróżnika nie tyle same przy­ śpieszenia, ile fakt, że podróżujący musi zmieniać układ inercyjny na inny po to, by powrócić i porównać zegary. Nawet ten wniosek Lauego nie jest dostatecznie ogól­ nym rozwiązaniem paradoksu bliźniąt. Paradoks pojawia się nawet bez żadnych przyśpieszeń. Jak już wspomnieli­ śmy, by móc porównywać zegary, muszą się one znaleźć w tej samej chwili, w tym samym miejscu. Nie muszą jed­ nak poruszać się z tymi samymi prędkościami! Rozważmy sytuację [rysunek na, następnej stronie, na górze'], w której do akcji wkracza trzeci „bliźniak". Wyobraź­ my sobie, że pierwszy bliźniak - A, pozostaje w naszym układzie w spoczynku. Obok niego przelatuje bliźniak B, poruszając się ruchem jednostajnym po linii prostej (bez żadnych przyśpieszeń!). W chwili spotkania (bez zmiany prędkości B) synchronizują zegary, po czym bliźniak B od­ latuje w siną dal. Po pewnym czasie, w odległym miejscu, B spotyka poruszającego się po tej samej prostej - ruchem jednostajnym, tyle że w przeciwnym kierunku - trzeciego „bliź­ niaka" - C. Nie zatrzymując się, C ustawia swój zegar zgodnie ze wskazaniem zegara B. Następnie, wciąż poruszający się ru­ chem jednostajnym C, niosący informację o wskazaniach zega­ ra B, dociera do A i mogą porównać wskazania zegarów. Który będzie młodszy? Odpowiedź: bliźniak C. To właśnie on ma zegar, który zmienił układ odniesienia (w rzeczywistości tym, co zmie­ niło układ inercjalny, jest jedynie wskazanie zegara). PARADOKS I TOPOLOGIE

NA TYM NIE KONIEC KŁOPOTÓW z paradoksalnymi bliźniakami. Niemiecki astronom Karl Schwarzschild w 1900 roku oraz rosyj­ ski fizyk i matematyk Aleksander Friedman w 1925 roku zwró­ cili uwagę, że Wszechświat może mieć niezwykle własności. Jeśli nawet (jak wskazują najnowsze badania kosmologiczne) w wielkiej skali jest plaski, czyli opisywany geometrią Euklide­ sa (a więc taką, jakiej uczymy się w szkole, w której np. suma

Wszystkie rysunki Małgorzata

Świentczak

kątów w trójkącie zawsze wynosi 180° a obwód kola jest równy 2nr), to możliwe są różne „kształty" (topologie) takiej płaskiej przestrzeni. Najprostszym przypadkiem byłaby tu euklidesowa nieskończona, trójwymiarowa przestrzeń, jednak można rozważać o wiele bardziej skom­ plikowane topologie. O ile dwuwymiarowym analogiem nieskończonej, euklidesowej przestrzeni jest płaszczyzna, o tyle analogiem skończonego, choć płaskiego i nieogra­ niczonego Wszechświata może być na przykład cylinder lub torus. Geometria Wszechświata jest związana równa­ niami Einsteina (równaniami ogólnej teorii względności) z jego materialną zawartością, ale żadna znana teoria fi­ zyczna nie określa topologii Wszechświata ani nie wiąże jej z materią. Znalezienie takiej teorii i określenie topolo­ gii na podstawie obserwacji to jedne z najpoważniejszych zadań współczesnej kosmologii [patrz: Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman, Jeffrey R. Weeks „Czy przestrzeń jest skończona?"; Świat Nauki, czerwiec 1999].

Podróżujący bliźniacy poruszają się ruchami jednostajnymi, bez przyśpieszeń. Przy spotkaniach porównywane są wskazania zegarów. W tym przypadku można się odwoływać do łamania symetrii problemu w wyniku zmiany układu inercjalnego.

We Wszechświecie o wielospójnej topolo­ gii (zajmiemy się najprostszym przypadkiem, w którym jeden z wymiarów jest „zamknię­ ty", a dwuwymiarowy analog trójwymiarowej przestrzeni jest cylindrem) możliwe jest po­ nowne spotkanie bliźniaków po odbyciu po­ dróży bez żadnych przyśpieszeń [rysunek po­ niżej]. Wtakiej przestrzeni zarówno względne przyśpieszenie bliźniaków, jak i ich przyśpie­ szenie „względem odległych gwiazd" wynosi zero. Przy pierwszym spotkaniu (poruszając się względem siebie) synchronizują oni swoje zegary Po skończonym czasie (stale poruszając się bez żadnych przyśpieszeń) spo­ tykają się ponownie i porównują wskazania. Który z nich będzie młodszy? Rozwiązanie paradoksu bliźniąt w tej wersji nie może się opierać ani na przyśpieszeniach (bo nie tylko są one sobie równe, ale równe zero!), ani na zmianie układu inercjalnego (obaj pozostają w tych samych ukła­ dach). Symetria jest w tym przypadku łamana przez ist­ nienie globalnego (obejmującego całą przestrzeń), wyróż­ nionego układu odniesienia, względem którego możemy

W wielospójnym wszechświecie możliwe są spotkania bliźniaków poruszających się bez przyśpieszeń i bez zmiany układu inercjalnego. W takim wszechświecie istnieje wyróżniony układ odniesienia. Młodszy jest bliźniak, który porusza się szybciej względem tego układu.

marzec 2011, Świat Nauki 35

przestrzeni) promienia z większą, a drugi z mniejszą prędkością (na skutek czego promień pokonuje większą lub mniejszą dro­ gę). Możemy też zapytać, który z obserwatorów wysyłających w przeciwnych kierunkach promienie zobaczy, że powróciły one do niego w tym samym momencie? Ten obserwator jest wyróż­ niony, „spoczywa względem przestrzeni" (żeby to stwierdzić, musi jednak przeprowadzić eksperyment o charakterze global­ nym). Możemy mierzyć prędkości bliźniaków względem układu związanego z tym obserwatorem. Ten bliźniak, który porusza się (względem tak określonego układu) szybciej, okaże się młodszy przy ponownym spotkaniu. Rozwiązanie takiej wersji paradok­ su jest znane od kilkunastu lat, a jeden z nas (Stanisław Bąjtlik) wraz z Boudewijnem F. Roukema z Uniwersytetu im. M. Koper­ nika w Toruniu zajmował się w 2008 roku matematyczną struk­ turą czasoprzestrzeni odpowiadającej temu przypadkowi.

Na orbicie fotonowej wokół czarnej dziury obaj bliźniacy podlegają takim samym przyśpieszeniom. Mogą się jednak poruszać z różnymi prędkościami stycznymi do orbity. W tym problemie istnieje wyróżniony układ odniesienia. Młodszy okazuje się bliźniak poruszający się szybciej względem tego układu. określać prędkości bliźniaków. Zauważmy, że w takiej przestrze­ ni poruszający się względem siebie obserwatorzy mogą mierzyć rozmiary Wszechświata w kierunku, w którym jest on zamknię­ ty, wysyłając promienie świetlne. Otrzymają różne wyniki, bo je­ den porusza się względem powracającego (po obiegnięciu całej

O tym, że to nie przyśpieszenia łamią symetrię w problemie bliźniaków można się przekonać także w jednospójnym i nie­ skończonym wszechświecie, którego nie da się obejść wkoło. W pracy z 2007 roku, opublikowanej w Physical Review A, a napisanej wspólnie z Włodzimierzem Kluźniakiem z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN w Warszawie, podali­ śmy przykład paradoksu bliźniąt podobnego do tego w wielospójnym wszechświecie, ale mogącego (przynajmniej teoretycz­ nie) zachodzić w jednospójnym kosmosie. Orbity blisko czarnej dziury mają inne własności niż powszechnie znane orbity new­ tonowskie. W szczególności, niezwykle własności ma „orbita fotonowa", która znajduje się w odległości 1,5 promienia hory­ zontu czarnej dziury Światło (fotony) krąży swobodnie wokół czarnej dziury po takiej orbicie. Wyobraźmy sobie [rysunek z lewej], że umieszczamy na orbi­ cie fotonowej bliźniaków, którzy będą na niej pozostawać dzięki silnikom rakietowym, skierowanym dyszami do czarnej dziury (równoważącym siłę przyciągania ku czarnej dziurze). Bliźnia­ cy, lewitując nad powierzchnią horyzontu czarnej dziury, mo­ gą się ślizgać po orbicie z różnymi prędkościami. Będą więc się spotykać i mogą przy pierwszym spotkaniu uzgodnić wskazania

Odmładzający ruch: Jeden z bliźniaków lewituje nad Ziemią, a drugi porusza się ruchem swobodnym po orbicie kołowej {sytuacja z lewej). Bliźniak lewitujący podlega przyśpieszeniu, bliźniak swobodny - nie. Młodszy okazuje się ten drugi, bo porusza się szybciej względem wyróżnionego układu odniesienia. Po zmniejszeniu masy centralnej {środkowy rysunek) obaj bliźniacy podlegają przyśpieszeniom. Wciąż młodszy jest ten, który się porusza. Kiedy masa centralna maleje do zera {rysunek zpraioej), orbitujący bliźniak wciąż jest młodszy, ale teraz nie można się odwoływać do jego prędkości, bo zniknął wyróżniony układ odniesienia. Powracamy do klasycznej wersji paradoksu, w której należy odwołać się do różnicy przyśpieszeń.

3 6 Świat Nauki, marzec 2011

zegarów, a przy kolejnym je porównać. Któ­ ry będzie młodszy? Przyśpieszenia radialne (wzdłuż promienia i skierowane na zewnątrz) są dla obu takie same, ale różne od zera. Przy­ śpieszenia styczne do orbity (w kierunku ich ruchu) są równe zero, podobnie jak przyśpie­ szenie względne. Tak jak w przypadku wszechświata, który jest rurą, wyjaśnienie nie może się odwoływać ani do przyśpieszeń, bo te dla obu są jedna­ punktu wyjścia: W niefizycznej, pustej przestrzeni musimy kowe (i tylko radialne), ani do zmiany układu inercjalnego. Ale podobnie jak w przypadku odwoływać się nie do prędkości, lecz do przyśpieszeń. wielospójnej topologii, mamy tu wyróżniony układ odniesienia. Możemy zdefiniować stan spoczynku. Będzie tujący bliźniak po to, by pozostać w miejscu, zmniejsza ciąg to układ, w którym obserwowana przez bliźniaka na orbicie po­ silników rakietowych. Jest coraz słabiej przyśpieszany. Ten na zycja czarnej dziury na tle odległych gwiazd będzie stała. Ten orbicie po to, by pozostać na niej, musi włączyć silnik, który bliźniak, który krąży po orbicie z większą prędkością (względem będzie skierowany ku Ziemi. Będzie coraz silniej przyśpiesza­ ny. Cały czas o tym, który z nich jest młodszy (a zawsze jest tak określonego układu spoczywającego), będzie młodszy! to ten na orbicie), decyduje jednak prędkość mierzona wzglę­ dem „nieba gwiaździstego nad głową". Kiedy masa centralna EINSTEIN W PRAKTYCE UKŁADY INERCYJNE, wszechświaty o dziwnych kształtach, orbi­ stanie się bardzo mała, będziemy mieli sytuację niemal jak ty blisko powierzchni horyzontów czarnych dziur - to wszyst­ z podręczników fizyki - spoczywający bliźniak, prawie niepod­ ko mogłoby się wydawać akademickimi ćwiczeniami, niemają- legający przyśpieszeniu, i bliźniak orbitujący, przyśpieszany. cymi żadnego związku z realnym światem. Tak jednak nie jest. I tak jak w podręcznikach, ten przyśpieszany będzie młodszy, Zauważmy, że planeta krążąca wokół Słońca, sztuczny satelita tyle że dopóki centralna masa jest choćby minimalnie różna w ruchu po orbicie okoloziemskiej, kometa przylatująca w na­ od zera, jest wyróżniony układ odniesienia i problem wieku sze okolice z Obłoku Oorta, znajdują się w stanie „swobodne­ możemy rozstrzygnąć na podstawie prędkości bliźniaków. Gdy go spadku" - wyznaczają układy inercjalne, poruszające się masa wyparuje do końca, układ wyróżniony znika. Wracamy w czasoprzestrzeni zakrzywionej grawitacją Słońca czy Ziemi. do punku rozważań - niefizycznej, pustej przestrzeni, w której Oczywiście orbity mogą się przecinać. Argument Lanego (o ko­ musimy odwoływać się nie do prędkości, lecz do przyśpieszeń. nieczności zmiany układu przez jednego z bliźniaków) nie dzia­ Ta sytuacja jest równoważna problemowi, od którego rozpoczę­ [rysunekpowyżej]. ła. Podczas pierwszego spotkania na różnych, ale przecinają­ liśmy dociekania cych się orbitach, podróżujący bliźniacy mogą zsynchronizować Dochodzimy do najbardziej zaskakującego wniosku. We zegary. Przy kolejnym przecięciu orbit mogą porównać wskaza­ wszystkich realnych przestrzeniach (w których znajduje się ja­ nia. Mamy więc paradoks bliźniąt wykraczający poza szczególną kaś materia), to nie przyśpieszenia, a prędkość decyduje o tym, teorię względności. kto będzie młodszy. Okazuje się nim zawsze ten, kto porusza się Ruch po orbitach eliptycznych, w zmiennym polu grawitacyj­ nym, ale z zerowymi przyśpieszeniami (bliźniacy inercjalni) wy­ maga posługiwania się ogólną teorią względności - poprawną teorią grawitacji. Młodszy okazuje się ten bliźniak, któiy znaj­ duje się na orbicie swobodnej o większej długości w przestrzeni. W przypadku, w którym jeden bliźniak krąży po orbicie koło­ wej, a drugi - eliptycznej, mającej z nią jeden punkt wspólny, bliźniak „eliptyczny" będzie młodszy, gdy orbita kołowa jest we­ wnątrz elipsy (spotkania w peryhelium). Kiedy elipsa znajduje się wewnątrz orbity kołowej (spotkania w aphelium), młodszy okaże się bliźniak „kołowy". Wyobraźmy sobie teraz przykład [rysunek a na stronie obok, na dole], w którym jeden z bliźniaków, korzystając z silników rakietowych, „lewituje" nad Ziemią (dla uproszczenia przyjmij­ my, że nasza planeta nie obraca się wokół własnej osi), a drugi porusza się ruchem swobodnym po orbicie kołowej. Bliźniak lewitujący jest przyśpieszany, ten na orbicie kołowej znajduje się w stanie „spadku swobodnego", bez przyśpieszenia. Prosty ra­ chunek pokazuje, że młodszy będzie bliźniak orbitujący. W tym przykładzie, przeciwnie do popularnych wyjaśnień podręczni­ kowych, to bliźniak niepodlegający przyśpieszeniu będzie młod­ szy, a ten przyśpieszany - starszy! Wyobraźmy sobie teraz , że zmniejszamy stopniowo masę ciała centralnego [rysunek b na stronie obok, na dole]. Lewi-

szybciej. Te przykłady realizacji „paradoksu bliźniąt" mają ogromne znaczenie praktyczne. Bliźniakami synchronizującymi i porów­ nującymi swoje zegary są bowiem satelity systemu GPS. Każ­ dy z nich unosi na pokładzie zegary atomowe. Porównywanie wskazań tych zegarów stanowi istotę metody. Nieuwzględnianie różnic wynikających z efektów równoważnych „paradoksowi bliźniąt" prowadziłoby do nieakceptowania wielkich błędów w wyznaczaniu położenia. Znany od ponad 100 lat, najlepiej zgłębiony spośród wszyst­ kich fizycznych paradoksów, einsteinowski „paradoks zegarów", fascynujący uczniów, studentów i rzesze ludzi jako „paradoks bliźniąt" jest dziś uwzględniany przez inżynierów projektują­ cych system GPS i nim kierujących. Okazuje się, że bez paradok­ salnych bliźniaków inercjalnych w świecie nowoczesnej techno­ logii - ani rusz. •

JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Pięć prac, które zmieniły oblicze fizyki. Albert Einstein; Seria Klasycy Nauki; Wydawnictwa Uni­ wersytetu Warszawskiego, 2009. Pan Tompkins w krainie czarów. George Gamow; Prószyński i S-ka, 2005. Ewolucja fizyki. Leopold Infeld, Albert Einstein; Prószyński i S-ka, 1998. Teoria względności i inne eseje. Albert Einstein; Prószyński i S - b , 1997. Istota teorii względności. Albert Einstein; Prószyński i S - b , 1997.

marzec 2011, Świat Nauki 37

A '

"C

BADANIA KOSMOSU

Satelity obywatelskie Małe, standaryzowane satelity umożliwiają prowadzenie

Alex Soojung-Kim Pang uzyskał doktorat z historii nauki na University of Pennsylvania. Pisze teksty o historii astronomii, badaniach naukowych i wpływie nowych technologii na społeczeństwo. Pracuje w Sald Business School należącej do Universiry of Oxford, a obecnie wizytuje Microsoft Research Cambridge

Wh

BobTwiggs byl jednym z pomysłodawców projektu CubeSat, gdy pracował na Wydziale Lotnictwa i Astronautyki Stanford University. Od 2009 roku jest profesorem na Morehead State University w Kentucky. Tytuł inżyniera elektryka uzyskał na University of Idaho, a magistra inżynierii elektrycznej w Stanford.

O

DKĄD PONAD 50 LAT TEMU wystrzelenie sputnika zapoczątkowało erę sztucznych satelitów, niebo zdominowały wielkie instytucje. Prawie wszystkie spośród tysięcy satelitów umieszczonych na orbi­ tach okoloziemskich zostały sfinansowane przez rządy i korporacje, a każda ich nowa generacja była bardziej skomplikowana i droższa od poprzedniej. Jednak w ostatnich latach rozwój elektroniki, metod pozyskiwa­ nia energii słonecznej oraz innych technik umożliwił niewyobrażal­ ne wprost zmniejszenie rozmiarów sztucznych satelitów. W nowym ich rodzaju - CubeSat - radykalnie uproszczono i znormalizowano konstrukcję, a koszty produkcji, wystrzelenia i sterowania zreduko­ wano do 100 tys. dolarów, co stanowi niewielki ułamek typowego budżetu przeznaczanego na misje kosmiczne przez NASA i ESA. CubeSat ma rozmiar sześcianu o boku kilkunastu centymetrów. Wielkością przypomina pudełko na Beanie Baby - misia maskotkę - i jest to dobre porównanie, bo do niedawna za niewiele więcej niż zabawkę uważała go większość naukowców. Idea satelitów CubeSat polega na przekazaniu ich konstruktorom - mogą być nimi grupy naukowców, doktorantów, studentów - ścisłych wytycznych doty­ czących masy i rozmiaru, a następnie umieszczeniu wielu gotowych, ujednoliconych kostek w wolnym miejscu ładowni rakiety, zwykle mającej wynieść na orbitę jakiś inny, droższy statek kosmiczny. Ol­ brzymi koszt wystrzelenia rakiety zostaje zatem rozdzielony mię­ dzy wszystkich uczestników przedsięwzięcia, dzięki czemu wydatki nie są wysokie. Jednocześnie standardowa konstrukcja satelitów umożliwia ich konstruktorom wzajemne techniczne wsparcie i wy­ korzystywanie do budowy gotowych komponentów.

W SKRÓCIE Dzięki standaryzowanej

technologii

Satelity m o ż n a z b u d o w a ć w c i ą g u z a l e -

satelitarnej misje kosmiczne są coraz

dwie roku i połączyć w sieci czujników

tańsze i bardziej dostępne.

kosmicznych. Większość z nich w miarę

Satelity CubeSat o objętości litra i masie

szybko spada na Ziemię i nie zaśmieca

kilograma są często konstruowane z ele-

przestrzeni kosmicznej.

mentów, którymi naukowcy dzielą się

Uniwersytety, firmy, państwa, a nawet

między sobą. Satelity CubeSat mogą być

hobbystów stać na prowadzenie poważ-

wynoszone na orbitę przez rakiety prze-

nych badań kosmicznych w takich dzie-

znaczone dla innych misji.

dżinach, jak fizyka atmosfery.

Naukowcy z University of California w Berkeley wykorzystali standardowy kształt i rozmiary satelity CubeSat w projekcie Ions, Neutrals, Electrons, Magnetic Fields (Jony, Cząstki Obojętne, Elektrony, Pola Magnetyczne) (z lewej).

Zdjęcie Spencer Lowell

marzec 2011, Świat Nauki 39

Od momentu pojawienia się koncepcji CubeSata naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, Azji, Europy i Ameryki Łacińskiej wystrzelili już co najmniej ich dwa tuziny. Prowadzi się za ich pomocą przeróżne badania, od biomedycznych w warunkach mikrograwitacji po analizę struktury górnych warstw atmosfe­ ry. Niski koszt, krótki czas przygotowań i międzynarodowa spo­ łeczność użytkowników, w połączeniu z walorami edukacyjnymi satelitów, sprawiły, że CubeSaty stały się niezwykle popularne: na całym świecie powstają zespoły uniwersyteckie, często skła­ dające się ze studentowi doktorantów*. Dzięki małym satelitom swoje programy kosmiczne mogą rozwijać również niewielkie państwa, dopiero co powstałe firmy, a nawet licealiści. Niedługo koszt wystrzelenia tych obiektów może spaść do 10 tys. dolarów, umożliwiając udział w programie zwykłym entuzjastom badań kosmosu. Wygląda na to, że satelity CubeSat odegrają w kosmo­ sie rolę podobną do tej, jaką 30 lat temu w informatyce odegrały komputery Apple II. WYSTRZELIĆ Z POMYSŁEM MAŁE SATELITY, o masie kilogramów, to nie nowość - nawet ma­ sa Sputnika 1 wynosiła niewiele ponad 80 kg. Jednak w miarę powiększania się rakiet satelity rosły i stawały się coraz bardziej skomplikowane. Obecnie typowy satelita komunikacyjny lub badawczy waży kilka ton. „Mikrosatelity" - statki kosmiczne o masie od 10 do 100 kg - zostały tymczasem zepchnięte na margines, ale nie zniknę­ ły. Wysyłali je choćby badacze termosfery - rozciągającej się od około 80 do około 600 km ponad powierzchnią naszej pla­ nety - natomiast od wczesnych lat sześćdziesiątych dziesiątki satelitów komunikacyjnych OSCAR (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio) ułatwiały nawiązywanie połączeń krótkofalow­ com. Prawdziwy potencjał małych satelitów uwidocznił się jed­ nak dopiero w latach osiemdziesiątych. Przyczyniła się do tego miniaturyzacja urządzeń elektronicznych oraz rozwój mecha­ niki precyzyjnej i układów mikroelektromechanicznych, takich jak malutkie akcelerometry powszechnie dziś wykorzystywane w telefonach komórkowych i poduszkach powietrznych. W końcu lat dziewięćdziesiątych realne wydawało się skon­ struowanie użytecznych satelitów o masie kilograma. Tak mała masa pozwalałaby na radykalne zmniejszenie kosztów budowy i wystrzelenia, a także zachęcałaby konstruktorów do opracowy­ wania nowatorskich metod projektowania misji. NASA również zalecała inżynierom poszukiwanie tańszych rozwiązań. Właśnie wtedy jeden z nas (Twiggs, pracujący wówczas w Space and Systems Development Lab należącym do Stanford University) oraz profesor Jordi Puig-Suari z California Polytechnic State University w San Luis Obispo doszli do wniosku, że, aby dało się wdrożyć koncepcję małych satelitów, potrzebna jest standaryzacja - na wzór ruchu open source, który pozwala tanio tworzyć światowej klasy oprogramowanie. I tak w 2000 roku dwóch inżynierów opracowało specyfikację CubeSat. W 10-stronicowym dokumencie zawarli kilka prostych zasad: każda jednostka musi być sześcianem o boku długości 10 cm (z dokładnością do 0,1 mm), czyli mieć objętość jednego litra. Jej masa nie powinna przekraczać kilograma. Satelity mogą również być prostopadłościanami o objętości dwóch lub trzech pojedynczych jednostek; noszą wtedy nazwy 2 U i 3U. CubeSat składa się z metalowej klatki, zawierającej i chronią­ cej urządzenia elektroniczne, aparaturę pomiarową oraz układy do komunikacji i zasilania. Często na kilku jej bokach umiesz­

4 0 Świat Nauki, marzec 2011

czone są ogniwa słoneczne, a z jednego końca wystaje antena. Niedługo niektóre z satelitów zostaną wyposażone w proste układy nawigacyjne z miniaturowymi dyszami, które pomogą ustalić położenie i orientację satelity na orbicie. Konstrukcja modularna oznacza, że satelity są wystrzeliwane w standardowych pojemnikach, przypominających dozowniki cukierków Pez. Ładunek jest wyrzucany, gdy rakieta wejdzie na orbitę. W 2003 roku Puig-Suari opracował projekt orbitalnego dozownika, który na rakietach wystrzeliwanych przez agencje kosmiczne USA i Rosji może bezpiecznie wynieść na orbitę sate­ lity CubeSat jako „kosmicznych gapowiczów". W tym samym ro­ ku firma Pumpkin z San Francisco wypuściła pierwsze komer­ cyjne zestawy CubeSat zawierające gotowe do użycia elementy. Dzięki takiemu rozwiązaniu własnego satelitę mogą skonstru­ ować nawet naukowcy nieobyci z techniką kosmiczną. Wyposażenie CubeSatów bywa tak różne, jak różni są ich kon­ struktorzy. Zajrzyj do któregoś z nich, a zobaczysz mieszaninę urządzeń lotniczych, gotowych części, zmodyfikowanej aparatu­ ry badawczej, oprzyrządowania z wcześniejszych misji kosmicz­ nych, sprzętu radiowego z lokalnego sklepu elektronicznego oraz układów wymontowanych z pecetów lub zakupionych na eBayu. Od samego początku członkowie społeczności CubeSat wymie­ niali między sobą doświadczenia. Nowe osoby w tej branży szyb­ ko się dowiadują, że dzielisz się wszystkim - prócz ładunku. Szybko okazało się, że studenci też lubią projekt CubeSat i mogą się sporo przy nim nauczyć. W tradycyjnych programach lotniczych i kosmicznych pracują nad zagadnieniami teoretycz­ nymi lub opracowują małe części większych układów, które znaj­ dą się w kosmosie wiele lat po ukończeniu przez nich studiów. CubeSat to satelita, którego potrafi zbudować kilka osób w jed­ nym pokoju, co zajmie najwyżej dwa lata, jest to więc idealny te­ mat pracy dyplomowej. Możliwość umieszczenia swojego dzieła w kosmosie jest silnym bodźcem do ciężkiej pracy. Satelity Cube­ Sat są też atrakcyjne dla dydaktyków, ponieważ podczas budowy występują wszystkie problemy techniczne, które trzeba rozwią­ zywać przy konstruowaniu ich większych kuzynów. SZEŚCIENNA NAUKA W CIĄGU OSTATNICH KILKU LAT liczba naukowców i instytucji prowadzących doświadczenia z satelitami CubeSat znacznie wzrosła. Do inżynierów lotniczych i astrofizyków dołączyli profesorowie i studenci z innych wydziałów, a przedsiębiorcze osoby założyły firmy oferujące wystrzelenie satelitów i pomoc po starcie. Kraje, które dotychczas nie brały udziału w bada­ niach kosmosu, mogły rozpocząć swoje programy. Szwajcaria i Kolumbia już wystrzeliły swoje pierwsze satelity CubeSat, a wiele innych - w tym Estonia - jest w trakcie przygotowań. Dzięki miniaturowym satelitom swoje kosmiczne programy ma­ ją nawet poszczególne stany USA. Na szczególną uwagę zasłu­ guje Kentucky, gdzie w tym celu powstało konsorcjum instytucji akademickich i organizacji non profit. Zmieniły się również cele programów: nie są to już demon­ stracyjne misje edukacyjne (zwane satelitami bip bip, gdyż czę­ sto ich funkcja ogranicza się do nadawania sygnałów radiowych, świadczących, że wciąż działają), lecz poważne zadania nauko­ we. Pracujący w NASA inżynier Jason Crusan mówi, że społecz­ ność CubeSat zbliża się właśnie do „osiągnięcia masy krytycznej udanych i ważnych misji, które dały konkretne wyniki" i może rozwiać wątpliwości krytyków. Satelity CubeSat przekształciły się z zabawek w narzędzia.

NARZĘDZIA

Wnętrzności CubeSat Gotowe do użycia zestawy montażowe - takie jak oferowany przez fir­

kosmicznego od podstaw. Na ilustracji pokazano niektóre części z zesta­

mę Pumpkin z San Francisco za 7500 dolarów - a także inne dostępne

w u Pumpkin (komputer pokładowy, panele słoneczne i elementy kon­

części pozwalają zespołom naukowców i inżynierów skoncentrować się

strukcyjne), a także kilka innych (układ zasilania ze szkockiej firmy Clyde

na aparaturze doświadczalnej i nie zajmować się projektowaniem statku

Space oraz radionadajnik z kanadyjskiej firmy Microhard Systems).

—

—

Zatrzaski paneli słonecznych V

•

U

II

II

U

«

•

>.

Śruby obudowy

II

Akumulatory

Komputer pokładowy

JSl

S

Obudowa

Wykorzystuje się je w wielu programach, również kontrower­ syjnych lub wysoce eksperymentalnych. Wystrzelony w 2003 roku (JuakeSat stanowił część projektu mającego ułatwić pro­ gnozowanie trzęsień ziemi - mierzył zmiany pola magnetyczne­ go o skrajnie niskich częstościach. Działał przez kilka miesięcy i z powodzeniem przesyłał dane do stacji naziemnej w Stanford. Niektórzy sejsmolodzy nie dostrzegają jednak związku między zmianami pola a trzęsieniami ziemi, a ponadto podają w wątpli­ wość dokładność pomiarów prowadzonych z kosmosu. Innym przykładem jest LightSail-1, zaprojektowany przez Planetary Society CubeSat 3U, mający służyć do testowania pierwszego ża­ gla napędzanego wiatrem słonecznym. Taki napęd może kiedyś stać się użyteczny w podróżach po naszym Układzie. NASA, agencje wywiadowcze oraz wojsko również zaczyna­ ją eksperymentować z satelitami CubeSat. To duża zmiana, po­ nieważ jeszcze kilka lat temu większość specjalistów uważała, że satelity te nigdy nie będą wystarczająco dobre technicznie, by dało się za ich pomocą prowadzić prawdziwe badania lub działania wywiadowcze bądź je dokładnie kontrolować i precy­ zyjnie nimi manewrować. Twierdzili, że będą tylko zaśmiecać cenne niskie orbity okoloziemskie. Dziś opracowany przez National Reconnaissance Office pro­ gram Colony 1 wykorzystuje satelity CubeSat do testowania nowych rozwiązań technicznych przed ich wprowadzeniem na

Zdjęcie Spencer Lowell

Panele słoneczne

większym statku kosmicznym. Inni naukowcy używają CubeSatów w bardziej konwencjonalnych badaniach farmaceutycz­ nych. Smali Spacecraft Office, znajdujące się w należącym do NASA Ames Research Center w Dolinie Krzemowej w Kalifor­ nii, w latach 2006-2007 wystrzeliło dwa satelity CubeSat w ce­ lu przetestowania na niskiej orbicie okołoziemskiej użyteczno­ ści popularnych „laboratoriów na chipie", a także przekonania się, czy biolodzy zdołają prowadzić niedrogie doświadczenia w warunkach mikrograwitacji. Trzy lata później ta sama gru­ pa sprawdzała skuteczność leków antybakteryjnych w stanie mikrograwitacji, co było pierwszym krokiem do opracowania farmaceutyków potrzebnych w trakcie długotrwałych lotów kosmicznych. W lipcu 2010 roku działająca w Houston firma NanoRacks zainstalowała na Międzynarodowej Stacji Kosmicz­ nej uchwyt na satelity CubeSat i obecnie wynajmuje powierzch­ nię firmom farmaceutycznym i innym przedsiębiorstwom zainteresowanym prowadzeniem badań w kosmosie, a także placówkom edukacyjnym, w tym jednej szkole średniej. Niektóre satelity CubeSat przeznaczone są do badań pogody i klimatu. Zaprojektowany przez naukowców z Colorado State University satelita CloudSat będzie śledzić przez dłuższy okres tworzenie się i pionową strukturę chmur, czego nie da się zrobić za pomocą samolotów. Wspierana przez National Science Foun­ dation misja Firefly (Robaczek Świętojański) umieści na orbicie

marzec 2011, Świat Nauki 41

P R O J E K T Y CUBESAT

Kosmiczne chałupnictwo 1. Dobra wysokość. Badacze i studenci z California Polytechnic State University testują układ magnetyczny do regulacji wysokości lotu wystrzelonego w 2009 roku satelity CP6. 2. Nowe państwo. W 2009 roku Szwajcaria wystrzeliła swego pierwszego satelitę SwissCube. Skonstruowany przez zespół liczący około 200 studentów badał poświatę górnej atmosfery wywołaną przez promienie kosmiczne.

3. Pogoda kosmiczna. Wystrzelony w listopadzie ubiegłego roku Radio Aurora Explorer będzie badać wpływ wiatru słonecznego najonosferę Ziemi. 4. Zycie. Wystrzelony listopadzie 2010 roku przez NASA Organism/ Organie Exposure to Orbital Stresses CubeSat ma pokazać możliwości prowadzenia niedrogich doświadczeń biologicznych. 5. Krótkofalówka. Studenci Universite de Liege w Belgii konstruują Orbital Utility for Telecommunication Innovation do cyfrowej łączności radiowej.

42 Świat Nauki, marzec 2011

detektor i fotometr promieniowania gamma służące do pomia­ rów rozbłysków gamma wybiegających z atmosfery ziemskiej w kosmos, zwykle w czasie burz z piorunami. CloudSat i Firefly będą obserwować zjawiska w troposferze 16-kilometrowej warstwie atmosfery, w której żyjemy. Inna gru­ pa satelitów CubeSat rozpocznie badania termosfery. Jest ona bombardowana przez wiatr słoneczny, wyładowania koronalne i plamy słoneczne, jej górna warstwa zaś wznosi się i opada w za­ leżności od natężenia aktywności Słońca. Zmiany te mogą mieć wpływ na działanie satelitów na niskich orbitach: amerykańska stacja kosmiczna Skylab uległa wypadkowi, kiedy niespodzie­ wane uniesienie się termosfery zwiększyło działający na stację opór i ściągnęło ją na Ziemię. Ponieważ Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, GPS oraz satelity radio- i telekomunikacyjne poru­ szają się w termosferze, poznanie właściwości tej warstwy jest dla ogólnoświatowej komunikacji i badań naukowych równie istotne, jak dla światowego handlu poznanie oceanów. Większe satelity, poruszające się po wyższych orbitach, nie mogą bezpoś­ rednio obserwować termosfery - widzą ją wciśniętą między egzosferę (cienką warstwę oddzielającą Ziemię od kosmosu) a stratosferę (warstwę bezpośrednio pod termosferą). Z kolei aparatura umieszczona na rakietach meteorologicznych doko­ nuje bezpośrednich pomiarów, ale tylko w wąskiej kolumnie wokół trajektorii rakiety i jedynie przez kilka minut. Pierwszym satelitą CubeSat przeznaczonym do badań termo­ sfery byl wystrzelony pod koniec 2009 roku szwajcarski SwissCube. Mierzy on i mapuje tzw. poświatę niebieską - bardzo słabe światło powstające w górnej atmosferze na skutek chemicznych i fizycznych reakcji. Ma to pomóc naukowcom dokładniej zro­ zumieć jego przyczyny i umożliwić lepsze filtrowanie w trakcie badań innych zjawisk atmosferycznych i naziemnych. NOWA KOSMICZNA GOSPODARKA BYĆ MOŻE NAJWIĘKSZĄ INNOWACJĄ, jaką przyniosły satelity CubeSat, jest wprowadzenie nowego modelu biznesowego. Sateli­ ty te skonstruowane przez różne zespoły zwykle łączy się ze sobą i umieszcza na orbicie jako drugorzędny ładunek rakiety. Ozna­ cza to, że ich wystrzelenie następuje w momencie wygodnym dla właściciela głównego ładunku, ale wspólna ładownia pozwala zaoszczędzić pieniądze i rozłożyć koszty na wielu uczestników. Co więcej, jak tłumaczy Kris W. Kimel, prezes i założyciel Ken­ tucky Science and Technology Corporation, niski koszt satelitów CubeSat „dopuszcza niepowodzenie i pozwala na innowacje. To klucz do przedsiębiorczości''. Niskie koszty w większym stop­ niu dopuszczają możliwość poniesienia porażki w trakcie procesu projektowania i konstruowania: w przypadku satelitów CubeSat zniszczenie w chwili startu lub awaria w momencie umieszczania na orbicie mniej bolą. „Nie lubimy tracić satelitów - mówi Kimel. - Ale nie oznacza to straty 5 min dolarów''. Dla odmiany, trady­ cyjne satelity „są zbyt duże, by mogły zawodzić" - dodaje Andrew Kalman, prezes firmy Pumpkin i szef jej działu technologii. W niektórych projektach idzie się o krok dalej i celowo umiesz­ cza satelity CubeSat na takich orbitach, aby doprowadzić do ich zniszczenia i uzyskać w ten sposób interesujące dane. „Satelity CubeSat mogą znaleźć się w miejscach, w których nie przeżyją zbyt długo" - zauważa Puig-Suari. - Mogę takiego satelitę celowo umieścić w niebezpiecznym otoczeniu. Jego zniszczenie będzie nie tylko dopuszczalne, lecz wręcz zamierzone i pożądane". Przykładem takiego podejścia są misje, w których opracowa­ niu uczestniczył Twiggs. Pierwsza z nich to projekt OJ350, przy

którym współpracują zespoły z Europy, Azji i Ameryki. Konsor­ cjum umieści 50 dwumodulowych satelitów CubeSat w górnym brzegu termosfery. Przez kilka miesięcy ich orbity będą się ob­ niżać z powodu oporu stawianego przez atmosferę. W tym cza­ sie satelity zbiorą informacje o składzie chemicznym, gęstości i temperaturze termosfery na coraz niższych wysokościach, aż wreszcie spadną na Ziemię. Drugi przykład to misja Polar Orbiting Passive Atmospheric Całibration Sphere. Trzy satelity CubeSat 3U będą mierzyć ogrzewanie atmosfery ziemskiej przez rozbłyski słoneczne. Gdy satelity będą przelatywać przez atmosferę ponad biegunami, naukowcy zaobserwują, jak obniżają się ich orbity. Dzięki temu uda się dokładniej prognozować wpływ aktywności słonecznej na termosferę. Małe rozmiary satelitów CubeSat i ich stosunkowo słabe syste­ my łączności wciąż istotnie ograniczają zdolność poszczególnych jednostek do zbierania interesujących danych. To jeden z powo­ dów, dla których dotychczas większość misji przeprowadzano za pomocą satelitów dwu- lub trzymodułowych. Z tego względu naukowcy eksperymentują obecnie z tworzeniem sieci CubeSat, w której satelity mogą działać razem w skoordynowany sposób. Twórcy satelitów pracują nad łącznością międzysatelitarną, ukła­ dami umożliwiającymi ich loty w formacjach, a nawet nad kilome­ trowymi więzami łączącymi satelity. Defense Advanced Research Projects Agency (Agencja Zaawansowanych Obronnych Projek­ tów Badawczych) finansuje wart 75 min dolarów projekt mający pokazać, w jakich warunkach sieci satelitów CubeSat zastąpiłyby satelity tradycyjne. Stabilne grupy satelitów CubeSat mogą nawet zastąpić wielkie urządzenia: Gil Moore, emerytowany profesor z Utah State University, przewiduje, że „będą powstawać rozległe zespoły mogące zrobić to samo, co Kosmiczne Teleskopy Hubble'a oraz Webba". Aby jeszcze zwiększyć możliwości satelitów Cube­ Sat, Paulo Lozano z MIT opracował malutki system napędowy, który pozwoli nimi sterować. Inni pracują nad techniką wytłacza­ nia elementów satelitów, co zmniejszy ich koszt. Kalman uważa, że kiedyś naukowcy będą mogli traktować satelity CubeSat jak komputery osobiste: staną się one „bazą, na której ludzie będą tworzyć własne aplikacje". Pomysł, że sa­ telity CubeSat staną się pecetami badań kosmicznych wskazu­ je, że docelowo odegrają one jeszcze bardziej rewolucyjną rolę: umożliwią amatorom wzięcie udziału w podboju kosmosu. I na­ stąpi to raczej prędzej niż później: firma Interorbital Systems z Mojave w Kalifornii ma zamiar oferować zestawy do konstruk­ cji satelitów CubeSat oraz ich wystrzelenie na niską orbitę za ce­ nę poniżej 10 tys. dolarów. „Amatorzy będą mieli szansę w tym uczestniczyć - mówi Puig-Suari. - Ludzie zaczną tworzyć swoje własne miniteleskopy Hubble'a". • * Swojego CubeSata ma też Polska: w tym roku na orbitę okoloziemską ma zo­ stać wyniesiony PW-Sat. Satelita jest konstruowany przez studentów, doktorantów i pracowników Politechniki Warszawskiej. Będzie testował urządzenie do szybsze­ go sprowadzania satelitów z orbity z wykorzystaniem rozkładanej powierzchni zwiększającej opór czołowy w szczątkowej atmosferze ziemskiej. Drugim ekspery­ mentem jest zbieranie danych telemetrycznych satelity z wykorzystaniem rozpro­ szonej sieci stacji naziemnych. Przewidywana data startu satelity to druga polowa 2011 roku. Zostanie on wyniesiony na pokładzie europejskiej rakiety nośnej Vega z satelitą LARES, podczas jej dziewiczego lotu, wraz z ośmioma innymi CubeSatami (przyp. Andrzej Kotarski, koordynator ds. wystrzelenia, Projekt PW-Sat). JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ CubeSat Design Specification Revision 12. California Polytechnic State University, 2009. Oficjalna strona internetowa projektu CubeSat: www.cubesat.org

marzec 2011, Świat Nauki 4 3

* * • • • Z? 9

£••/#

j-

9 f

'

* v

I W SKRÓCIE

|

Na całym świecie wzrasta konsum­ pcja mięsa. Jego produkcja wymaga dużych ilości energii i wody, powoduje też uwalnianie szkodliwych substancji. Jednocześnie kurczą się łowiska ryb. Akwakultura mogłaby stać się naj­ bardziej ekologicznym źródłem białka dla ludzi. Hodowlane ryby już teraz stanowią połowę globalnej produkcji „białko­ wego pożywienia z morza". Więk­ szość hodowli jest ulokowana wzdłuż wybrzeży,

co

powoduje

znaczne

zanieczyszczenie wód. Duże, zakotwiczone w dnie morza 7anrnnv rzpstn sa rzystszp.

p mnr

skie farmy, a także inne nowoczesne formy

akwakultury

oraz

metody

oczyszczania przybrzeżnych hodowli, mogą pozwolić znacząco rozwinąć akwakulturę. Pozostaje pytanie, na ile te rozwiąza­ nia okażą się wydajne i ekologiczne.

4 4 Świat Nauki, marzec 2011

*•, *

Ryby hodowane w morskich zagrodach, takie jak te seriole w Kona Blue Water Farms nieopodal Hawajów, mogą stać się bardziej ekologicznym źródłem białka dla ludzi niż ryby łowione tradycyjnie lub wołowina.

ZRÓWNOWAŻONY ROZWÓJ

Błękitna rewolucja Nowe rybne farmy na pełnym morzu to sposób na zapewnienie światu tak potrzebnego białka Sarah Simpson

Sarah Simpson jest niezależnym dziennikarzem i redaktorem Scientific American. Mieszka w Riverside w stanie Kalifornia.

N

EIL SIMS DBA o swój nieposłuszny inwentarz jak każdy oddany pracy farmer. Ale zamiast siodłać konia niczym australijscy pasterze owiec, wśród których dorastał, zakłada fajkę do nurkowania i maskę, schodzi pod wodę i tam zajmuje się swoim „stadem'': 480 tys. srebrzystych ryb uwięzionych w zagrodzie niecały kilometr od wybrzeża Kona hawajskiej Big Island. Farma Simsa, ukryta pod falami, jest jednym z 20 podobnych przedsięwzięć na całym świecie, w których próbuje się wykorzy­ stać na potrzeby rolnictwa ostatni wielki niezagospodarowany obszar na ziemi: otwarty ocean. Lokalizacja takich projektów w morzu daje im wyraźną przewagę nad tysiącami konwencjo­ nalnych farm rybnych - flotyllą zagród wzdłuż linii brzegowych. Z reguły farmy starego typu, umieszczone przy samym brzegu, szpecące i zanieczyszczające wodę, uwalniają rybie ekskremen­ ty i resztki pożywienia w ilościach wystarczających do zmącenia spokojnych, płytkich wód, wywołania szkodliwych zakwitów glonów czy zniszczenia życia morskiego pod zagrodami. „W miej­ scach oddalonych od brzegu, takich jak farmy Kona Blue Water, zanieczyszczenia nie są problemem" - wyjaśnia Sims. Siedem zanurzonych boksów, każdy wielkości hali sportowej, jest zako­ twiczonych w obrębie prądów morskich, które wypłukują od­ pady, ulegające następnie szybkiemu rozcieńczeniu do poziomu nieszkodliwego dla otwartego morza. Zamiast wierzyć słowom Simsa, zakładam płetwy na nogi, mocuję fajkę przy szyi, wdrapuję się na burtę jego malej lodzi i nurkuję. Pod wodą klatka w kształcie ośmiościanu jarzy się jak ogromny, chiński lampion - lśni od słonecznego światła i roz­ błyskuje śmigającymi rybami. Materia, rozciągnięta na ramie klatki, przypomina bardziej siatkę ogrodzeniową niż sieć. Moc­ na i kewlaropodobna osłona skutecznie ochroni przed atakiem głodnych rekinów ogromną liczbę ryb Seriola rivołiana - lokal­ nego gatunku serioli, który w Kona Blue udomowiono, by zastą­ pić poławianego tuńczyka. Dlaczego seriola? Otóż wiele łowisk dzikiego tuńczyka zanika, a sushi z serioli osiąga wysokie ceny. Sims i jego współpracownik, biolog morski Dale Sarver, założyli w 2001 roku Kona Blue, aby hodować, zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju, ryby cieszące się dużym powodzeniem u konsumentów. Jednak meto­ dy stosowane przez firmę równie dobrze się sprawdzą w hodowli ryb bardziej pospolitych, a tych również możemy potrzebować. CZYSTSZE ZNACZY LEPSZE POPULACJA LUDZI wzrośnie zgodnie z prognozami z 6,9 mld obecnie do około 9,3 mld w 2050 roku, ponadto wraz z podnie­ sieniem się standardu życia zwiększy się spożycie mięsa i owoców morza. Ale w ostatnim dziesięcioleciu w globalnych połowach nastąpił zastój, a nawet odnotowuje się spadki. Z kolei hodowla krów, świń, kur i innych zwierząt wymaga ogromnych terenów, mnóstwa wody, paliw kopalnych zanieczyszczających powietrze oraz nawozów, które spływają z pól i zatruwają rzeki i morza. Skąd zdobyć białko potrzebne ludziom? Rozwiązaniem mo­ gą być zarówno nowe farmy morskie, jeżeli będą wydajne, jak i przybrzeżne - jeśli nie będą brudzić. Według niektórych naukowców wyżywienie świata wymaga przeniesienia produkcji białka zwierzęcego do mórz. Jeśli jed­ nak ta „podmorska" rewolucja ma sprostać naszym wysokim

4 6 Świat Nauki, marzec 2011

wymaganiom, musi być przyjazna dla środowiska, a korzyści z niej wypływające powinni poznać zarówno zwykli obywatele, jaki decydenci, od których zależy jej powodzenie. W przeszłości ostro krytykowano farmy rybne. Ale kie­ dy około 30 lat temu nowe, nadbrzeżne ośrodki rozpoczynały działalność, właściwie nikt nie prowadził ich tak, by nie wpły­ wały destrukcyjnie na środowisko, albo żeby dawały szansę długoterminowego ekorozwoju. Ścieki rybne były tylko jednym z problemów. Hodowcy krewetek w południowo-wschodniej Azji i Meksyku wycięli pod stawy hodowlane przybrzeżne lasy namorzynowe. W farmach łososi w Europie i obu Amerykach ryby były tak stłoczone, że łatwo rozprzestrzeniały się tam cho­ roby, w tym pasożytnicze. Ryby, które uciekły z hodowli, zara­ żały zdrowe, wolno żyjące. Sytuację pogarszał dodatkowo fakt, że akwakultura powodowała (i nadal tak się dzieje) spadek łącznej masy ryb. Małe, tanie gatunki („ryby-pasza") - które nie smakują ludziom, ale za to są pożywieniem większych ryb żyją-

li! iii

WYŻYWIENIE ŚWIATA

Źródło białka: ląd czy morze? Świat potrzebuje więcej białka LICZBA LUDNOŚCI

z 6,9 mld do 9,3 mld w 2050 roku.

tl ttt ttłt tttt tttt 2010

2050

ABY ZASPOKOIĆ zapotrzebowanie na żywność w 2050 roku, powierzchnia pól uprawnych i pastwisk musiałaby się zwiększyć o 50-70%.

2010

Kto tego dokona? W produkcji ryb i skorupiaków w akwakulturze przodują kraje azjatyckie.

*

Afryka (1.8%) Oceania (0,3%)

AKWAKULTURA produkuje 47% wszystkich ryb i owoców morza spożywanych przez człowieka. Jeśli będzie się rozwijać w obecnym tempie 7,4% rocznie, a rolnictwo nadal w tempie 2,0%, w 2050 roku będzie dostarczać światu 62% białka.

Grafika Jen Christiansen

we śruby napędowe, okazała się zaskakująco zwrotna - twierdzi Goudey, były dyrektor MIT Sea Grant's Offshore Aąuaculture Engineering Center. Wyobraża on sobie uruchomienie kilku­ dziesięciu mobilnych hodowli, systematycznie posuwających się do przodu w stabilnym prądzie morskim, który przecina Morze Karaibskie co dziewięć miesięcy.

cych na wolności - wyłapuje się w ogromnych ilościach i wyko­ rzystuje do karmienia smaczniejszych i droższych ryb hodowla­ nych o większych rozmiarach. Oczywiście tego rodzaju kłopoty nie sprzyjały biznesowi, obmyślono zatem nowe rozwiązania. Strategia Kona Blue lo­ kalizowania farm w miejscach silnych, przybrzeżnych prądów morskich jest tego przykładem. Inni producenci, aby pozbyć się zanieczyszczeń, zaczęli w pobliżu zagród z rybami uprawiać wodorosty i hodować organizmy filtrujące wodę, takie jak mię­ czaki. W całej branży akwakultury, w tym w zbiornikach słodko­ wodnych, dzięki doskonaleniu zarówno metod hodowli, jak i preparatów paszowych, zmniejsza się zapadalność na choroby, a także wspomaga szybszy wzrost ryb, jednocześnie redukując udział w ich diecie ryb paszowych. Może jednak upłynąć sporo czasu, zanim grupy ekologów usuną ryby hodowlane z list „tego nie kupować".

W POGONI ZA POŻYWIENIEM NAJTRUDNIEJSZYM DO ROZWIĄZANIA problemem morskiej akwa­ kultury jest konieczność wykorzystania małych, wolno żyjących ryb jako pokarmu dla dużych, hodowlanych gatunków. Wchodzę wraz z Simsem na pokład starego statku transportowego mary­ narki USA, sprytnie przerobionego w barkę do karmienia. Fale morskie rzucają mną na boki. Biorę garść tłustego, brunatnego pokarmu z ważącego prawie tonę otwartego wora na pokładzie. Granulki wyglądają jak karma dla teriera, ale cuchną niczym puszka po anchois. Zapach nie dziwi, bo 30% paszy stosowa­ nej w Kona Blue stanowią peruwiańskie sardele. „Seriole mogą przeżyć na diecie wegetariańskiej, ale wtedy nie są tak smaczne i zdrowe - tłumaczy mi Sims. - Często stawia się nas pod prę­ gierzem, bo zabijamy ryby, aby hodować ryby". Podobne zarzu­ ty wysuwa się pod adresem hodowców łososia w nadbrzeżnych farmach.

Niektórzy eksperymentują jeszcze śmielej. Wody terytorialne państw rozciągają się 370 km od ich wybrzeży - to ogromny, nie­ wykorzystywany obszar do produkcji żywności. Jego powierzch­ nia wokół Stanów Zjednoczonych wynosi 11,7 min kilometrów kwadratowych. Podwodne zagrody z rybami, napędzane wielki­ mi śrubami napędowymi, mogłyby wędrować wraz ze stabilny­ mi prądami oceanicznymi, wracając miesiące później do miejsc, skąd wyruszyły, lub jakichś innych odległych stref, dostarczając tam świeże ryby. Pod koniec 2008 roku inżynier oceanograf Clifford Goudey testował u wybrzeży Puerto Rico pierwszą na świecie, podwodną zagrodę dla ryb mającą własny napęd. Klatka w kształcie kopu­ ły geodezyjnej o średnicy 19 m, wyposażona w dwie 2,5-metro-

Krytyków martwi, że coraz większe potrzeby farm rybnych spowodują wyginięcie dziko żyjących sardeli, sardynek i innych ryb nadających się na paszę. Zanim rozpoczęto nowoczesną ho­ dowlę, większość mączki rybnej była wykorzystywana do kar­ mienia świń i kurczaków. Obecnie w akwakulturach zużywa się 68% wyprodukowanej mączki. Zapotrzebowanie na nią jednak

OfiToinny potencjał Stanów Zjednoczonych Zwierzęta

Na obszarze wód federalnych mogłyby licznie powstawać zarówno rybne farmy przybrzeżne, jak i te bardziej odlegle. OCEAN ARKTYCZNY

Rośliny RYBY dostarczają tylko 7% światowego białka.

2050

Spożycie ryb na świecie (kg na osobę)

Przewidywany roczny wzrost: 7,4%

OCEAN 'ATLANTYCKI Portoryko, Wyspy Dziewicze

Mariany Wyspa Północne Wake

Navaśsa

Johnston Guam

Howland, Bakeri

^^Kingman, ^ T Palmyra

^

Równik

»Jarvis Samoa Amerykańskie

1970

1980

1990

2000

Mapa wgXNR Productions

Tzw. wyłączna strefa ekonomiczna kraju rozciąga s/ę do 370 km od wybrzeża. Strefa należąca do USA (niebieski) jest największa na świecie i obejmuje ponad 11,6 min kilometrów kwadratowych - więcej, niż wynosi powierzchnia tego kraju.

marzec 2011, Świat Nauki 47

maleje wraz z wprowadzaniem nowych receptur paszowych. Gdy Kona Blue startowała z hodowlą serioli w 2005 roku, granulaty paszowe zawierały 80% sardeli. „Do początków 2008 roku firma zredukowała ich udział do 30%, co nie wpłynęło ani na smak karmionych ryb, ani na ich walory zdrowotne" - wyjaśnia Sims. Stosowanie złożonych granulatów paszowych jest dużym postę­ pem, gdy porównać je z wrzucaniem całych sardynek do klatek z rybami. A, niestety, takie marnotrawstwo jest nagminne wśród mniej odpowiedzialnych hodowców. Celem bardziej świadomych właścicieli jest, by masa ryb w pa­ szy była równa masie ryb dostarczonych na rynek. Hodowcom słodkowodnej tilapii i suma udało się uzyskać ten magiczny wynik, ale morskim farmerom jeszcze nie. Ponieważ 70% paszy w Kona Blue stanowi białko roślinne i olej, do wyprodukowania 1 kg serioli potrzeba zaledwie od 1,6 do 2 kg sardeli, a w przypad­ ku łososia hodowanego przemysłowo jest to średnio około 3 kg. Aby nie tracić „morskich" białek, przemysł musiałby obniżyć ten wskaźnik. I tak jednak ryby z hodowli wymagają dużo mniej po­ żywienia niż ich wolno żyjące odpowiedniki: tuńczyk przez cale swoje życie zjada nawet 100 kg ryb na każdy kilogram masy swo­ jego ciała. Im więcej będzie powstawać farm rybnych, tym presja, żeby zmniejszyć polowy sardynek i sardeli, będzie silniejsza. Akwakultura jest najszybciej rozwijającym się sektorem spośród wszystkich wytwarzających żywność na świecie - od 1994 ro­ ku rocznie zwiększa produkcję o 7,5%. Przy tym tempie zaso­ by mączki rybnej i oleju rybnego wyczerpią się do 2040 roku. „Głównym celem na najbliższe mniej więcej 10 lat jest zatem całkowite wyeliminowanie z paszy produktów pochodzących z dziko żyjących ryb" - twierdzi ekolog morski Carlos M. Duarte, który kieruje International Laboratory for Global Change w Spanish Council for Scientific Research na Majorce. Przełomowym rozwiązaniem mogłoby się okazać pozyski­ wanie niezbędnych kwasów tłuszczowych DHA (należących do omega-3) z mikroskopijnych glonów, które zastąpiłyby ma­ łe ryby w produkcji paszy. Korporacja Advanced BioNutrition w Kolumbii w stanie Maryland testuje pokarm zawierający te same otrzymane z glonów DHA, które wzbogacają odżywki dla niemowląt oraz mleko i soki. Z kolei naukowcy z australijskiego Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization w ubiegłym roku otrzymali po raz pierwszy DHA z roślin lądowych. Według Duarte zaciekłe współzawodnictwo o ziemię uprawną i słodką wodę sprawi, że hodowcy ryb w końcu wy­ eliminują soję, tłuszcz drobiowy i inne produkty pochodzenia lądowego, zastępując je zooplanktonem i wodorostami, które są łatwe w hodowli. (Wodorosty już w tej chwili stanowią pra­ wie jedną czwartą wartości całej akwakultury.) POKONAĆ WOŁOWINĘ POMIMO UDOSKONALEŃ morskich hodowli ryb wielu wybitnych ekologów i naukowców nadal jest sceptycznych. Ekolog morski Jeremy Jackson ze Scripps Institution of Oceanography mówi, że „jest zdecydowanie przeciwny" akwakulturze ryb drapież­ nych i krewetek - generalnie wszystkich ryb, które ludzie lubią jeść na surowo. Nazywa tę praktykę katastrofalną dla środowi­ ska ze względu na wpływ, jaki wywiera ona na zasoby ryb wolno żyjących, i uważa, że należy jej prawnie zabronić. Jackson argumentuje - co powtarzają także inni krytycy że ryzyko upadku rybołówstwa ukierunkowanego na produkcję paszy jest za duże, aby dało się usprawiedliwić produkcję luksu-

4 8 Świat Nauki, marzec 2011

JAK TO DZIAŁA

Pięć sposobów na morską hodowlę Większość ryb morskich hoduje się w zbiornikach na lądzie lub w przybrzeżnych zagrodach, ale coraz częściej klatki są zakotwiczane dalej w morzu. Przy­ najmniej jeden mobilny prototyp klatki, zanurzony i sterowany śrubami napędowymi, byt

testowany

na otwartym oceanie. Przedsiębiorcy hodują również wodorosty i omutki na linach ulokowanych nieopodal nadbrzeżnych zagród. Mogą t o też robić wokół usy­ tuowanych na morzu turbin wiatrowych.

Powierzchniowa boja

Lina mocująca

Napęd

Klatki na otwartym oceanie W przyszłości grupy mobilnych, zanurzonych zagród, każda sterowana śrubami napędowymi lub pędnikiem sterującym, będą mogły poruszać się w stabilnych prądach morskich, docierając do odległych miejsc przeznaczenia miesiące później, gdy ryby dorosną. Pasza zgromadzona w centralnie zainstalowanym maszcie byłaby podawana automatycznie.

Klatki w m o r z u Młode ryby są umieszczane w klatkach wielkości hali sportowej. Zalanie centralnego masztu powoduje zanurzenie zagrody, utrzymujące się do momentu dorośnięcia ryb. Pasza dociera rurami ze statku lub barki, a naturalne prądy morskie wypłukują ekskrementy. Zagroda jest podnoszona do czyszczenia i na czas odłowu.

Pierścienie turbiny

Zbiorniki lądowe

Małże i wodorosty łatwo przylegają do syntetycznych lin i rosną na nich bez przeszkód. Liny mogą być rozciągane wokół turbin (lub pomiędzy nimi) morskich farm wiatrowych, żeby zwiększyć rentowność przedsięwzięcia i lepiej zagospodarować cenną przestrzeń.

Wszystkie morskie ryby wylęgają się w cysternach na lądzie. Większość z nich po osiągnięciu odpowiedniego wieku zostaje przeniesiona do zagród na morzu (młode łososie), chociaż niektórzy hodują ryby na lądzie aż do odłowu, aby móc usuwać zanieczyszczenia, zapobiegać chorobom i uniemożliwić rybom ucieczkę.

Przybrzeżne zagrody Ciężkie siatki zagród są stosunkowo łatwe do zakotwiczenia i konserwacji. Automatyczne dozowniki paszy mogą zminimalizować ilość odpadów, wyłączając się, gdy czujniki podczerwieni na dnie morza wykryją opadające granulki. Wodorosty i hodowane w pobliżu omutki, które żywią się resztkami po rybach, mogą zmniejszyć zanieczyszczenie i poprawić rentowność przedsięwzięcia. Pod zagrodami można dodatkowo umieścić palety z organizmami pochłaniającymi odpady, takimi jak jeżowce z gatunku Strongybcentrotus franciscanus.

Maszt (wypełniony powietrzem lub wodą w celu uzyskania pływalności)

Ilustracja Don Foley

marzec 2011, Świat Nauki 4 9

SwiJc•

'••

,

.•

^¾Mp

..''•'••

;

^6^¾

• •

^¾¾ /""-'fy

/

•

- - . . *

^r '

-

Hodowlane seriole rosną szybciej niż dziko żyjące ryby, ponieważ nie tracą energii na polowanie i ucieczkę przed drapieżnikami. sowej żywności, której większość ludności świata nigdy nawet nie skosztuje. Znacznie lepiej byłoby żywić się roślinożernymi sardynkami i sardelami niż hodowlanymi drapieżnikami z koń­ ca łańcucha pokarmowego. Sims zgadza się, że powinniśmy ograniczyć karmienie ryb innymi rybami, ale niekoniecznie zaraz zmieniać swoje upodo­ bania żywieniowe. „Jeśli można dostać kilogram hodowanego sushi za każdy kilogram sardeli, to dlaczego nie dać ludziom te­ go, co lubią?". Niektórzy w ogóle odmawiają jedzenia ryb - nieważne, czy odławianych, czy hodowlanych - uważając, że lepiej byłoby dla naszej planety, i korzystniej dla zdrowia, gdybyśmy jedli więcej roślin. Jednak ludziom nie spieszy się do przejścia na wegetaria­ nizm. Przeciwnie - spożycie mięsa rośnie, zwłaszcza w krajach rozwijających się, w miarę jak ich obywatele się bogacą, przeno­ szą do miast i naśladują zachodnie wzorce. Światowa Organiza­ cja Zdrowia (WHO) przewiduje 25% wzrost konsumpcji mięsa na jednego mieszkańca globu do 2050 roku. A gdyby nawet po­ została ona na dotychczasowym poziomie, to i tak powierzchnie pól uprawnych i pastwisk musiałyby się zwiększyć o 50-70% (przy zachowaniu wydajności), aby dało się wyprodukować żyw­ ność potrzebną w 2050 roku. I tu aż się prosi o rzadko przywoływane porównanie hodowli ryb z uprawami lądowymi. Rolnictwo lądowe już zmieniło 40% powierzchni Ziemi. I mimo 10 tys. lat ulepszeń jego podstawo­ we problemy nie zniknęły. Bydło pochłania ogromne ilości silnie nawożonych roślin, a fermy świń i drobiu nadal zanieczyszczają środowisko. Martwe strefy pod przybrzeżnymi farmami rybnymi są niczym w porównaniu z ogromnymi, martwymi obszarami, które powstały na skutek działania nawozów spływających do Zatoki Meksykańskiej, Morza Czarnego i innych akwenów, lub w zestawieniu ze szkodliwymi zakwitami glonówwZatoce Chesapeake spowodowanymi przez ścieki pochodzące z hodowli świń.

5 0 Świat Nauki, marzec 2011

Coraz więcej naukowców zaczyna porównywać, jak różne metody produkcji białka wpływają na środowisko. Kenneth M. Brooks, niezależny konsultant do spraw środowiska morskiego w Port Townsend w stanie Waszyngton, szacuje, że powierzchnia wysokiej jakości pastwisk potrzebnych do produkcji wołowiny z bydła rasy Aberdeen Angus jest 4400 razy większa niż całko­ wity obszar dna morskiego niezbędny do uzyskania identycz­ nej masy filetów atlantyckiego łososia. Co więcej, po hodowli łososia ekosystem może się odbudować w ciągu dziesięciolecia, a do odrodzenia lasu na byłych pastwiskach potrzeba setek lat, Jeszcze poważniejszym powodem „hodowania" białka w mo­ rzu może być niedobór słodkiej wody. Jak dowodzi Duarte, ar­ tykuły mięsne stanowią zaledwie 3,5% produkowanej żywności, ale do ich wytwarzania zużywa się 45% wody wykorzystywanej w rolnictwie. Po przesunięciu większości produkcji białek do oceanów rolnictwo lądowe mogłoby znacznie się rozwinąć, nie zużywając więcej wody niż obecnie. Oczywiście produkcja i transport śruty sojowej oraz tłusz­ czu drobiowego i karmienie nimi ryb także pochłaniają ener­ gię i powodują emisję zanieczyszczeń. Zużycie paliwa i emisje są większe w przypadku farm położonych z dala od wybrzeża, ale oba typy hodowli i tak wypadają lepiej w zestawieniu niż większość flot rybackich. Na razie jedynym sposobem, aby „morska" hodowla była dochodowa, jest produkcja drogich ryb, ale koszty mogą zmaleć: kilka eksperymentalnych farm hoduje już na otwartym oceanie konkurencyjne cenowo małże. DANE ŚRODOWISKOWE JEŻELI DOSTARCZENIE KONSUMENTOM większej ilości ryb jest sposobem na zaspokojenie światowego popytu na białka, czemu po prostu nie łowi się ich więcej z bezpośrednim przeznacze­ niem do konsumpcji? Wiele łowisk osiągnęło już maksymalną wydajność, a ludzi szybko przybywa i gwałtownie zwiększa się

też średnia konsumpcja ryb. Przykładowo, mieszkańcy Amery­ ki Północnej coraz częściej słuchają porad dietetyków i lekarzy i jedzą więcej owoców morza. Ponadto statki rybackie zużywają duże ilości paliwa i emitują mnóstwo gazów cieplarnianych oraz zanieczyszczeń. Powszech­ nie stosowane metody masowego połowu ryb, za pomocą trału czy połowy denne, są przyczyną niepotrzebnej śmierci milionów zwierząt. Badania wskazują, że co najmniej połowę złowionych w ten sposób morskich stworzeń odrzuca się, bo są zbyt małe, nie należą do pożądanych gatunków lub z powodu przekrocze­ nia limitów połowowych. Bardzo często giną, zanim zostaną wy­ rzucone za burtę. Akwakultura pozwala całkowicie wyelimino­ wać to marnotrawstwo. Goudey wskazuje też inny, często przeoczany fakt: ryby hodow­ lane rosną szybciej niż żyjące na wolności, ponieważ nie marnują mnóstwa energii na polowanie, ucieczkę przed drapieżnikami, poszukiwanie partnera czy reprodukcję. Większość spożywanego przez nie pokarmu przekłada się więc na przyrost masy. Seriole z Kona Blue i większość hodowlanych łososi odławia się pomię­ dzy pierwszym a trzecim rokiem życia, czyli w trzykrotnie młod­ szym wieku niż duże, dzikie tuńczyki przeznaczane na sushi. Oznacza to, że w ich organizmach zdąży się zgromadzić mniej rtęci i innych szkodliwych substancji. Hodowlane ryby stanowią obecnie 47% morskich zwierząt spożywanych przez ludzi na całym świecie. W 1980 roku było to zaledwie 9%. Eksperci przewidują, że ich udział w całkowitej podaży białka może wzrosnąć w ciągu 40 lat do 62%. „Owszem, akwakultura jest duża i teraz można to powstrzymać. Ludzie, którzy są jej przeciwni, tak naprawdę nie wiedzą, o co w niej chodzi" - uważa Jose Villalon, dyrektor ds. akwakultury World Wildlife Fund. Zauważanie jedynie jej wad prowadzi do błęd­ nych wniosków. Trzeba je porównać z mankamentami innych metod produkcji żywności. Akwakultura oddziałuje na środowi­ sko i żadne ulepszenia nie wyeliminują wszystkich problemów. Ale też żaden sposób wytwarzania żywności nie będzie dla niego obojętny - a do szczególnie inwazyjnych należą tradycyjne rybo­ łówstwo, produkcja wołowiny, wieprzowiny i drobiu. Aby zachęcić do stosowania właściwych praktyk i ułatwić identyfikację „czystych" farm rybnych, World Wildlife Fund po­ wołał do życia Aąuaculture Stewardship Council, radę mającą ustalić światowe standardy postępowania i szkolić niezależnych audytorów wydających chętnym farmom certyfikaty. Pierw­ szy spis norm powstanie na początku tego roku. Rada uważa, że największą korzyścią z certyfikatów będzie fakt, że zachęcą one 100-200 największych odbiorców detalicznych do zakupów ryb bezpośrednio u posiadaczy tych zaświadczeń, co będzie sku­ teczniejsze niż próby karania tysięcy drobnych producentów. George Leonard, dyrektor ds. akwakultury w Ocean Conservancy, zgadza się, że certyfikaty zmotywują hodowców ryb do bardziej ekologicznych działań. „Chociaż - jak twierdzi - za­ wsze znajdą się tani, pozbawieni skrupułów dostawcy. Wprowa­ dzenie regulacji skłoniłoby amerykańskich hodowców do bar­ dziej odpowiedzialnych działań, ale nie pozbawiłoby możliwości konkurencji". A teraz kluczowa kwestia. Zaledwie pięć z 20 morskich insta­ lacji na świecie znajduje się na wodach amerykańskich. Goudey uważa, że w USA więcej przedsiębiorców zajęłoby się akwakul­ tura, gdyby stworzono system licencji dla wód rozciągających się pomiędzy 5,5 a 370 km od linii brzegowej (granica wyłącznej strefy ekonomicznej). „Żaden inwestor nie podejmie działalno­

ści w kraju, w którym nie zagwarantuje mu się prawa do dzier­ żawy terenu". Wszystkie farmy funkcjonujące w USA znajdują się w przybrzeżnym pasie wód (do 5,5 km) kontrolowanym przez poszczególne stany, jednak zaledwie kilka z nich, na przy­ kład Hawaje, wydaje zezwolenia. Nie robi tego jeszcze choćby Kalifornia mimo rządowych szacunków, że działające zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju morskie hodowle ryb, zaj­ mując niespełna 1% powierzchni wód stanu, mogłyby przynosić do miliarda dolarów dochodu rocznie. BIAŁKOWA POLITYKA ABY ROZWIJAĆ SIĘ, i to ekologicznie, sektor hodowli ryb będzie potrzebował odpowiedniego programu i sprawiedliwszych reguł gry. Obecnie floty rybackie stosujące trały i prowadzące polowy denne prosperują dzięki wysokim rządowym dotacjom do paliw, chociaż powszechnie wiadomo, jak bardzo rybacy ci niszczą dno morskie i jak wiele morskich organizmów niepotrzebnie w wyni­ ku takich połowów ginie. Również dzięki dotacjom jest opłacalna produkcja wołowiny, wieprzowiny i drobiu. Silne lobby rolnicze nadal blokuje próby ograniczenia ilości nawozów azotowych spływających do Missisipi. „Niemal żaden z producentów żyw­ ności stosujący tradycyjne metody nie byl tak kontrolowany, jak przedsiębiorcy zajmujący się akwakultura" - mówi Brooks. Spo­ łeczeństwo zaakceptowało „udomowienie" lądu, ale ocean uważa za dziki obszar, który lepiej zostawić w spokoju, mimo że zacho­ wanie tej nierównowagi jest niekoniecznie najbardziej zgodnym z zasadami ekologii pomysłem na wykarmienie świata. Zmiana polityki na szczeblu państwowym i regionalnym może wkrótce doprowadzić do otwarcia wód wyłącznej strefy ekono­ micznej. W styczniu 2009 roku rada Gulf of Mexico Fishery Mana­ gement Council opowiedziała się za bezprecedensowym planem zezwalającym na przybrzeżną akwakulturę na wodach będących w jej jurysdykcji. Projekt ten czeka na zatwierdzenie na wyższym szczeblu - tj. przez National Oceanie and Atmospheric Administration (NOAA), która podejmie decyzję dopiero po zakończeniu prac nad nowymi zasadami krajowej polityki w zakresie akwa­ kultury. „Nie chcemy, żeby błękitna rewolucja powtórzyła błędy zielonej" - mówi dyrektor Jane Lubchenco z NOAA. Popyt na białko nieustannie rośnie, społeczeństwo musi więc podjąć trudną decyzję w kwestii miejsca jego produkcji. Lubchenco przyznaje: „Jednym z moich celów jest, aby ludzie, mówiąc o bezpieczeństwie żywnościowym, nie mieli na myśli jedynie zbóż i zwierząt, ale także rybołówstwo i akwakulturę". Duarte sugeruje, by nieco odciążyć ziemię i przenieść się do mo­ rza; jeśli tego teraz nie zrobimy, za 40 lat będziemy żałować. Jeśli chodzi o udział Neila Simsa w błękitnej rewolucji, to namawia on firmy do opracowywania niezbędnych do roz­ woju akwakultury nowoczesnych narzędzi. Roboty do czyszcze­ nia sieci, zautomatyzowane podajniki paszy czy kontrolowane drogą satelitarną kamery wideo do sprawdzania stanu zdrowia ryb i uszkodzeń klatki pomogłyby załodze Kona Blue zdalnie za­ rządzać farmami. „Nie tylko produkowalibyśmy więcej - mówi Sims - lecz także lepiej". • JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Sustainability and Global Seafood. Martin D. Smith i in.; Science, tom 327,s.784-786; 12 II2010. Will the Oceans Help Feed Humanity? Carlos M. Duarte i in.; BioScience, tom 59, nr 11, s. 967-976; XII/2009. The State of World Fisheries and Aquaculture 2008. FAO, 2009. Will Farmed Fish Feed the World? Analiza z Worldwatch Institute. Dostępna na stronie: www. worldwatch.org/node/5883

marzec 2011, Świat Nauki 51

Lera Boroditsky jest pracownikiem naukowym Katedry Psychologii Poznawczej w Stanford University oraz redaktorem naczelnym Frontiers in (Mura/ Psychologa. Wraz ze współpracownikami prowadzi badania na całym świecie, skupiając się na reprezentacjach mentalnych i wpływie języka na procesy poznawcze.

PSYCHOLOGIA

POZNAWCZA

Jak język kształtuje myś Języki, którymi mówimy, wpływają na nasze postrzeganie świata Lera Boroditsky

S

TOJĘ OBOK PIĘCIOLETNIEJ DZIEWCZYNKI W P o r m -

puraaw, niewielkiej społeczności Aborygenów w zachodniej części półwyspu Jork w północnej Australii. Kiedy proszę ją o wskazanie północy, robi to precyzyjnie i bez wahania, a mój kompas potwierdza, że dobrze. Tę samą prośbę powtarzam podczas wykładu w Stanford University, którego słuchaczami są wybitni naukowcy, zdobywcy prestiżowych na­ gród i wyróżnień. Niektórzy z nich przychodzą do tej właśnie sali regularnie od ponad 40 lat. Gdy mają zamknąć oczy (żeby nie podglądać innych) i wskazać, gdzie jest północ, wielu odma­ wia - nie znają odpowiedzi. Pozostali chwilę się zastanawiają, a potem wyciągają ręce we wszystkich możliwych kierunkach. Powtarzam to ćwiczenie na Harwardzie i w Princeton, w Mo­ skwie, Londynie i Pekinie; zawsze z tym samym skutkiem.

Jak to się dzieje, że pięciolatka z jednego kręgu kulturowe­ go potrafi zrobić bez trudu coś, z czym nie radzą sobie wybitni naukowcy z innego? To ogromna różnica umiejętności poznaw­ czych! Czym jest spowodowana? Może się to wydać zaskakujące, ale wszystko wskazuje na to, że w dużym stopniu językiem. Pogląd, że każdy język w określony sposób ukierunkowuje umiejętności poznawcze władającego nim człowieka, pojawił się wiele wieków temu. Od lat trzydziestych zagadnienie to jest ko­ jarzone z amerykańskimi językoznawcami Edwardem Sapirem

i Benjaminem Lee Wliorfem, którzy badali różnice między języ­ kami i sugerowali, że są one powiązane z odmiennościami w spo­ sobie myślenia. Hipotezę tę przyjęto entuzjastycznie, byl jednak pewien szkopuł: praktycznie całkowity brak dowodów na jej po­ parcie. Rozczarowanie zaczęło narastać i w latach siedemdziesią­ tych wielu badaczy prawie całkowicie porzuciło już idee Sapira i Whorfa na rzecz teorii podkreślających podobieństwa między ję­ zykami oraz uniwersalność procesów myślowych. Jednak ostatnio pojawiły się poważne empiryczne dowody wskazujące, jak język kształtuje myślenie. Podważają one akceptowane przez dziesię­ ciolecia dogmaty o uniwersalności i dają fascynujący wgląd w po­ chodzenie wiedzy i sposób postrzegania rzeczywistości. Wnioski te mają ważne implikacje dla prawa, polityki czy edukacji. NA POCZĄTKU BYŁO SŁOWO

MIESZKAŃCY ZIEMI porozumiewają się za pomocą około 7 tys. języków. Każdy z nich stawia inne wyzwania przed jego użyt­ kownikiem. Przykładowo, chcę powiedzieć, że widziałam Wujaszka Wanię na 42. Ulicy. W języku mian, którym mówią mieszkańcy Papui-Nowej Gwinei, czasownik wskazałby, czy wy­ darzenie miało miejsce przed chwilą, wczoraj, czy też w odle­ głej przeszłości, podczas gdy w mowie mieszkańców Indonezji nie wynikałoby z niego nawet, czy czynność już wykonano, czy też jej wykonanie dopiero nastąpi. W języku rosyjskim ujawnił­

by SKROf 113 Naukowcy zastanawiają się od dawna,

W

czy posługiwanie się różnymi językami

wykazano, że język ojczysty kształtuje spo­

język jest

znacznie pod względem przekazywanych

wiąże się z odmiennymi umiejętnościami

sób postrzegania różnych aspektów świata

znacznie liczniejszych aspektów procesu

informacji.

poznawczymi.

zewnętrznego, w tym czasu i przestrzeni.

myślenia, niż się naukowcom wydawało.

Ilustracja Tom Wlialen

ostatnich

latach

doświadczalnie

.

Ludzie porozumiewają się za pomocą ogromnej liczby języków, które różnią się

Z najnowszych badań wynika też, że nieodłącznym

składnikiem

marzec 2011, Świat Nauki 53

Mówiący by z miejsca moją płeć. W chińskim musiałabym ników doświadczenia, w którą stronę świa­ różnymi językami sprecyzować, czy tytułowy wujek jest ze strony oj­ ta są zwróceni; posługujący się językiem z niejednakową ca, czy matki, i czy jest spokrewniony, czy też skokuuk thaayorre wiedzieli to od razu i spon­ ligacony przez małżeństwo, ponieważ w tym języ­ tanicznie wykorzystywali kierunki geogra­ dokładnością ku są osobne słowa na określenie wszystkich tych ficzne do przedstawiania mijającego czasu. zapamiętują, relacji (faktycznie jest on bratem matki, co jasno Na świecie obserwuje się jeszcze wie­ kto co zrobił. wynika z chińskiego przekładu). Natomiast w języ­ le innych różnic w ujmowaniu czasu. Po­ ku piraha z Amazonii nie mogłabym powiedzieć 42, sługujący się językiem angielskim traktują ponieważ nie ma w nim liczebników a jedynie słowa przyszłość jako coś „przed", a przeszłość jako coś „za" sobą. Gdy myślą o przyszłości, odrucho­ 'mało' i 'dużo'. wo pochylają się do przodu, a kiedy wspominają Języki różnią się od siebie na bardzo wiele sposobów, jednak przeszłość, odchylają się do tylu, co w 2010 roku od­ to, że ludzie inaczej mówią, nie oznacza jeszcze, że odmiennie kryli Lynden Miles i jego współpracownicy z University of myślą. Jak możemy sprawdzić, czy posługujący się rosyjskim, indonezyjskim, chińskim, mian czy piraha faktycznie inaczej Aberdeen w Szkocji. Ale dla komunikujących się w języku ajpostrzegają świat, pamiętają i wnioskują? Mój zespól oraz wielu mara w Andach przeszłość jest przed, a przyszłość - za, i ich innych badaczy odkrywają, jak język kształtuje nawet najbar­ język ciała jest dopasowany do sposobu mówienia. W 2006 roku dziej fundamentalne aspekty ludzkiego poznania, w tym doty­ Raphael Niińez z University of California w San Diego oraz Eve czące czasu, przestrzeni, związków przyczynowo-skutkowych Sweetser z University of California w Berkeley odkryli, że mó­ wiący w ajmara, kiedy odnoszą się do wydarzeń z przeszłości, i wzajemnych relacji. Żeby przyjrzeć się pojęciu przestrzeni, wróćmy do Pormpu- gestykulując, wskazują przestrzeń z przodu, gdy mają na myśli raaw. W odróżnieniu od angielskiego, w miejscowym języku przyszłość - z tyłu. kuuk thaayorre nie istnieją takie określenia, jak 'lewo' czy 'pra­ wo'. Zamiast nich wskazuje się strony świata (wschód, zachód, północ, południe). Z tych określeń korzystamy oczywiście także w angielskim*, ale wyłącznie w odniesieniu do dużych odległo­ ści. Nie mówimy na przykład: „Co za ignorancja! Położyli widel­ ce do przystawek na południowy wschód od tych do dania głów­ nego". W kuuk thaayorre kierunki geograficzne są natomiast używane w każdej sytuacji. Normą są więc takie zdania, jak: „filiżanka stoi na południowy wschód od talerza" czy „chłopiec na południe od Marysi to mój brat". W Pormpuraaw, aby mówić poprawnie, trzeba być stale zorientowanym w przestrzeni. Co więcej, badania prowadzone w ciągu ostatnich 20 lat przez Stephena C. Levinsona z Max-Planck-Institut fur Psycholinguistik z Nijmegen w Holandii oraz Johna B. Havilanda z University of California w San Diego pokazały, że posługują­ cy się systemami leksykalnymi stale odnoszącymi się do stron świata świetnie zachowują orientację nawet w mało znanym terenie lub budynku. Radzą sobie z tym lepiej, niż osoby niemówiące tego typu językami, w stopniu wręcz przewyższają­ cym przewidywania naukowców na temat ludzkich możliwości w tym zakresie. Wymogi ich ojczystego języka wymuszają dobrą orientację przestrzenną i stale ją doskonalą. Ludzie, którzy inaczej odbierają przestrzeń, zwykle inaczej też uświadamiają sobie czas. Wraz z Alice Gaby z University of California w Berkeley pokazałyśmy osobom posługującym się kuuk thaayorre zestawy obrazków przedstawiających ciągi zda­ rzeń: etapy starzenia się człowieka, dorastania krokodyla oraz jedzenia banana. Potem poprosiłyśmy o ułożenie ich w odpo­ wiednim porządku chronologicznym. Badani przechodzili ten test dwukrotnie, za każdym razem zwróceni w inną stronę świata. Mówiący po angielsku ułożyliby obrazki od lewej do prawej, a używający hebrajskiego - odwrot­ nie. To wskazuje, że kierunek pisania w danym języku wpływa na to, jak ukazujemy czas. Jednak posługujący się kuuk thaayor­ re nie układali obrazków ani od prawej do lewej, ani przeciwnie, tylko ze wschodu na zachód. To znaczy, kiedy siedzieli zwróce­ ni ku południu, szeregowali je od lewej do prawej, kiedy byli zwróceni ku północy - od prawej do lewej, a kiedy na wschód - układali je do siebie itd. Nigdy nie informowałyśmy uczest-

54 Świat Nauki, marzec 2011

KTO TO ZROBIŁ?

LUDZIE MÓWIĄCY RÓŻNYMI JĘZYKAMI odmiennie opisują wy­ darzenia i w rezultacie inaczej zapamiętują działania poszcze­ gólnych osób. Wszystkie sytuacje, nawet te trwające zaledwie chwilę, są skomplikowane i wymagają od nas zrozumienia i in­ terpretacji wydarzeń. Za przykład niech posłuży wypadek byłego wiceprezydenta USA Dicka Cheneya, który niechcący postrzelił Harry'ego Whittingtona w czasie polowania na przepiórki. Moż­ na by powiedzieć, że „Cheney postrzelił Wiittingtona" (wska­ zując Cheneya jako bezpośredniego sprawcę) lub też, że „Whittington został postrzelony przez Cheneya" (dystansując Cheneya od skutku). Można też stwierdzić, że „Wiittington nieźle obe­ rwał" (ani słowem nie wspominając o Cheneyu). Sam sprawca orzekł: „Ostatecznie to ja jestem tym facetem, który pociągnął za spust strzelby, a ta wystrzeliła kulę, która trafiła Harry'ego" i w ten sposób oddzielił siebie od skutku całym łańcuchem zda­ rzeń. Prezydent George Bush opisał to tak: „usłyszał spłoszonego ptaka, odwrócił się, pociągnął za spust i zobaczył, że jego przyja­ ciel jest ranny", w ten mistrzowski sposób jednym zdaniem prze­ mieniając sprawcę w zaledwie świadka wydarzenia. Takie językowe sztuczki rzadko robią wrażenie na Amery­ kanach, ponieważ konstrukcje zdaniowe niewymagające poda­ nia wykonawcy czynności brzmią w angielskim enigmatycznie i są domeną dzieci uchylających się od winy oraz polityków. Mó­ wiący w języku Szekspira preferują raczej zdania typu „Janek zbił wazon", nawet jeśli zdarzyło się to przez przypadek. Hiszpa­ nie i Japończycy przeciwnie - rzadko wymieniają sprawcę przy­ padkowych zdarzeń; i tak po hiszpańsku można powiedzieć „Se rompió el florero", co oznacza, że wazon „stłukł się". Razem z moją studentką Caitlin M. Fausey odkryłyśmy, że ta­ kie różnice językowe wpływają na sposób interpretowania tego, co się wydarzyło, oraz mają konsekwencje dla pamięci epizo­ dycznej. W naszych badaniach opublikowanych w 2010 roku osoby mówiące po angielsku, hiszpańsku i japońsku oglądały filmy przedstawiające dwóch mężczyzn przebijających balony, rozbijających jajka i rozlewających napoje zarówno celowo, jak i przypadkowo. Później przeprowadziłyśmy niezapowiedziany wcześniej test - badani mieli wskazać sprawcę każdego ze zda-

rżeń, jak podczas policyjnej konfrontacji. Inna grupa mówią­ cych tymi językami jedynie opisywała wydarzenia. Kiedy prze­ analizowałyśmy wyniki, zauważyłyśmy, że różnice w pamięci epizodycznej były dokładnym odzwierciedleniem różnic języko­ wych. Czynności wykonane celowo zostały przez wszystkich opi­ sane w sposób uwzględniający sprawcę, na przykład „On prze­ bił balon" - i wszyscy równie dobrze pamiętali, kto co zrobił. Inaczej było ze zdarzeniami przypadkowymi. Badani mówiący po hiszpańsku i japońsku rzadziej niż anglojęzyczni uwzględ­ niali w opisach, kto byl sprawcą. Gorzej też go zapamiętywali. Nie było to jednak skutkiem ogólnie słabszej pamięci - wskazali przecież osoby działające z premedytacją (które są w ich języ­ kach uwzględniane w opisach zdarzeń ) równie trafnie, jak mó­ wiący po angielsku. Język wpływa nie tylko na to, co pamiętamy. Jego konstruk­ cja może nam ułatwić lub utrudnić uczenie się. Na przykład, liczebniki w niektórych systemach leksykalnych odwołują się w bardziej widoczny sposób do systemu dziesiętnego, niż to jest w angielskim (m.in. w chińskim - inaczej niż w angielskim - nie ma kłopotliwych słów na nazwanie 11 lub 12). Dzieci uczące się w tych językach szybciej pojmują naturę dziesiętnego systemu liczenia, a długie, wielosylabowe nazwy liczb utrudniają zapa­ miętanie numeru telefonu lub wykonanie w pamięci działań m atem atyc znych. Język może nawet warunkować szybkość uzyskiwania świa­ domości własnej przynależności płciowej. W 1983 roku Alexander Guiora z University of Michigan w Ann Arbor porównał trzy grupy dzieci: mówiące po hebrajsku, angielsku i fińsku. W hebrajskim częste jest podkreślanie płci (nawet zaimek „ty" ma dwie formy rodzajowe), w angielskim występuje ono rza­ dziej, a w fińskim wcale. Odpowiednio, dzieci mówiące po he­ brajsku zaczynają zdawać sobie sprawę, że są dziewczynką lub chłopcem, mniej więcej rok wcześniej niż ich fińscy rówieśnicy, a posługujące się angielszczyzną plasują się pod tym względem gdzieś pośrodku. CO KSZTAŁTUJE CO?

TO TYLKO NIEKTÓRE Z WIELU fascynujących odkryć dotyczących różnic poznawczych między językami. Ale czy to odmienności mowy wpływają na sposób myślenia, czy odwrotnie? Okazuje się, że jest i tak, i tak. W ostatnim dziesięcioleciu uzyskano wiele zdumiewających dowodów na to, że faktycznie istnieje związek przyczynowy między językiem a kształtowaniem się procesu poznawczego. Wykazano też, że zmiany w sposobie mówienia zmieniają sposób myślenia. Na przykład nauczenie ludzi no­ wych określeń kolorów zmienia ich umiejętność rozróżniania barw. A wpojenie nowego sposobu mówienia o czasie owocuje nowymi sposobami myślenia o nim. Kwestię tę można też badać na ludziach, którzy płynnie po­ sługują się dwoma językami. Wykazano, że osoby dwujęzyczne zmieniają swoją percepcję świata w zależności od języka, w któ­ rym się akurat komunikują. Wnioski z dwóch kolejnych doświad­ czeń opisanych w 2010 roku pokazują, że nawet tak podstawowe odczucia, jak sympatia do kogoś lub jej brak, zależą od języka, w którym pada pytanie. Badania przeprowadzone przez Oludamini Ogunnaike i jego współpracowników z Harvard University, a także te wykonane przez zespól Shai Danzigera z Uniwer­ sytetu Ben Guriona w Izraelu skupiły się na osobach z Maroka mówiących po arabsku i francusku, hiszpańsko-angielskiej spo­ łeczności Stanów Zjednoczonych oraz mieszkańcach Izraela uży­

wających arabskiego i hebrajskiego. Testowano ich ukryte uprze­ dzenia, Mówiących po arabsku i hebrajsku proszono o szybkie naciśnięcie guzika w reakcji na słowa. W jednym z testów mieli dotknąć M na widok żydowskiego imienia, na przykład „Yair" lub pozytywnego określenia, takiego jak „dobry" czy „silny". Je­ śli natomiast zobaczyli arabskie imię, dajmy na to „Ahmed" lub pejoratywne „skąpy" czy „slaby," mieli użyć X. W innym doświad­ czeniu zestawienie odwrócono - tym razem jednej reakcji ocze­ kiwano na imiona żydowskie i określenia pejoratywne, a drugiej na imiona arabskie i cechy pozytywne. Specjaliści mierzyli, jak szybko uczestnicy odpowiadali w każdej z tych sytuacji. Zadania takie są powszechnie stosowane do badań nieuświadomionych lub automatycznych uprzedzeń, czyli tego, jak negatywne cechy w naturalny sposób są w ludzkim umyśle połączone z przynależ­ nością do grupy etnicznej. Ku swemu zdziwieniu badacze odkryli, że u osób dwujęzycz­ nych te automatyczne reakcje bardzo różnią się w zależności od języka, w którym przeprowadzano test. Znający arabski i he­ brajski pozytywniej reagowali na imiona żydowskie, kiedy testo­ wano ich po hebrajsku, niż gdy robiono to po arabsku. Wydaje się też, że język determinuje liczniejsze przejawy na­ szego życia umysłowego, niż naukowcy sądzili. Jak odkryłam wraz z moimi współpracownikami, ludzie polegają na nim nawet w trakcie tak prostych czynności, jak rozróżnianie plam koloru, liczenie kropek na ekranie lub orientowanie się w niewielkim pomieszczeniu. Gorzej radzą sobie z nimi, gdy mają ograniczony dostęp do swoich zasobów językowych, na przykład kiedy rów­ nocześnie wykonują skomplikowane zadanie werbalne, typu po­ wtarzanie wiadomości telewizyjnych. Oznacza to, że kategorie i rozróżnienia istniejące w poszczególnych językach są wpisane w wiele aspektów naszego życia umysłowego. To, co badacze do tej pory nazywali „myśleniem", jest w rzeczywistości połącze­ niem projekcji zarówno językowych, jak i pozajęzykowych. Wy­ nika z tego, że niewiele jest procesów poznawczych u dorosłych, w których język nie odgrywa roli. Znamienną cechą ludzkiej inteligencji jest jej elastyczność oraz umiejętność tworzenia i modyfikowania wyobrażeń o świe­ cie w obliczu zmieniających się celów i uwarunkowań. Jedną z tego konsekwencji jest ogromna różnorodność istniejących na świecie języków. Każdy z nich zapewnia użytkownikom od­ rębny aparat poznawczy i obejmuje wiedzę gromadzoną w danej kulturze przez tysiące lat oraz określony na tej podstawie obraz świata. Położyło to podwaliny pod istotę postrzegania, klasyfi­ kowania oraz rozumienia zdarzeń - pełniąc tym samym funkcję bezcennego przewodnika opracowanego i doskonalonego przez naszych przodków. Badania nad tym, jak język kształtuje pro­ cesy myślowe, przyczyniają się do zrozumienia mechanizmów zdobywania wiedzy i postrzegania rzeczywistości oraz ewolucji inteligencji i wyrafinowania naszych umysłów. Tym samym po­ magają nam zrozumieć istotę człowieczeństwa. • * W języku polskim z kolei odwołujemy się do nich w ostateczności. JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Remembrances of Times East: Absolute Spatial Representations of Time in an Australian Aboriginal Community. Lena Boroditsky i Alice Gaby; Psychologia! Science, tom 21, nr 11, s. 1635-1639;

Xl/2010. Constructing Agency: The Role of Language. Caitlin M. Fausey i in.; Frontiers in Cultural Psychology, tom 1, art. 162; Publikacja online 15X2010. Language Changes Implich Associations between Ethnic Groups and Evaluation in Bilinguals. Shai Danziger i Robert Ward; Psychoiogicai Science, tom 21, nr 6, s. 799-800: Vl/2010.

marzec 2011, Świat Nauki 55

BIOLOGIA

Po nitce do

kłębka Rozmieszczenie łańcucha DNA w jądrze komórkowym ma wielki wpływ na funkcjonowanie genów w zdrowiu i chorobie Tom Mis te Ii

W SKRÓCIE Chromosomy nie są losowo poroz­ rzucane w jądrze komórkowym - zajmują w nim określone, prefero­ wane obszary. Organizacja jądra odzwierciedla stan funkcjonalny poszczególnych chromosomów i znajdujących się na nich genów. Ułożenie chromoso­ mów może być modyfikowa ne wraz ze zmianami zachowania komórek i w stanach chorobowych. Ustalenie lokalizacji genów w ob­ rębie jądra i obserwowanie ich prze­ mieszczeń w różnych warunkach pozwala wyciągać wnioski na temat funkcjonowania prawidłowych ko­ mórek i rozwoju chorób, w tym nowotworów.

56 Świat Nauki, marzec 2011

vfcr*

Podczas podziału komórki chromosomy są zduplikowane i ściśle upakowane (z lewej). W pozostałym czasie występują pojedynczo, a ich struktura jest znacznie luźniejsza (poniżej). Jeszcze do niedawna - zanim opracowano techniki ich „malowania" - rozróżnienie poszczególnych chromosomów w rozluźnionym stanie sprawiało niemałe kłopoty.

Ilustracje Anatomy Blue

marzec 2011, Świat Nauki 57

Tom Misteli jest badaczem w National Cancer Institute w Bethesda w stanie Maryland. Sam opracował narzędzia obrazowania, które wspomagają trwające w jego laboratorium prace nad odkryciem podstawowych zasad rządzących trójwymiarowym ułożeniem genomu w jądrze żywych komórek oraz zastosowaniem tej wiedzy w poszukiwaniach nowych strategii walki z rakiem i procesem starzenia.

O

Pogląd ten dominował mimo istnienia poszlak wskazujących na odmienny sposób organizacji chromosomów. W początkach XX wieku niemiecki biolog Theodor Boveri na podstawie badań nicieni pasożytują­ cych na koniach wysunął hipotezę, że choć chromosomy mogą zmieniać kształt i roz­ miar w trakcie życia komórki, każdy z nich zajmuje odrębny, ściśle określony obszar jądra. Miejsca te nazwał terytoriami chromosomalnymi. Jednak z powodu trudności w dostrzeżeniu chromosomów, a także za­ stosowania przez Boveriego nietypowego obiektu badań jego koncepcję przez lata lekceważono. Doświadczalnych dowodów przesądzających o istnieniu terytoriów chromosomalnych dostarczyli dopiero dwaj inni Niemcy - bracia Thomas i Christoph Cremerowie. Opracowali oni metodę znakowania i wizualizacji materiału genetycznego na niewielkim obszarze jądra komórkowego. Na początku lat osiemdziesiątych pokazali, że kiedy za pomocą lasera naświetli się DNA w określonej części jądra, znakuje się tylko kilka chro­ mosomów. A przecież wiązka fotonów napotkałaby ich znacznie więcej, gdyby DNA jądrowe było tak splątane, jak sądzono.

DCZYTANIE SEKWENCJI GENOMU l u d z k i e g o

w 2000 roku dało nam wgląd w plany budowy naszego organizmu. Jednak sama znajomość pełnego zestawu „li­ ter" DNA składającego się na wszyst­ kie chromosomy niewiele mówi o tym, w jaki sposób genom zawiaduje codziennym funkcjonowa­ niem komórek czy też rozwojem osobniczym od momentu zapłodnienia komórki jajowej - podobnie jak wykaz części sa­ mochodowych nie zdradza mechanizmu działania silnika.

Jednym z aspektów tego problemu zajęła się nowa gałąź na­ uki - komórkowa biologia genomu. Specjalizujący się w tej dzie­ dzinie, w tym ja, próbują ustalić, w jaki sposób całość genomu dyryguje biologiczną symfonią zwaną życiem. W tym celu trze­ ba poznać rozmieszczenie chromosomów i położonych na nich genów w trójwymiarowej przestrzeni jądra komórkowego oraz przeanalizować wpływ tego rozkładu na ich funkcjonowanie. Pomaga nam w tym nowa technika obrazowania w trzech wymiarach. Pozwoliła ona jeszcze dokładniej wejrzeć w głąb żywych komórek i odkryć tam zadziwiająco dynamiczny ekosys­ tem. Wjądrze komórki zachodzą fizyczne oddziaływania między sąsiadującymi chromosomami, geny znajdujące się na każdym z nich migrują w różne miejsca jądra w zależności od zadania, jakie mają wykonać, a cząsteczki regulujące ich aktywność two­ rzą tętniące życiem ośrodki. To zupełnie nowe informacje o me­ chanizmach wpływu genomu na utrzymywanie naszego ciała w zdrowiu oraz o rozwoju niektórych chorób, w tym nowotwo­ rów. Mogą się one przyczynić do opracowania innowacyjnych metod diagnostycznych.

Kilka lat później naukowcy opanowali do perfekcji bardziej precyzyjną i wielobarwną metodę znakowania i wizualizacji całych chromosomów, nazywaną ich malowaniem. Polega ona na dołączaniu znaczników fluorescencyjnych do konkretnych sekwencji DNA występujących w pojedynczych chromosomach. Każdy chromosom można wyznakować innym znacznikiem fluorescencyjnym, co wskaże jego lokalizację. Dzięki tej techni­ ce udało się bezapelacyjnie dowieść, że także między podziała­ mi chromosomy w jądrze stanowią odrębne jednostki i każdy zajmuje oddzielny obszar [mikrografia na stronie obok}. To odkrycie wywołało lawinę pytań, którymi zajmuje się te­ raz komórkowa biologia genomu. Czy chromosomy rozmiesz­ PIERWSZE WĄTPLIWOŚĆ I POSTĘP DOKONANY W OSTATNICH CZASACH jest pochodną odkryć czone są losowo w obrębie jądra, tak jak uczestnicy imprezy z lat osiemdziesiątych. Wiedziano wówczas, że chromosomy bez rezerwacji miejsc? Czy też przeciwnie, dysponują „biletami" podczas podziału komórki ulegają silnej kondensacji i przyj­ na stałe lokalizacje w jądrze? A co ważniejsze - czy położenie mują charakterystyczny, przypominający klepsydrę kształt - ta­ chromosomów wpływa na aktywność zawartych w nich genów? ki, który większość z nas przywołuje w myślach, kiedy mowa o tworach przenoszących geny z pokolenia na pokolenie. Jasne SĄSIEDZTWO MILE WIDZIANE też było, że chromosomy mają luźniejszą strukturę, kiedy nie OBECNIE WIEMY JUŻ, że każdy chromosom zazwyczaj zajmuje dzielą się, tylko pełnią swoje codzienne funkcje. Ta rozluźnio­ określony region wewnątrz jądra. Na przykład w białych krwin­ na struktura zawsze utrudniała badaczom rozróżnienie poje­ kach człowieka chromosom 18. zwykle znajdziemy na obwodzie, dynczych chromosomów, nawet z użyciem najlepszych mikro­ przytulony do błony, podczas gdy chromosom 19. preferuje lo­ skopów. W związku z tym przeważała opinia, że chromosomy kalizację centralną, a chromosom 7. z kolei leży gdzieś pomiędzy w niedzielących się komórkach są poplątane jak spaghetti nimi. Tendencja do przyjmowania określonej pozycji - bliżej lub na talerzu. dalej od brzegu jądra - prowadzi do wyodrębnienia się w nim

58 Świat Nauki, marzec 2011

PODSTAWY

Wielopiętrowa organizacja Biolodzy wiedzą nie od dziś, że DNA tworzące chromosomy jest zwinięte w złożony sposób (rysunek). Niedawno udało im się też pokazać, że poszczególne chromosomy zajmują odrębne obszary jądra komórkowego (mikrografia): niektóre z nich preferują obrzeża jądra, podczas gdy inne gromadzą się bliżej jego środka. Ponad­ to usytuowanie chromosomu i sąsiedztwo innych chromosomów może mieć silny wpływ na funkcjonowanie komórek.

Chromatyna

Architektura chromosomu

Jądro komórkowe

DNA w każdym z naszych 46 chromosomów owinięty jest wokół oktamerów histonowych - szpulek z ośmiu białek zwanych histonami. Tak spakowane DNA zwijają się jeszcze bardziej. DNA tworzący kompleksy z białkami nazywany jest ogólnie chromatyna. Gdyby połączyć nić z jądrowego DNA ze wszystkich komórek ludzkiego ciała, można by ją 100 razy rozciągnąć tam i z powrotem między Ziemią a Słońcem.

Oktamer histonowy

DNA

Architektura jądra komórkowego W ciągu ostatnich 15 lat dzięki zaawansowanym technikom mikroskopowym obalono dawny pogląd, że chromosomy w jądrze tworzą bezładną mieszaninę, przypominającą ugotowane spaghetti. Na tym zdjęciu poszczególne chromosomy w jądrze ludzkiego fibroblastu zabarwione są na różne kolory.

II

e =

różnych okolic. Każdy chromosom ma więc pewien zestaw ty­ powych sąsiadów, z reguły ten sam w komórkach określonego rodzaju. Wraz ze współpracownikami odkryłem na przykład, że w białych krwinkach myszy chromosom 12. często grupuje się z chromosomem 14. i 15. Lokalizacja chromosomów nie jest jednak niezmienna. Mój zespół ustalił, że układają się one odmiennie w różnych typach komórek, a inni badacze wykazali, że zmienia się to podczas rozwoju osobniczego i w chorobie. Wydaje się też, że umiejsco­ wienie chromosomu wpływa na „włączanie" bądź „wyłączanie" położonych na nim genów. Wskazówką, że lokalizacja genu w jądrze może mieć znacze­ nie dla jego aktywności, było zaobserwowanie zmiany położenia

niektórych genów w związku z ich aktywnością. Jednym z nich jest gen GFAP. W astrocytach - komórkach mózgu o charaktery­ stycznym gwiaździstym kształcie - zazwyczaj tylko jedna kopia tego genu jest aktywna, czyli wykorzystywana jako źródło infor­ macji o sekwencji produkowanego białka, druga natomiast po­ zostaje wyciszona. Pracujący w moim zespole Takumi Takizawa spostrzegł, że aktywna kopia genu z reguły leży w okolicy środka jądra, a ta druga - na jego peryferiach. Inni badacze zauważyli podobne zasady pozycjonowania genów kodujących przeciw­ ciała (immunoglobuliny) - obronne białka wytwarzane przez białe krwinki w odpowiedzi na obecność obcych komórek lub substancji. Podczas takiej reakcji w jądrach leukocytów region chromosomu zawierający gen IGH (kodujący jeden ze sklad-

marzec 2011, Świat Nauki 59

ODKRYCIA

Trzeci wymiar aktywacji genów Molekularna maszyneria odpowiedzialna za włączanie genów (górny obrazek), czyli odcinków DNA chromosomalnego kodujących białka i cząsteczki RNA, znana jest naukowcom od lat. Teraz jednak, dzięki nowym narzędziom, uzyskali oni także wgląd w wyższy poziom kontroli, powiązanej z archi­ tekturą jądra komórkowego (na dole).

Aktywacja genów

podstawy

Region regulatorowy

Gen zostaje włączony (czyli odczyt zapisanej w nim informacji rozpoczęty), gdy białka zwane czynnikami transkrypcyjnymi zbiorą się w regionach regulatorowych genu, wskazując enzymom polimerazom RNA- miejsce do rozpoczęcia transkrypcji DNA, czyli przepisania jego sekwencji na kopie zbudowane z RNA. W przypadku genów kodujących Czynniki transkrypcyjne białka RNA te po obróbce stają się informacyjnymi RNA (mRNA) i migrują do cytoplazmy, gdzie struktury zwane rybosomami dokonują ich translacji na odpowiednie białko.

Informacyjny RNA

Wyciszony chromosom

Nowy pogląd Z dotychczasowych badań wynika, że skraj jądra działa wyciszająco na aktywność genów, natomiast środek jądra ją promuje. Wygląda na to, że kiedy potrzebny jest gen znajdujący się w „cichej" strefie, odpowiedni fragment DNA wypętla się z reszty chromosomu (rysunek). Gdy tylko gen natrafi na fabrykę transkrypcyjną - skupisko czynników transkrypcyjnych i polimeraz - staje się w pełni aktywny. Niekiedy czynniki transkrypcyjne związane z genem na jednym chromosomie mogą wspomagać aktywację tk innego genu na pobliskim ^Ł chromosomie (nie \^Ł pokazano).

Jądro komórkowe

— Blaszka jądrowa

1 6 0 Świat Nauki, marzec 2011

ników immunoglobulin) przemieszcza się zwykle w kierunku centrum. Te odkrycia wskazywały na istnienie prostego związku między aktywnością genu a jego lokalizacją: geny znajdujące się na peryferiach jądra komórkowego często trafiają tam, ponie­ waż są wyciszone. A może coś, co znajduje się przy brzegu jądra, promuje inaktywację genów? Jeszcze w latach trzydziestych zaobserwowano, że skraj jądra wyścielany jest heterochromatyną - silnie skon­ densowanymi regionami chromosomów. Gdybyśmy mogli zaj­ rzeć do wnętrza chromosomu, zobaczylibyśmy, że składa się on z podwójnej helisy DNA, nawiniętej na szpulki z białek nazywa­ nych histonami, a tak nawinięte DNA skręca się jeszcze w grube włókno tzw. chromatyny [ilustracja na, stro­ nie 59]. Nie dość na tym - włókna chroma­ tyny zwijają się dalej, osiągając jeszcze sil­ niejszą kondensację. W heterochromatynie są zwinięte tak ciasno, że białka uczestniczą­ ce w odczycie informacji genetycznej nie są w stanie dotrzeć do DNA.

Biolodzy badający funkcjonowanie genomów w komórkach nie odkryli jeszcze wszystkich zasad rządzących aktywnością ge­ nów w różnych częściach jądra komórkowego. Udało nam się jednak pokazać, że lokalizacja genów w przestrzeni jądrowej ma znaczenie dla prawidłowego rozwoju osobniczego i stanu zdrowia. NIEZDROWE POŁOŻENIE ZMIANY UŁOŻENIA GENÓW podczas rozwoju zarodkowego zaob­ serwowano szczególnie wyraźnie podczas badań nad zarodko­ wymi komórkami macierzystymi. Komórki te są pluripotentne wykazują rzadką zdolność różnicowania się w dowolny z około 220 rodzajów wyspecjalizowanych komórek ciała, takich jak komórki krwi, nerwowe czy mięśniowe. Jednak w odróżnieniu od nich elastyczne pod względem funkcjonalnym ko­ mórki zarodkowe nie mają w jądrach komór­ kowych dużych obszarów heterochromatyny z wyciszonymi genami. Nie zawierają też la­ min - białek, które pomagają przytwierdzić nieaktywne fragmenty DNA do brzegu jądra. Skutek jest taki, że w komórkach zarodko­ wych niemal wszystkie geny stale wykazują niewielką aktywność.

Ułożenie chromosomów fest różne

Oczywiście te pierwsze obserwacje nie wyjaśniały, czy to warunki panujące na obrzeżach jądra komórkowego promują wyciszenie genów, czy też skondensowana chromatyna przemieszcza się w te rejony z innych względów. W 2008 roku w kilku laboratoriach przeprowadzono eleganckie doświadczenia, których wyniki wskazały na ten pierwszy mechanizm. Kiedy bowiem naukowcy usuwali aktywne geny z ich zwy­ kłych pozycji w środku jądra i przytwierdzali je do błony otaczającej jądro, ich aktywność przeważnie się zmniejszała. Można więc wnioskować, że obrzeża jądra komórkowego stanowią środowisko sprzyjające wyciszeniu przynajmniej niektórych genów.

w poszczególnych typach komórek,

a ponadto

zmienia się podczas rozwoju osobniczego,

Kiedy zarodkowa komórka macierzysta otrzymuje sygnał do różnicowania się, na przykład w komórkę kości czy neuron, znacz­ nie zmienia się architektura jej jądra komór­ kowego. Pojawiają się białka z grupy lamin i pod błoną jądrową splatają się w ścisłą ma­ tę (blaszkę jądrową). Uważa się, że odgrywa ona rolę podporową - utrzymuje kształt jądra i zabezpiecza chromosomy przed naciskami mechanicznymi z zewnątrz. Prawdopodobnie uczestniczy też w prawidłowej regulacji ge­ nów: fragmenty chromosomów o mniejszej liczbie aktywnych genów zawierają specjalne białko strukturalne, które kompre­ suje je do heterochromatyny i łączy z laminami na peryferiach jądra. Dzięki odizolowaniu mniej aktywnych regionów chro­ mosomów pozostałe, bogate w geny obszary znajdują się bli­ żej środka jądra - i fabryk je wykorzystujących. Pojawienie się lamin podczas rozwoju zarodkowego pozwala więc komórkom wyłączyć z funkcjonowania geny, które w danym momencie przestają być potrzebne, dosłownie spychając je na margines.

Lokalizacja chromosomu ma wptyw na aktywność

leżących na nim genów.

Z kolei warunki panujące we wnętrzu jądra komórkowego mogą być odpowiednie dla chromosomów i genów, których aktywacja wymagana jest często lub musi zachodzić szybko. Znajdują się tam zgrupowania kompleksów białkowych, zwa­ ne potocznie fabrykami transkrypcyjnymi. W nich zebrane są komórkowe elementy niezbędne do odczytu genów. To przede wszystkim enzymy z grupy polimeraz, dokonujące transkrypcji, czyli przepisania sekwencji DNA na RNA (aby mogła następ­ nie zajść jego translacja, czyli przetłumaczenie na sekwencję białka), a także czynniki transkrypcyjne - białka wiążące się do regulatorowych obszarów genów i przydzielające zadania polimerazom. Istnienie takich fabryk pierwszy przewidywał Peter Cook z University of Oxford w 1993 roku - zauważył bowiem, że w do­ wolnym momencie liczba aktywnych genów w jądrze komórko­ wym znacznie przewyższa liczbę miejsc, w których polimerazy zajęte są odczytywaniem genów. Wytłumaczenie takiego stanu rzeczy narzuca się automatycznie: wiele genów współtworzy ośrodek aktywności transkrypcyjnej, dzieląc się tą samą pulą polimeraz i czynników transkrypcyjnych [ramka na następnej stronie]. Nie byłby to zresztą precedens: setki genów kodują­ cych rybosomalne PUSTA (nieodzowne elementy komórkowej ma­ szynerii do produkcji białek) transkrybowane są jednocześnie w jąderku - strukturze jądra komórkowego na tyle dużej, że wi­ dać ją pod mikroskopem.

Tezę, że marginalizacja wybranych regionów chromosomów ma kluczowe znaczenie dla właściwego funkcjonowania genów w zróżnicowanych komórkach, potwierdzają obserwacje na­ stępstw nieprawidłowości lamin. Mutacje genów kodujących te białka powodują liczne schorzenia u ludzi - od dystrofii mięśnio­ wych i problemów neurologicznych po przedwczesne starzenie. To nietypowy efekt. Zwykle mutacja w określonym genie, o ile jest szkodliwa, wywołuje zawsze tę samą chorobę. Biolodzy nie są pew­ ni, w jaki sposób wadliwe laminy przyczyniają się do rozwoju chorób. Możliwe, że wynika to z osłabienia blaszki jądrowej, unie­ możliwiającego ochronę jądra komórkowego przed uciskiem me­ chanicznym - fizyczne uszkodzenie dużej części genomu mogłoby prowadzić do śmierci narażonych komórek. Bardziej intrygująca jest idea, że wadliwe laminy mogą nie radzić sobie z odpowiednią organizacją genomu i lokować geny w niewłaściwych miejscach, zakłócając w ten sposób ich normalne funkcjonowanie.

marzec 2011, Świat Nauki 61

Mapowanie pozycji chromosomów w komórkach pacjen­ tów cierpiących na laminopatie zwykle potwierdza tę ostatnią teorię: w jednym z takich badań w komórkach z mutacją lami­ ny wykazano nietypowe przesunięcie chromosomów 13. i 18. z obrzeży na środek jądra. Na razie nie jest jednak jasne, czy zmiana położenia chromosomów to konsekwencja choroby, czy jeden z czynników chorobotwórczych. Znaczenie umiejscowienia chromosomów widać wyraźniej w przypadku niektórych nowotworów. Zlośliwiejące komórki często zawierają tzw translokacje chromosomalne - nieprawi­ dłowe chromosomy powstałe w wyniku odlamania fragmentu z jednego chromosomu i przyłączenia go do innego [ramka na sąsiedniej stronie]. W niektórych przy­ padkach doklejony fragment podczepia się do istniejącego genu w taki sposób, że po­ wstaje nowy gen (tzw. gen fuzyjny) o wła­ ściwościach sprzyjających nadmiernemu rozmnażaniu się komórki, co prowadzi do nowotworzenia. Jak się okazuje, lokalizacja chromo­ somów w jądrze komórkowym często wpływa na to, które chromosomy połączą się, tworząc rakotwórcze translokacje: bardziej skłonne są do tego chromosomy znajdujące się obok siebie. Rozważmy przypadek chorych na chłoniaka Burkitta. U wielu z nich stwierdza się translokacje między genem MYC, umiejscowionym na chromosomie 8., a genem IGH na chro­ mosomie 14.; w rzadkich przypadkach za­ chodzi translokacja między MYC a innym genem kodującym immunoglobulinę na chromosomie 2. - zwanym IGK - lub jeszcze rzadziej genem IGL na chromosomie 22. W 2003 roku Jeffrey Roix z naszego laboratorium odkrył, że średnia odległość między genem MYC a jego trzema partnerami translokacyjnymi ściśle koreluje z czę­ stością translokacji - wskazuje to na istnienie związku między odległością genów w jądrze a prawdopodobieństwem wystąpie­ nia translokacji. Taką samą zależność stwierdzono w przypadku wielu innych rodzajów raka.

markerami raka piersi: badając je, byliśmy w stanie bardzo trafnie wskazywać próbki zawierające tkankę nowotworową. A niektóre geny zmieniają położenie, jeszcze zanim złośliwe ko­ mórłd zaczną się niewłaściwie zachowywać. Liczymy więc na to, że analizy pozycji genów staną się kiedyś potężnym narzędziem wspomagającym lekarzy w rozpoznawaniu nowotworów na bar­ dzo wczesnych etapach. SAMOORGANIZUJĄCE SIĘ JĄDRO NAJISTOTNIEJSZE PYTANIE z dziedziny komórkowej biologii geno­ mu to: co determinuje lokalizację genu i chromosomu w jądrze komórkowym? Skąd geny i chromosomy wiedzą, gdzie jest ich miejsce - i w jaki sposób tam docierają, w miarę jak komórki różnicują się i specjalizują? Teoretycznie możliwe jest, że sekwencje chro­ mosomowe są eskortowane do właściwych miejsc przeznaczenia przez specjalną maszynerię ko­ mórkową. Na przykład białko wiążące DNA, które rozpoznaje określoną jego sekwencję, wiązałoby się do niej i potem za pomocą białka motorycznego przeciągałoby część chromosomu w określony obszar jądra. Do tej pory nikomu nie udało się jednak zidentyfikować podobnego mechanizmu. Trudno też wyobrazić sobie system sygnaliza­ cyjny zdolny do przekazania fragmentowi DNA „współrzędnych geograficznych" i kierujący gen w centralne okolice jądra bądź też do jego ulubio­ nej fabryki transkrypcyjnej.

Szczególnie ekscytujące dla naukowców

było odkrycie, że znajomość typowej lokalizacji chromosomów wjądrze komórkowym możepomóc w diagnostyce nowotworów.

W naszym laboratorium wykazano również, że urwane końce chromosomów nie oddalają się za bardzo od miejsca, w którym doszło do uszkodzenia. Obserwacja ta wyjaśnia, dla­ czego istnieje większe prawdopodobieństwo nastąpienia fuzji chromosomów zgrupowanych w jednej okolicy. Tłumaczy też, na skutek czego pewne translokacje są specyficzne dla nowo­ tworów pojawiających się tylko w określonych tkankach: ułoże­ nie chromosomów w rozmaitych tkankach jest różne. Bardziej prawdopodobne więc, że chromosomy zgrupowane obok siebie, dajmy na to w komórkach nerek, będą partnerami transloka­ cyjnymi w nowotworach nerek niż w nowotworach innych tka­ nek, na przykład białych krwinek, gdzie zazwyczaj są od siebie znacznie oddalone. Szczególnie ekscytujące dla naukowców było odkrycie, że znajomość typowej lokalizacji chromosomów w jądrze komór­ kowym może pomóc w wykryciu nowotworu. Karen Meaburn z mojego zespołu we wstępnych analizach raków piersi ziden­ tyfikowała kilka genów, których lokalizacja w jądrze komórek nowotworowych była inna niż w jądrach prawidłowych ko­ mórek tkanki piersiowej. Geny te, jak się okazało, są dobrymi

62 Świat Nauki, marzec 2011

Zaproponowałem więc alternatywną teorię, sugerując, że pozycjonowanie w jądrze to efekt samoorganizacji. Geny zachowują się jak mło­ dzież, która łączy się w grupki ze względu na wspólne zainteresowania, a nie na polecenia rodziców czy na­ uczycieli. Zgodnie z tym modelem lokalizacja genów i chromo­ somów w jądrze komórkowym wynika z ich aktywności, a nie jest determinowana przez zewnętrzną maszynerię organizującą. Z kolei położenie genów ma wpływ na ich aktywność. W jaki sposób taka samoorganizacja miałaby następować? Popatrzmy, co dzieje się w zróżnicowanej komórce po włącze­ niu pojedynczego genu w odpowiedzi na sygnał, na przykład hormon. Początkowo gen jest nieaktywny - najprawdopodob­ niej skłębiony gdzieś w skondensowanej chromatynie, być może nawet w przytulonym do brzegu jądra fragmencie heterochromatyny. Kiedy sygnał dotrze do komórki i zostanie przekazany do jądra, cząsteczki znane jako kompleksy remodelujące chromatynę rozwijają skondensowany DNA na odcinku samego genu i wokół niego - tak, by cały obszar stal się bardziej dostępny dla maszynerii transkrypcyjnej. W samoorganizującym się jądrze takie rozluźnienie pozwalałoby danemu odcinkowi chromatyny wysunąć się z peryferyjnej heterochromatyny i sondować nowe obszary jądra. Nie trzeba wiele szczęścia, by falująca pętla prę­ dzej czy później zetknęła się z fabryką transkrypcyjną. Warto zauważyć, że ruch genu z obrzeży jądra do centrum akcji zachodzi bez udziału specjalnej maszynerii transportującej i wynika wyłącznie z jego aktywności transkrypcyjnej. To geny determinują więc własną lokalizację. Znaczyłoby to także, że choć umiejscowienie genu w jądrze komórkowym nie jest losowe, to sposób, w jaki się tam dostanie, może być przypadkowy. Koncepcja samoorganizacji pozostaje w zgodzie z wynika­ mi wielu obserwacji migracji genów. Mogą się one wypętlać

,

ONKOLOGIA

Nowotworowe chromosomy Przyczyną rozwoju niektórych n o w o t w o r ó w jest pęknięcie dwóch chromosomów (np. wskutek promieniowania lub działania toksyn) i ich nieprawidłowe „naprawienie" prowadzące do translokacji. Przykładem tego jest połączenie genu MYC z chromosomu 8. i genu IGH z chromo­ somu 14. w limfocytach B, leżące u podłoża chtoniaka Burkitta. Do tej pory nie było jasne, dlaczego pewne translokacje zachodzą tylko w określonych rodzajach komórek. Najnowsze badania wskazują, że istotne znaczenie ma sąsiedztwo chromosomów w przestrzeni jądrowej - im bliższe, t y m częstsze przypadki połączeń. W limfocytach B chromosomy 8. i 14. występują zazwyczaj obok siebie.

Powstaje kancerogenna translokacja

z chromosomów i przemierzać jądro. Niektóre do maksimum wykorzystują ten transkrypcyjny paszport. Na przykład w bia­ łych krwinkach, stymulowanych tzw cytokinami, geny kodujące cząsteczki MHC klasy II (odgrywające rolę w układzie odporno­ ściowym) znacznie oddalają się od reszty chromosomu, na któ­ rym są zlokalizowane, rozciągając nić DNA nawet przez pól sze­ rokości jądra. Niewykluczone, że ta sama zasada rządzi pozycjonowaniem całych chromosomów. Choć większość genów porusza się ra­ czej w sposób delikatny, przesunięcia każdego z nich składają się na ostateczne umiejscowienie chromosomu w komórce. Jeśli faktycznie zachodzi samoorganizacja, należałoby się spodziewać, że chromosomy zawierające w większości geny nieaktywne zosta­ ną zepchnięte na peryferie jądra, natomiast zbudowane głównie z aktywnych będą przyciągane w kierunku środka jądra. Aby zweryfikować te przypuszczenia, Mark Groudine wraz ze współpracownikami z Fred Hutcliinson Cancer Center w Seattle przeprowadził badania na komórkach prekursorowych krwi, po­ budzając je do dojrzewania. Na różnych etapach hodowli komór­ ki zbierano i mierzono w nich aktywność tysięcy genów, a także monitorowano lokalizację chromosomów. Okazało się, że najbar­ dziej ruchliwe były chromosomy zawierające największą liczbę genów, których aktywność zmieniała się w miarę dojrzewania komórek. Opisane doświadczenia to dobry początek, ale ich przeprowa­ dzenie nie należy do łatwych: jednoczesne śledzenie położenia wielu regionów genomu za pomocą mikroskopu jest nużącym zadaniem. Problem ten może niedługo zostać rozwiązany dzię­ ki metodzie Hi-C opracowanej przez Joba Dekkera z University

of Massachusetts Medical School. Pozwala ona błyskawicznie uzyskać trójwymiarowy obraz genomu w wyniku chemicznego związania wszystkich regionów chromosomów, które stykają się ze sobą w jądrze. Wykorzystanie Hi-C powinno w niedalekiej przyszłości umożliwić biologom określanie lokalizacji chromo­ somów w jądrach różnych tkanek, w różnych momentach i wa­ runkach. Zestawienie tych danych z listami aktywnych i nie­ aktywnych genów pozwoli w bezprecedensowy sposób ocenić, jak organizacja jądra komórkowego wpływa na jego funkcjono­ wanie, a jej zaburzenia - na rozwój chorób. Opracowanie pierwszego szkicu sekwencji genomu ludz­ kiego wymagało 10 lat wytężonej pracy. Jej znajomość nie za­ dowala biologów zajmujących się funkcjonowaniem genomu w komórkach - chcą wiedzieć więcej i dopiero zaczynają odkry­ wać, jak zachowują się genomy w swoim naturalnym otoczeniu. To niezwykle ciekawe i złożone przedsięwzięcie zajmie im za­ pewne znacznie więcej czasu niż sekwencjonowanie, od którego wszystko się zaczęło. • JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ The Nucleus. Red. Tom Misteli i David L. Spector; Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2010. Comprehensive Mapping of Long-Rangę Interactions Reveals Folding Principles of the Humań Genome. Erez Lieberman-Aiden i in.; Science, tom 326, s. 289-293; 9 X 2009. Dynamie Genome Architecture in the Nuclear Space: Regulation of Gene Expression in Three Dimensions. Christian Lanctót i in.; Naturę Reviews Genetics, tom 8, nr 2, s. 104-115; H/2007. Beyond the Sequence: Cellular Organization of Genome Function. Tom Misteli; Celi, tom 128, nr 4. s. 787-800; H/2007. Cel I Biology: Chromosome Territories. Karen J. Meabum i Tom Misteli; Naturę, tom 445, s. 379-381; 2512007 The Celi Nucleus and Aging: Tantalizing Clues and Hopeful Promises. Paola Scaffidi, Leslie Gordon i Tom Misteli; PLoS Biology, tom 3, nr 11, e395; XI/2005.

marzec 2011, Świat Nauki 63

EKOLOGIA

Obrońca obcych Zdaniem ekologa Marka Davisa gatunki inwazyjne nie są aż takim zagrożeniem, jak uważają niektórzy naukowcy Rozmawia Brendan Borre/l

M

ARK A. DAVIS, EKOLOG ROŚLIN, nie za-

Również Davis widział kiedyś sens w niszczeniu „najeźdźców".

mierzą brać udziału w dorocznej „kru- Zalecał nawet, by teren wokół Macalester College, gdzie wykłada, cjacie" przeciwko szakłakowi pospolite- obsadzano wyłącznie rodzimymi roślinami. Dlatego, gdy w 1994 mu i kruszynie pospolitej - ozdobnym roku natknął się w New York Timesie na artykuł Michaela Pollakrzewom, które trafiły z Europy do Sta- na, zatrząsł się z oburzenia. Przeczytał, że cofanie „ekologicznego nów Zjednoczonych w XIX wieku - or- zegara do 1492 roku jest głupie, daremne i bezcelowe". Jednak ganizowanej w okolicy St. Paul, miasta, gdy nieco ochłonął, zaczął wnikliwie analizować problem. Stopw którym Davis mieszka. Jej celem jest pozbycie się gatunków niowo rewidował swoje poglądy i w końcu zajął znacznie bardziej allochtonicznych (obcego pochodzenia), które opanowały lasy, umiarkowane stanowisko. Teraz określa intruzów dobrotliwym prerie i podmokłe obszary Środkowego Zachodu. Nastawieni mianem LTL (Learn to Live), co bulwersuje niektórych jego proekologicznie ochotnicy gorliwie wyrywają młode rośliny, tną współpracowników. W rozmowie z Brendanem Borrellem, a takgrube pędy, a pniaki oblewają herbicydami. Walczą z „obcymi", że w swojej książce Invasion Biology, Davis podkreśla, że w tej by przywrócić przyrodę do stanu pierwotnego. dziedzinie potrzeba mniej emocji, a więcej nauki. | W SKRÓCIE | Migracja roślin, zwierząt i innych orga-

Mark Davis z Macalester College zapew-

gatunku na skutek ekspansji obcego,

jedyne miejsca, gdzie obce gatunki często

nizmów poza ich rodzime nisze ekolo-

nia, że nie należy niepokoić się obecno-

Organizmy

doprowadzają do wymierania endemicz-

giczne na ogól nie stwarza tak wielkiego

ścią intruzów, chyba że stanowią zagra-

nie wypierają występujących na danym

nej populacji.

zagrożenia, jak ostrzegają

żeniedlanaszegozdrowialubgospodarki.

obszarze roślin czy zwierząt. Odizolo-

Davis utrzymuje, że musimy po prostu

Rzadko zdarza się wyginięcie rodzimego

wane środowiska, takie jak wyspy, to

przyzwyczaić się do migracji gatunków.

niektórzy

ekolodzy.

6 4 Świat Nauki, marzec 2011

allochtoniczne

zazwyczaj

Zdjęcie Amy Eckert

SCIENTIFICAMERICAN: W dyskusji na temat skutków rozprzestrzeniania się introdukowanych gatunków przyjął Pan postawę sceptyka. Co Pana zdaniem sprawia, ze jakiś gatunek staje się problemem? DAVIS: Staje się problemem, gdy tak go określimy. Organizmy to tylko organizmy. Nie są moralne ani etyczne. One po prostu żyją. Określenia „dobre'" czy „zle" są wyłączną domeną człowieka. Dla mnie jest problemem, gdy jakiś gatunek nie zagraża nasze­ mu zdrowiu, nie naraża na straty gospodarki, a mimo to ludzie utrzymują, że wywiera szkodliwy wpływ na środowisko. W takiej sytuacji powinniśmy się zastanowić - czy rzeczywiście mamy do czynienia z degradacją rodzimej fauny i flory, czy po prostu z jej zmianą? Jeżeli któryś rodzimy gatunek nie występuje już tak licznie jak kiedyś, czy jest to szkoda, czy zmiana? Uznawanie ta­ kich zmian za szkodliwe jest społecznie nieodpowiedzialne. Gdy określimy jakieś zjawisko jako groźne, obligujemy społeczeństwo do jego zwalczania, a to wymaga poświęcenia na ten cel części ograniczonych przecież środków. Nie uważam, aby było zasadne przeznaczanie społecznych funduszy na realizację projektów, któ­ re często nie są niczym więcej niż czyimś widzimisię. Pańscy krytycy odparowaliby, że introdukcja węża Boiga irregularis na wyspie Guam, wskutek której wyginęło 10 gatunków ptaków, jest czymś więcej niż zmianą. To nieodwracalna strata. Prawda. Przykładem środowisk, gdzie nowo wprowadzone ga­ tunki mogą doprowadzić do zagłady tych autochtonicznych, są odizolowane ekosystemy, na przykład oceaniczne wyspy czy słodkowodne jeziora. Prawie zawsze organizmy powodujące ta­ kie zmiany są albo drapieżnikami, albo patogenami, a w tych małych, odosobnionych ekosystemach potencjalna ofiara lub żywiciel nie ma się gdzie schronić. Dlatego introdukowany dra­ pieżnik może całkowicie wytrzebić gatunek będący podstawą jego diety. W przypadku takich siedlisk nie ma żadnych wątpli­ wości, że wprowadzone gatunki są poważnym zagrożeniem dla rodzimej fauny lub flory, i ja oczywiście wspieram w tych sytua­ cjach działania prewencyjne. Czy według Pana wyolbrzymia sięprobłem negatywnego wpływu niektórych obcych gatunków na środowisko? Niewiele gatunków wyrządza podobne szkody, jak wspomniany wąż Boiga irregularis. Od pewnego czasu badamy czosnaczka pospolitego w stacji terenowej Macalester College, ponieważ za­ obserwowaliśmy, że zaczął on rozprzestrzeniać się na terenie lasu dębowego. Ostatniego lata zbadaliśmy wiele miejsc i porównali­ śmy liczbę gatunków roślin na poletkach z czosnaczkiem i bez niego. Ten obcy gatunek jest powszechnie uważany za groźnego intruza, który wypiera rodzimą florę. W rzeczywistości jednak nie zauważyliśmy żadnej zależności pomiędzy jego liczebnością na danym obszarze a liczbą innych gatunków roślin. Nauka nie może być podszyta ideologią. Musi opierać się na faktach. Nie jestem wrogiem pryncypiów, jednak gdy mówią o nich naukowcy, powinni zaznaczyć, że to są ich poglądy, a nie wnioski z badań. Wszyscy pamiętamy, jak było z globalnym ociepleniem. Najgorszą rzeczą, jaką może zrobić środowisko na­ ukowe, jest dostarczenie argumentów sceptykom, którzy i tak uważają, że naukowcom nie można ufać. Czy nie jest tak, że ci, którzy chcą zapobiec rozprzestrze­ nianiu się obcych gatunków, sapo prostu ostrożni?

6 6 Świat Nauki, marzec 2011

Zawsze należy być ostrożnym. Nie dysponujemy pełną wiedzą i powinniśmy to uwzględniać. Świat zmienia się na wiele sposo­ bów. Na skutek ocieplenia klimatu niektóre gatunki przeniosą się na nowe terytoria i powstaną kolejne kombinacje organi­ zmów w innych warunkach środowiskowych i klimatycznych. Nie potrafimy przewidzieć ich zachowania. Przyszłość jest nie­ wiadomą zarówno w przypadku gatunków rodzimych, jak i ob­ cych. Gatunki autochtoniczne, które dotychczas nie sprawiały problemów, mogą przysporzyć kłopotów w przyszłości. A zatem niepokój o ewentualne szkody dotyczy wszystkich gatunków, niezależnie od ich pochodzenia. Sądzi Pan, że gatunki rodzime również mogą być szkodliwe dla środowiska? Oczywiście. Najlepszym tego dowodem jest występujący w Ame­ ryce Północnej chrząszcz Dendroctonus ponderosae, którego sie­ dliskiem są lasy iglaste na zachodzie kontynentu. W ostatnich latach, prawdopodobnie częściowo z powodu ocieplenia klima­ tu, liczebność tego owada drastycznie wzrosła, co doprowadziło do unicestwienia połowy drzewostanu na terytorium Kolumbii Brytyjskiej. Bez wątpienia to duża strata dla gospodarki. Ale brak naturalnych wrogów powoduje, że obce gatunki mają przewagę nad rodzimymi. Czyż naukowcy nie obserwują gwałtownego, wykładniczego wzrostu ich populacji po zasiedleniu nowego terytorium? Amerykański botanik Asa Gray żyjący w XIX wieku twierdził, że w sprzyjających warunkach każdy gatunek może stać się chwastem. To, czy liczebność danego gatunku znacznie wzro­ śnie na określonym terenie, zależy od kombinacji jego indywi­ dualnych cech i właściwości środowiska. Pojawiło się wiele prac badawczych, których autorzy próbują rozstrzygnąć, czy rzeczywiście istnieją jakieś konkretne cechy pozwalające odróżnić gatunki inwazyjne od nieinwazyjnych, ale nie udało się uzyskać jednoznacznej odpowiedzi. Jednym z ostatnich ważniejszych osiągnięć w tej dziedzinie jest odkrycie, że im dłużej roślina inwazyjna występuje na da­ nym obszarze, tym silniejsze jest ujemne sprzężenie zwrotne między nią a środowiskiem glebowym. Innymi słowy w glebie namnażają się patogeny, które mogą zainfekować roślinę, tym samym zmniejszając liczebność inwazyjnego gatunku. Pamię­ tajmy, że gdy roślina obcego pochodzenia się rozpleni, to taki stan nie musi trwać wiecznie. I tak naprawdę, jeśli wierzy się w teorię ewolucji, dokładnie tego należałoby się spodziewać. Oczywiście, jeśli jakiś gatunek zagraża naszemu zdrowiu bądź powoduje straty gospodarcze, nie można czekać, aż problem sam zniknie. Trzeba interweniować. Rodzime siedliska trawiaste, które Pan bada, to doskonałe miejsce do „produkcji" biopałiw. Poszukując rośliny uprawnej najlepszej do tego celu, wybrałby Pan gatunek autochtoniczny czy obcy? Nie wyróżniałbym żadnego. Rodzime gatunki, m.in. proso ró­ zgowe, również budzą pewne obawy. Na przykład, by uzyskać wystarczającą ilość energii z biopałiw, trzeba by obsadzić sto­ sunkowo duży obszar i prawdopodobnie posiać roślinę poza jej obecnym zasięgiem. Jeśli jednak udałoby się znaleźć odpowied­ ni rodzimy gatunek i występowałby on w dostatecznej ilości, za­ cząłbym od niego. Według mnie, i o tym cały czas mówię, należy przywiązywać mniejszą wagę do pochodzenia gatunku, a bacz-

niej obserwować, czy rzeczywiście roślina sprawia problem. Są­ dzę, że kiedyś historycy nauki uznają tę dyskusję „rodzime kon­ tra obce gatunki" za ważną jedynie w XX wieku. Kiedy narodził się strach przed obcymi? Czy stało się to w momencie, gdy ludzie po raz pierwszy zdali sobie sprawę ze swojego wpływu na rozmieszczenie gatunków? Nie dysponujemy żadną dokumentacją na ten temat. Ale ci, którzy przemieszczali się z wyspy na wyspę na południowym Pacyfiku wraz z roślinami i zwierzętami, z pewnością mieli świadomość, że część tych organizmów zadomowi się w nowym środowisku. W czasach greckich podróżnicy czasami przywozili ze swoich wypraw egzotyczne rośliny, które sadzili w ojczyźnie. W 1850 roku Alexander von Humboldt wykazał, że amerykań­ ska opuncja rozprzestrzeniła się w Europie, na Bliskim Wscho­ dzie i w Afryce Północnej. A zatem od kiedy, zamiast opisywać migracje, zaczęto myśleć o zahamowaniu ekspansji obcych gatunków i o próbach ich eliminacji? Tu, w Stanach Zjednoczonych, nasz stosunek do tego, co jest ob­ ce - nie tylko gatunków, lecz wszystkiego, co nieamerykańskie - zmieniał się na przestrzeni stuleci. Gdy nasz kraj byl młody, zależało nam na pokazaniu światu, że nie jesteśmy zaściankiem. Aby uwiarygodnić wizerunek społeczeństwa kosmopolityczne­ go i światowego, importowaliśmy muzykę, operę, sztukę, rośli­ ny i zwierzęta. Część ze sprowadzonych gatunków okazała się szkodnikami i chwastami, które osłabiły krajowe rolnictwo. Zja­ wiska te stopniowo doprowadziły do zmiany poglądów na szcze­ blu federalnym oraz do wdrożenia kontroli zarówno gatunków

Zdjęcia Amy Eckert

Obce gatunki, takie jak czosnaczek pospolity (z lewej) i szakłak {zprawej), występują na całej planecie. Zdaniem ekologa Marka Davisa gatunki inwazyjne są problemem jedynie wtedy, gdy zagrażają zdrowiu lub szkodzą gospodarce.

przywożonych, jak i już zadomowionych. Wraz z pojawieniem się po II wojnie światowej DDT - rzekomo cudownego pesty­ cydu - zaczęto myśleć już nie o ujarzmieniu obcych gatunków, lecz o ich całkowitym wyeliminowaniu za pomocą środków che­ micznych. Wszyscy wiemy, jak to się skończyło. Czy szala zaczęła się przechylać na drugą stronę? Tak sądzę. Na stronie internetowej Minnesota Department of Natural Resources, poświęconej inwazyjnym gatunkom, pod­ kreślono, że większość spośród nich nie stwarza problemów. A więc poglądy na tę kwestię i informacje przekazywane społe­ czeństwu stają się coraz bardziej przemyślane. Dziś, bardziej niż kiedykolwiek, należy mądrze wydawać pie­ niądze podatników. Ponieważ migracja gatunków z pewnością będzie się nasilać, musimy skoncentrować się na tych, które wy­ rządzają realne szkody. Z pozostałymi po prostu trzeba nauczyć • się żyć. Brendan Borrell mieszka w Nowym Jorku. Często pisze o nauce i środowisku na lamach Scientific American oraz Naturę.

JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Rambunctious Garden: Saving Naturę in a Post-Wild World. Emma Marris; Bloomsbury (w druku). lnvasion Biology. Mark A. Davis; Oxford University Press, 2009. Out of Eden: An Odyssey of Ecological lnvasion. Alan Burdick; Farrar, Straus and Giroux; 2005.

marzec 2011, Świat Nauki 67

ASTROFIZYKA

Dzięki pomysłowemu układowi luster teleskop NASA NuSTAR pozwoli dojrzeć utajone kosmiczne zjawiska Fiona Harrisem i Charles J. Hailey NIEKTÓRE SPOŚRÓD NAJBARDZIEJ OSOBLIWYCH obiektów we Wszechświe­ cie - czarne dziury, gwiazdy neutronowe, pozostałości wybuchów gwiazdo­ wych - wysyłają ogromne ilości promieniowania X. Do dziś żadna z misji NASA nie zdołała tak zogniskować wysokoener­ getycznych promieni X, by otrzymać wyraźne obrazy o wysokiej rozdziel­ czości. Po raz pierwszy ma tego dokonać wysłany na początku 2012 roku Jądrowy Układ Teleskopów Spektroskopowych (NuSTAR - Nuclear Spectroscopic Telescope Array) składający się z dwóch zwierciadeł (jedno z nich pokazano z prawej strony) oraz detektora i rozkładanego masztu. Przesyła­ ne przez NuSTAR obrazy będą 100 razy bardziej czułe od dotychczasowych, a jego rozdzielczość - porównywalna z rozdzielczością ludzkiego oka. Budowa kamery pozwalającej na rejestrację obrazów w promieniach X jest całkowicie odmienna od konstrukcji kamery optycznej. Światło wi­ dzialne odbija się od zwierciadła prostopadle - dlatego trzymamy lustro równolegle do naszej twarzy. Promienie rentgenowskie odbijają się od po­ wierzchni zwierciadła niemal równolegle do niej, tak jak kamień odbi­ jający się od wody, gdy puszczamy kaczki. Zebranie tych ślizgających się promieni wymaga układu warstw szklanych, ułożonych tak jak sterta pla­ stikowych kubków - jedna wewnątrz drugiej. Pojedyncza warstwa chwyta część przychodzących promieni X i dopiero wspólnie pozwalają wytworzyć zogniskowany obraz. Każda część układu optycznego NuSTAR składa się ze 133 koncentrycz­ nych warstw szkła o gładkości atomowej, tak gładkich, że nierówności nie przekraczają rozmiaru przestrzeni międzyatomowych. Szkło - podobnego rodzaju jak stosowane w laptopach i ekranach smartfonów - zostało po­ kryte setkami naprzemiennych warstw metalu i albo węgla, albo krzemu, w celu uzyskania odpowiedniej zdolności odbijającej. Po przygotowaniu szkła precyzyjne urządzenie mechaniczne mocuje każdy element z dokład­ nością do jednej dwudziestej grubości ludzkiego włosa. Taka aparatura wy­ daje się delikatna - ale jest tak zbudowana, by wytrzymać szarpiący start na pokładzie rakiety kosmicznej. Co znajdziemy za pomocą takiego teleskopu? Może niezwykłe obiekty, które będą wyzwaniem dla dzisiejszych teorii zjawisk kosmicznych. Do dziś astronomowie nie okazali się zbyt dobrymi prorokami. Wnioskując na pod­ stawie przeszłości, możemy przewidywać, że w przyszłości czeka nas wiele niespodziewanych odkryć. •

68 Świat Nauki, marzec 2011

Fiona Harrison jest głównym badaczem w projekcie NuSTAR, profesorem fizyki i astronomii w California Institute of Technology.

Charles J. Hailey kieruje badaniami optycznymi w projekcie NuSTAR i jest profesorem fizyki w Katedrze im. Pupina w Columbia University.

Płaszczyzna ogniskowa/ Detektory

Promieniowanie rentgenowskie

Ilustracja Brown Bird Design

marzec 2011, Świat Nauki 69

'&Z\ EL

1 W SKRÓCIE

I

Już dziś można sterować kompute­ rami oraz innymi maszynami za pomo­ cą sygnałów płynących bezpośrednio z mózgu. Egzoszkielety - protezy przywracają­ ce funkcje ruchowe całego ciała - pew­ nego dnia uzyskają bezpośrednie połą­ czenie z mózgiem. Sterowanie protezami i komputera­ mi za pomocą fal mózgowych zapo­ wiada nadejście epoki maszyn, w któ­ rej będziemy porozumiewać się za pomocą myśli.

?

Miguel A.L. Nicolelis to niekwestionowany pionier w dziedzinie neuroprotetyki. Zajmuje stanowisko Annę W. Deane Professor of Neuroscience w Duke UniversiLy, gdzie zorganizował również Center for Neuroegineering.

NEUROPROTETYKA

Umysł wyzwolony W swojej najnowszej książce pionier neuroprotetyki przekonuje, że sparaliżowani będą chodzić dzięki sterowanym falami mózgowymi egzoszkieletom, umysły połączymy w globalną sieć i będziemy „ściągać" bezpośrednio do podręcznych pamięci nasze myśli Miguel A.L. Nicolelis

T

w CIĄGU MINIONYCH 30 LAT wysyłałem artykuł do cza­ sopisma naukowego, tylekroć recenzenci prosili, żebym usu­ nął z tekstu rozważania na temat możliwości budowy inter­ fejsu sprzęgającego mózg z maszyną. Nie życzyli sobie też zwykle sugestii, że wyniki badań mogą w przyszłości posłu­ żyć do realizacji jeszcze śmielszych wizji. Prowadziłem z ni­ mi zażarte spory i marzyłem o dniu, w którym uda mi się wreszcie przedstawić moje pomysły na szerszym forum. Postęp uzyskany przez nas w pracach badawczych oznacza, że ten dzień właśnie nadszedł. LEKROĆ

Podczas gdy ja spierałem się z ultrakonserwatywnym śro­ dowiskiem akademickim, rzesze pisarzy i filmowców science fiction roztaczały niczym nieskrępowane, czasem zbyt szalone wizje. Tylko w 2009 roku na ekrany weszły dwie hollywoodz­ kie superprodukcje - Surogaci oraz Awatar lansujące stereo­ typowy obraz naukowców, próbujących podporządkować sobie świat za pomocą swoich wynalazków. W obu filmach interfejs mózg-maszyna pozwalał ludziom żyć, kochać i walczyć w alter­ natywnych wcieleniach. Na humanoidalne awatary przerzucono

Fragment na podstawie książki Miguela A L . Nicolelisa: The New Neuroscience

ofConnecting

Brains with Machines - and How lt Will Change Our Lives, która ukaże się w USA 15 marca nakładem wydawnictwa Henry Holt and Company w serii Times Books.LLC. Copyright © 2011 by Miguel Nicolelis.

Ilustracja Kenn Brown, Mondolithic Studios

niełatwe zadanie odkrywania zakątków Wszechświata i, niekiedy, unicestwienia obcych cywilizacji w imieniu swojego pa­ na - człowieka. Chciałbym przedstawić odmienną wi­ zję nadchodzącej Epoki Maszyn. Wielo­ letnie doświadczenie i przemyślenia na temat robotów sterowanych falami mó­ zgowymi (za pomocą interfejsów mózg -maszyna) pozwalają mi widzieć przy­ szłość raczej w jasnych barwach. Być mo­ że właśnie dlatego, że nic pewnego nie da się o niej powiedzieć, czuję głęboką potrzebę podkreślenia tych niezwykłych korzyści, jakie nasz gatunek odniósłby na skutek wyswobodzenia mózgu z więzów ciała. Tak naprawdę, zważyw­ szy na rozległe humanistyczne perspektywy, które powinny otworzyć się dzięki badaniom nad interfejsem mózg-maszyna, dziwi mnie wręcz, że ktokolwiek może myśleć inaczej.

Wyzwolenie mózgu z fizycznych ograniczeń ciała pozwo­ liłoby inwalidom podnieść się z wózków. Ale to nie wszystko. Rodzi się idea sieci neurospolecznych. Zapomnijmy o SMS-ach i Twitterze. W przyszłości, dzięki nowemu medium, nazywam je siecią mózgową, nasze mózgi będą komunikować się bezpo­ średnio z mózgami współpracowników za ścianą, a nawet mó­ zgami milionów ludzi na całym świecie. Flickr przejdzie do hi­ storii. Obrazy wschodu słońca albo zwycięstwa naszej drużyny

marzec 2011, Świat Nauki 71

w ogólnoświatowych rozgrywkach będą dzięki falom mózgo­ wym o częstości radiowej trafiać wprost z mózgu do kieszonko­ wej petabajtowej pamięci. ROBOT NA MIARĘ ALE DZISIEJSZE MARZENIA o skopiowaniu całego mózgu do kom­ putera i symulowaniu jego pracy nie są realne. Istoty naszej oso­ bowości - tego czegoś, co decyduje, że na przykład Nelson Mandela jest niezwykłym człowiekiem - nie da się zapisać na dysku. Jednak doświadczenia prowadzone z udziałem gryzoni, małp i ludzi dowodzą, że mózg w warunkach laboratoryjnych da się sprzęgnąć z maszyną. Opierając się na tych odkryciach, przewi­ duję fascynującą przyszłość. Prawdopodobnie w ciągu najbliższych 20 lat interfejsy mózg -maszyna, podłączone do dużych fragmentów mózgów dwu­ kierunkowe magistrale, pomogą przywrócić aktywność oso­ bom cierpiącym na poważne schorzenia neurologiczne. Można by w ten sposób pomóc milionom ludzi, którzy utracili słuch, wzrok, czucie, mowę czy zdolność chodzenia. Niewykluczone, że dodatkowo zyskaliby niezwykłą umiejętność - bezpośrednie­ go porozumiewania się za pomocą fal mózgowych. Prace międzynarodowego konsorcjum badawczego Walk Again Project, którego jestem współzałożycielem, dają pew­ ne wyobrażenie o takiej przyszłości. Inspiracją do powstałego kilka lat temu projektu było potwierdzenie przez mój zespól, że można łączyć żywe tkanki mózgu z różnymi narzędziami. Ce­ lem Walk Again Project jest opracowanie pierwszego interfejsu mózg-maszyna, pozwalającego przywrócić zdolności ruchowe pacjentom z uszkodzonym, wskutek urazu lub postępującej neurodegeneracji, rdzeniem kręgowym. Aby osiągnąć ten cel, pracujemy nad urządzeniem, które za pośrednictwem interfejsu mózg-maszyna pozwoliłoby sparali­ żowanym pacjentom sterować obejmującym cale ciało egzoszkieletem. Taki robot garnitur umożliwiałby im swobodne porusza­ nie kończynami, a jednocześnie byłby podporą dla ciała. W pracy wykorzystujemy wyniki eksperymentów neurofizjologicznych prowadzonych z udziałem rezusów i wielu innych zwierząt. W jednym z tych doświadczeń małpa o imieniu Aurora na­ uczyła się, za pośrednictwem interfejsu mózg-maszyna, stero­ wać pozycją kursora na ekranie. Wykonywała to zadanie równie naturalnie i płynnie jak wtedy, kiedy operowała joystickiem. Potem z powodzeniem powtórzyliśmy ten test z udziałem pa­ cjentów cierpiących na zaawansowaną chorobę Parkinsona. Ja­ kiś czas później małpa w moim laboratorium w Duke University nauczyła się, jak za pomocą impulsów z mózgu, transmitowa­ nych za pośrednictwem Internetu na odległość tysięcy kilome­ trów, sterować ruchem nogi robota w Japonii. Teraz rozpoczęliśmy marsz w przeciwnym kierunku - wysy­ łamy bezpośrednio do kory mózgu małpy impulsy, które mają ją poinformować, że pożywienie ukryto w tym, a nie innym pu­ dełku. W jednym z kolejnych doświadczeń chcielibyśmy nauczyć małpy wzajemnego informowania się, gdzie znajduje się jedze­ nie. Neuroprotezy nowej generacji będą wymagać dwustronnej komunikacji. Mózg posługującej się protezą osoby musi nie tylko wysłać instrukcje do bionicznej stopy, aby ta uniosła się przed kolejnym stopniem schodów, lecz także, zanim wyśle żą­ danie do drugiej stopy, otrzymać od niej potwierdzenie, że pew­ nie dotyka już podłoża. Dysponując łączami wysyłającymi i odbierającymi sygna­ ły, staniemy u progu bionicznej przyszłości. Interfejsy połączą

72 Świat Nauki, marzec 2011

Egzoszkielet - proteza umożliwiająca chodzenie osobom sparaliżowanym - prawdopodobnie pewnego dnia będzie sterowana za pomocą fal mózgowych.

mózg z najbardziej wyrafinowanymi manipulatorami robotów, jakie się dziś testuje. Ramiona i nogi będzie można dołączać do biosyntetycznego torsu równie łatwo, jak łączy się klocki LEGO. Oplatający bezładne ciało zrobotyzowany egzoszkielet będzie utrzymywał bezpośrednie połączenie z korą mózgu wła­ ściciela - centrum sterującego mózgu. Aby urzeczywistnić tę wizję, potrzebujemy jednak o wiele bar­ dziej zaawansowanych technologii. Niezbędne jest opracowanie dostatecznie gęstych matryc mikroelektrod, które będzie można bezpiecznie wszczepiać do ludzkiego mózgu w celu rejestracji aktywności elektrycznej tysięcy neuronów. Aby zastosowanie interfejsów mózg-maszyna stało się zasadne pod względem me­ dycznym, a także opłacalne, układ do wielkoskalowego zapisu aktywności mózgu musi pracować stabilnie i bezawaryjnie, bez interwencji chirurgicznej, przez co najmniej 10 lat. Na stale będą także wszczepiane projektowane na zamówie­ nie neurochipy, przetwarzające generowane w mózgu impulsy elektryczne na sygnały sterujące działaniem egzoszkieletu. Aby zmniejszyć ryzyko infekcji lub uszkodzenia kory mózgu, dane z tysięcy komórek trzeba transmitować do zewnętrznego pro­ cesora z wykorzystaniem wielokanałowej łączności bezprzewo­ dowej niskiej mocy. Procesor wielkości telefonu komórkowego będzie analizować informacje na podstawie numerycznych mo­ deli pracy mózgu i, opierając się na nich, będzie błyskawicznie wykrywał impulsy elektryczne inicjujące ruch. Zbierając dane wyjściowe dla interfejsu mózg-maszyna, trze­ ba próbkować grupy neuronów, rozproszonych w wielu obsza­ rach mózgu. Sygnały cyfrowe otrzymane dzięki analizie surowego zapisu aktywności tej części mózgu, która zawiaduje ruchem, po­ budzą siłowniki wokół przegubów egzoszkieletu. Impulsy nerwo­ we będą oddziaływać ze szkieletem, naśladując funkcje rdzenia kręgowego. Umożliwią pacjentowi wykonanie kolejnych kroków, zwolnienie lub przyśpieszenie, pochylenie się lub wejście na scho­ dy. Cały czas w tle mózg i maszyna będą prowadzić dialog. Przewiduję również umiejscowienie w różnych punktach egzoszkieletu czujników siły i naprężenia. Będą one w czasie

rzeczywistym dostarczać do mózgu pacjenta informacje zwrotne, zapewniając czucie oraz propriocepcję (świadomość względnej orienta­ cji różnych części ciała). Do kory mózgu prze­ każą je elektryczne mikrostymulatory. Innym rozwiązaniem jest optyczne pobudzanie świa­ tłoczułych kanałów jonowych rozmieszczonych bezpośrednio w korze mózgu pacjenta. Opie­ rając się na doświadczeniach prowadzonych w naszym laboratorium na małpach, przewi­ duję, że po kilku tygodniach ćwiczeń mózg pa­ cjenta zaakceptuje egzoszkielet jako naturalne rozszerzenie ciała i chory będzie mógł się swo­ bodnie poruszać.

Eksplorując świat, nasi potomkowie będą asymilować coraz to nowe narzędzia mogące ułatwić odbywanie umysłowych podróży aż wreszcie staną się one ich częścią, definiując widzenie świata i interakcje przewyższające wszystko, co potrafimy dziś sobie wyobrazić.

ZASTOSOWANIA W NEUROLOGII CZEGO MOŻEMY SPODZIEWAĆ SIĘ w ciągu naj­ bliższych kilkudziesięciu lat, jeżeli opanujemy technikę pozwalającą wykorzystywać aktywność elektryczną mózgu do komunikowania się z kom­ puterami? Niezależnie, czy będą to miniaturowe komputery oso­ biste wszczepiane być może nawet do wnętrza ciała, czy może składniki sieci rozproszonych, mających ułatwić nam „cyfrowe" kontakty społeczne, nasze codzienne życie będzie wyglądać zu­ pełnie inaczej niż dzisiaj. Na początku interakcja z systemem operacyjnym i opro­ gramowaniem komputera osobistego będzie prawdopodobnie szczególnym przeżyciem, ponieważ sama aktywność mózgu wystarczy, aby operować wirtualnymi obiektami, uruchamiać programy, robić notatki, a przede wszystkim swobodnie komu­ nikować się z innymi uczestnikami mózgowej sieci - radykalnie unowocześnionej wersji portalu spolecznościowego. Utworze­ nie przez Intel, Google i Microsoft działów zajmujących się te­ matyką sterowania mózgiem pokazuje, że ta idea nie jest czystą fantazją. Główną przeszkodą w urzeczywistnieniu koncepcji interfejsów mózg-maszyna jest jednak brak nieinwazyjnej me­ tody monitorowania aktywności mózgu. Wierzę, że w ciągu na­ stępnych 20 lat znajdziemy odpowiednie rozwiązanie. Wtedy upowszechni się to, co dziś trudno sobie wyobrazić ludzie, wcielając się w kontrolowane wyłącznie umysłem awatary i maszyny, wyruszą na podbój niedostępnych obszarów. Od głębin oceanu po okolice supernowych, a nawet przestrze­ nie międzykomórkowe własnego organizmu - człowiek wreszcie będzie mógł zaspokoić swój niepohamowany apetyt odkrywcy. To właśnie mam na myśli, mówiąc, że nasze mózgi wyzwolą się z ograniczeń niedoskonałych ciał, w których zamieszkiwały przez miliony lat, i dzięki dwukierunkowym, kontrolowanym przez umysł interfejsom pokierują miriadami nanonarzędzi, które w mikroskopijnych światach stworzonych przez naturę posłużą nam za nowe oczy, uszy i ręce. W wielkiej skali będziemy najpew­ niej zdalnie sterować naszymi emisariuszami i ambasadorami robotami i statkami powietrznymi wysyłanymi, by badać planety i gwiazdy w odległych zakątkach Wszechświata.

Eksplorując świat, nasi potomkowie będą asymilować coraz to nowe narzędzia mogące ułatwić odbywanie umysłowych po­ dróży, aż wreszcie staną się one ich częścią, definiując widzenie świata i interakcje przewyższające wszystko, co jesteśmy w sta­ nie dziś sobie wyobrazić. Ta perspektywa niezwykle mnie cieszy, a zarazem niepokoi - budzi emocje, jakich z pewnością doświad­ czał portugalski żeglarz, kiedy przed 500 laty, u kresu długiej

i ryzykownej podróży, ujrzał jasne, piaszczyste plaże Nowego Świata. Czy takie całkowite oswobodzenie mózgu zatrze albo nawet wyeliminuje nieprzekraczal­ ne kiedyś fizyczne granice definiujące ludzką istotę? Czy pewnego dnia w odległej przyszłości doświadczymy, co znaczy być częścią świadomej sieci mózgów - kolektywnie myślących zespo­ lonych umysłów? A jeżeli już stanie się ona rze­ czywistością, to czy jej uczestnicy będą się za jej pomocą tylko porozumiewać, czy też także nama­ calnie doświadczać tego, co czują inni? Mało kto by się dziś zdecydował na taką umysłową eska­ padę w nieznane, nie wiemy jednak, co wybiorą przyszłe generacje. Jeżeli założyć, że pewnego dnia te wszystkie oszałamiające scenariusze się urzeczywistnią i stan „wspólnoty umysłów" zostanie zaak­ ceptowany z etycznego punktu widzenia jako forma interakcji i współdzielenia człowieczeń­ stwa, to pojawia się pytanie, czy nasi potomkowie pewnego dnia nie odkryją, że w istocie w sposób pokojowy zapoczątkowali po­ wstanie nowego ludzkiego gatunku? Nie jest wykluczone, że na­ stępne pokolenia zdołają opanować umiejętności i technikę oraz wykształcić zasady etyczne niezbędne do powstania działającej sieci mózgowej - medium, które pozwoli miliardom ludzi na­ wiązywać bezpośrednie połączenia za pośrednictwem myśli. Jak mógłby wyglądać lub być odczuwany taki stan zbioro­ wej świadomości - tego obecnie ani ja, ani nikt inny nie potrafi sobie wyobrazić. Być może, nieoczekiwanie dla nas samych, od­ kryjemy dzięki niemu, że nikt nie jest samotny i nawet nasze najskrytsze myśli, doświadczenia, smutki, namiętności, żądze, wszystkie te najbardziej pierwotne elementy definiujące nas ja­ ko ludzi możemy dzielić z miliardami naszych braci i sióstr. Stąd już tylko krok, by wyobrazić sobie, że, gromadząc nowe zasoby wiedzy, nasi potomkowie zechcą przekroczyć kolejny Ru­ bikon i zaczną utrwalać dla przyszłych pokoleń i Wszechświata bogactwo i różnorodność ludzkiego dziedzictwa. Uważam, że te nieocenione skarby uda się zachować wyłącznie przez utrwale­ nie jedynych w swoim rodzaju bezpośrednich relacji z życia każ­ dego człowieka, przenosząc nasze wspomnienia bezpośrednio na nośniki cyfrowe. Takie działanie pozwoliłoby ochronić uni­ katowy zapis śmiertelnego bytu, który po krótkotrwałej obecno­ ści w ludzkim umyśle ginie wraz z nami nieodwracalnie, jak za­ decydowała wyjątkowo marnotrawna w tym przypadku natura. Mam nadzieję, że zanim moja kariera naukowa dobiegnie końca, dzięki odwadze myślenia te wizje zaczną się ziszczać i od obecnych badań nad sterowanym myślą komputerem przejdziemy do prac nad sterowanym falami mózgowymi egzoszkieletem, a nawet możliwością „myślowej" komunikacji. By­ łoby to wspaniałym zwieńczeniem lat poświęconych nauce, gdy­ bym mógł od dawna przygotowywaną uprzejmą odpowiedź dla zgryźliwego recenzenta przekazać wprost do ośrodka słuchowe­ go jego kory mózgu. •

JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ Łamanie kodu neuronalnego. Miguel A l . Nicolelis i Sidarta Ribeiro; Świat Nauki, s. 34-41; Ul/2007. Roboty sterowane umysłem. Miguel A l . Nicolelis i John K. Chapin; Świat Nauki, s. 26-33; XII/2002.

marzec 2011, Świat Nauki 73

Lee Dugatkin jest autorem ponad 125 publikacji naukowych na temat ewolucji zachowań społecznych. Swoje badania prowadzi na University of Louisvil!e.

HISTORIA

NAUKI

Jak Thomas Jefferson obalał mit o zdegenerowanej Ameryce stworzony przez europejskich przyrodników Lee Dugatkin

Z

ASŁYNĄŁ JAKO AUTOR preambuły do Deklaracji Niepodległości Stanów Zjedno­ czonych. W 1801 roku został trzecim prezydentem kraju i wprowadził zmiany, które nazywał „Rewolucją 1800". Ale Thomas Jefferson byl także naukowcem. Dlatego właśnie mnóstwo czasu i energii poświęcił na obalenie rozpowszech­ nionego w Europie mitu o zdegenerowaniu Ameryki, widocznym rzekomo w słabości i skarleniu jej fauny, flory i tubylczej ludności. Jego wysiłki były nie tylko kwestią narodowej dumy. Jefferson oraz inni założyciele republiki uważali dowiedzenie tego za niezbędne do zapewnienia wzrostu i dobrobytu nowego państwa. Sprawa była na tyle istotna, że nowojorski senator Samuel Latham Mitchill wspomniał o niej w mowie pogrzebowej, którą wygłosił nad grobem Jeffersona w 1826 roku. Przyrównał wtedy jego kam­ panię do powtórnego ogłoszenia niepodległości. Kluczowym argumentem w tej walce byl okaz amerykańskiego łosia.

BUFFONA KONCEPCJA DEGENERACJI EUROPEJSKIE PRZEKONANIE o niższości Ameryki w znacznej mierze ukształtował najbardziej wpły­ wowy przyrodnik XVIII wieku, i prawdopodobnie najsłynniejszy naukowiec swoich czasów, Georges-Louis Leclerc, znany jako hrabia Buffon. Napisał on 36-tomową Historię naturalną, do dziś uważaną za arcydzieło. Chciał w niej przekazać „ścisły opis oraz prawdziwą historię każdej rze­ czy" na Ziemi. Praca ta okazała się ogromnym sukcesem, inspirowała konwersacje prowadzone w salonach Paryża i została przetłumaczona na języki angielski, niemiecki oraz niderlandzki. W tomach 9. i 14. Historii naturalnej Buffon przekonuje, że większość zwierząt, a także ludzi żyjących w obu Amerykach ma mniejsze rozmiary niż mieszkańcy Starego Świata. Echa tego po­ glądu pobrzmiewają do dziś. W wydanej w 2005 roku książce The American Enemy: The History of French Anti-Americanism (Amerykański nieprzyjaciel: Historia francuskiego antyamerykanizmu) Philippe Roger twierdzi, że francuskie podejście do Ameryki „narodziło się i było głoszone w kręgach filozoficznych" skupionych wokół Buffona, W SKRÓCIE

|

Europejscy przyrodnicy pod wodzą

Thomas Jefferson zaatakował tę teorię,

Okaz ogromnego fosia był kluczowym

hrabiego Buffona stworzyli wizerunek

obawiając się, że może ona wstrzymywać

dowodem mającym zdaniem Jefferso­

biologicznej degeneracji Ameryki, gdy

ekonomiczne i kulturowe dojrzewanie kon­

na skłonić Buffona do odwołania teorii

ta właśnie walczyła o swoja, wolność.

stytuujących się Stanów Zjednoczonych.

degeneracji.

74 Świat Nauki, marzec 2011

marzec 2011, Świat Nauki 75

Przyczyna degeneracji amerykańskiej przyrody: ponoć chłodniejszy i wilgotniejszy klimat. Wyjątki: Buffon byl skłonny uznać, że żaby (rzekomo osiągające masę 16 kg) oraz owady były w Ameryce większe. Jednak te przykłady tylko umacniały twierdzenie o degeneracji, ponieważ cóż mogłoby być bardziej odrażające od ogromnego plaża lub wielkiego komara? Buffon przedstawił cztery twierdzenia. Spo^ śród zwierząt zasiedlających obie półkule osobniki z Nowego Świata są mniejsze i słabsze. Gatunki spo­ Hrabia tykane tylko tam są nieco mniejsze niż im podobne zamieszkujące wyłącznie Stary Świat, Ponadto wNowym Świecie żyje mniej gatunków i wreszcie Nowy Świat powo­ duje degenerację zwierząt hodowlanych. Czytelnicy Historii naturalnej dowiadywali się, że owce hodo­ wane w Nowym Świecie były „zwykle chudsze, a ich mięso mniej soczyste i delikatne niż tych z Europy", w Nowym Świecie jest o po­ łowę mniej gatunków niż w Starym, a w dodatku stanowią one dość bezładną mieszaninę. Buffon twierdził nawet, że większość amerykańskich ptaków nie potrafi śpiewać, a wywnioskował to z wersu opublikowanego w 1770 roku wiersza Ołivera Goldsmitha „Wieś opuszczona": „Ptakwzżólkłych lasach pieśni zapomina tkliwych,/Niemy Nietoperz w stadach trzyma się leniwych" *. Rozprawiwszy się ze zwierzętami, ząjąl się rdzenną ludnością. Indianie amerykańscy nie mieli „ani rzeskości, ani aktywności umysłu" i byli „swego rodzaju słabowitymi automatami, niezdol­ nymi do ulepszania zamiarów [Natury] lub ich zastąpienia [wła­ snymi]". Tym samym stali się odpowiedzialni za kiepską formę po­ zostałych mieszkańców Nowego Świata. Buffon tłumaczył, że - nie umiejąc okiełznać przyrody - tubylcy nie zdołali również stworzyć środowiska sprzyjającego powstaniu zdrowszych okazów fauny. Buffon nigdy nie opuścił Europy. Polegał jedynie na publi­ kacjach przyrodniczych i opowieściach innych. Zarówno wśród podróżujących w interesach, jak i wśród misjonarzy, powszech­ ną praktyką było sporządzanie notatek na temat napotykanych zwierząt, zwłaszcza jeśli były to nieznane wcześniej gatunki. Hra­ bia porównywał notatki podróżników, wydobywał interesujące elementy i tworzył z nich ogólne opisy. Ten system miał oczywiste wady, co przyznawał sam Buffon - niektóre zapiski były zwykłym fantazjowaniem. Na przykład niejaki Peter Kaim, wysiany przez Akademię Szwedzką z misją badania przyrody Ameryki, widział rzekomo, jak niedźwiedź zabił krowę, wgryzając się w jej skórę i nadmuchując przez kłutą ranę dopóty, dopóki ofiara dosłownie nie pękła. Na tle takich wymysłów mniej zdumiewające historie były łatwe do zaakceptowania i wiele z nich Buffon wykorzystał w Historii naturalnej jako prima facie dowody na degenerację. NIEME NIE TYLKO PTAKI INTELEKTUALNI SPADKOBIERCY Buffona, tacy jak opaci Cornelius de Pauw z Prus czy Guillaume-Thomas Raynal z Francji, uważali, że degeneracja Nowego Świata jest całościowa. Buffonowi zarzu­ cali jedynie, że jego twierdzenia nie były dość śmiałe. Przytacza­ ną przez niego argumentację rozszerzyli na wszystkich Amery­ kanów, także na imigrantów z Europy i ich potomków. De Pauw, nie bacząc na fakty, twierdził nawet, że amerykańskie psy były „całkowicie nieme". Taka propaganda wynikała zapewne z po­ budek osobistych - był zaufanym Fryderyka Wielkiego, któremu zależało na zniechęcaniu Prusaków do emigracji za ocean.

76 Świat Nauki, marzec 2011

Raynal to osobowość bardziej złożona i darzona większym szacunkiem niż de Pauw. W swoim ośmiotomowym dziele Historia filozoficzna i polityczna kolonii i handlu Europejczyków w Indiach Wschod­ nich i Zachodnich napisał: „Nie dziwota, że Ameryka nie wydała potąd ani dobrego poety, ani zdolnego matematyka, ani geniu­ sza w jakiejkolwiek z dziedzin sztuki lub na­ uki". Potrafił jednak zrewidować swoje poglądy. Tak stało się po wieczorze spędzonym w towarzy­ stwie Benjamina Franklina oraz kilku innych Fran­ Buffon cuzów i Amerykanów pod koniec lat sześćdziesią­ tych XVIII wieku. Franklin był oczywiście światowej sławy naukowcem, a jego publikację o eksperymentach z piorunami, wydaną przez Towa­ rzystwo Królewskie w 1752 roku, od razu zaliczono do klasyki. Na poczekaniu więc zaimprowizował test weryfikujący wpływ Nowego Świata. Jefferson w swoim liście tak przedstawił ten epi­ zod, którego opis usłyszał bezpośrednio od Franklina: „[Raynal] wdał się w dowodzenie swej ulubionej teorii o degeneracji zwie­ rząt, a nawet ludzi, w Ameryce". Franklin spostrzegł, że Amery­ kanie siedzieli po jednej stronie stołu, a Francuzi - po drugiej. „Niech wszyscy wstaną - powiedział - i zobaczymy, z której stro­ ny natura się zdegenerowała". Amerykanie, co do jednego, oka­ zali się wyżsi, sam zaś opat, według słów Jeffersona, był „nieledwie krewetką". (Inny z obecnych na spotkaniu Amerykanów stwierdził, że każdy z nich mógłby z łatwością wyrzucić jednego, a może nawet dwóch, Francuzów przez okno.) Mimo to Raynal bez zmian opublikował pierwsze wydanie swojej Historii filozoficznej i politycznej. Przy trzecim wydaniu wyrzekł się jednak wcześniejszych poglądów. Niestety, idee te zdążyły się już silnie zakorzenić w umysłach Europejczyków. JEFFERSON PODEJMUJE WYZWANIE OJCOWIE ZAŁOŻYCIELE doskonale znali dzieła Buffona. Czym innym było nazywanie Amerykanów przez Europejczyków, a zwłaszcza Francuzów, parweniuszami, malkontentami i zagro­ żeniem dla monarchii, co nie odbiegało daleko od prawdy, a zu­ pełnie czym innym twierdzenie, że wszelkie formy życia w Ame­ ryce, łącznie z rdzennymi mieszkańcami i imigrantami z Europy, są zdegenerowane. Jefferson, największy frankofil wśród założy­ cieli, podjął się obalenia tez Buffona i jego zwolenników. Prze­ rodziło się to niemal w obsesję tego pełnego pasji przyrodnika, który niegdyś pisał do swej córki Marthy: „Nie ma nawet źdźbła trawy, którego kiełkowanie by mnie nie zainteresowało". Zaatakował Buffona przytłaczającą liczbą faktów. W swoich Notatkach o stanie Wirginia, spisanych wówczas, gdy byl jego gubernatorem, poświęcił najdłuższy rozdział na „rozmontowa­ nie", punkt po punkcie, teorii degeneracji. Przedstawił zesta­ wienia wielkości zwierząt i argumentował, że idee Buffona były koncepcyjnie niesolidne, a informacje otrzymywane od podróż­ ników - niedokładne. Jaki jest dowód, że środowiska Starego i Nowego Świata tak się różnią? „Czyż obie strony nie są ogrzewane przez to samo ożywcze słońce; czy gleba o tym samym składzie chemicznym jest mniej zdolna do wypracowania pożywienia dla zwierząt; czyżby owoce i ziarna z tej gleby i słońca (...) nadawały stałym i płynnym częściom ciała mniejszą rozciągliwość albo wcześniej powodowa­ ły ową sztywność w chrząstkach, błonach i włóknach, która ogra-

nicza dalsze rozciąganie i zatrzymuje wzrost dło - napisał do przyjaciela - więc ten rozdział zwierzęcia?" Prawda - pisał Jefferson - „jest historii naturalnej pozostanie na razie czystą kartą". Jefferson nie wiedział jednak wów­ taka, że i Pigmej, i mieszkaniec Patagonii, i mysz, i mamut zawdzięczają swe rozmiary czas, że Sullivanowi udało się odzyskać zgubę tym samym sokom odżywczym". i wysiać ją innym statkiem. Łoś dotarł do Pa­ ryża w początkach października 1787 roku. Jefferson nie byl jedynym z ojców założy­ Jefferson byl zachwycony. Chciał osobiście cieli, który rzucił się do walki. John Adams na­ zawieźć łosia do Buffona, lecz ten chorował zwał pomysły de Pauw „nikczemnymi mrzon­ i nie przyjmował gości. Wysłał więc zwierzę kami". Franklin nie poprzestał na demonstracji do jego asystenta. Hrabia musiał je zobaczyć, podczas pamiętnego przyjęcia i dyskutował z ar ponieważ Jefferson zapisał, że „przekonało pana gumentem o wilgotności. Jako znakomity podróżnik Buffona. Obiecał w swym następnym tomie przed­ i świadomy zbieracz danych w 1780 roku podkreślił, stawić sprawy tak, jak mają się w rzeczywistości". że wilgotność, rzekoma przyczyna degeneracji, jest Thomas Jefferson Jednak sześć miesięcy później hrabia już nie żył w rzeczywistości wyższa w Europie niż w koloniach. Alexander Hamilton, obawiając się przede wszystkim, że teo­ i żadna rewizja jego teorii nie została opublikowana. Historia ria degeneracji zaszkodzi wymianie handlowej, bronił Ameryki naturalna miała już na zawsze rozpowszechniać teorię degene­ na łamach Federalist Papers: jedynym przypisem w 11. nume­ racji Nowego Świata. rze pisma jest polemika z absurdalnym twierdzeniem de Pauw o nieszczekających psach. ZMIERZCH I DZIEDZICTWO TEORII Następca Jeffersona na stanowisku prezydenta James Madison IDEA NIŻSZOŚCI AMERYKI, modyfikowana, ewoluowała jeszcze wcielił się nawet w rolę asystenta naukowego. Swój list do Jeffer­ przez co najmniej 60 lat, zanim obumarła, pozostawiwszy jedynie sona z czerwca 1786 roku zakończył omówieniem łasic, załączając suchą skorupę ogólnego antyamerykanizmu. Utworzyły się dwie pomiary wykazujące, że gatunek amerykański i jego europejski frakcje. Filozof Immanuel Kant i poeta John Keats całkowicie odpowiednik mają jednakową wielkość. Madison pisał do swo­ zaakceptowali teorię degeneracji. Ten drugi wymieniał Amerykę jego mentora, że odkrycie to „z pewnością przeczy twierdzeniu jako jedyne miejsce, gdzie „wspaniała i nieomylna Natura wydała [Buffona], że wśród zwierząt pospolitych na obu kontynentach, te się zbłądzić". Niemiec zaś, z zadziwiającym brakiem logiki, pisał z nowego są pod każdym względem mniejsze od tych ze starego". o de Pauw, że „nawet jeśli dziewięciu dziesiątych zgromadzonych Walka z Buffonem była zdaniem obu sprawą wagi państwowej. przez niego materiałów nie poparto dowodami bądź okazały się one błędne, sam wysiłek intelektualny zasługuje na pochwalę i naśladownictwo, ponieważ zmusza do myślenia". ODPOWIEDŹ: ALCES ALCES JEFFERSON UWAŻAŁ, że metodyczna krytyka teorii degeneracji Jeffersona tymczasem wsparli pisarze, m.in. Lord Byron, Wa­ w Notatkach o stanie Wirginia sprawi jedynie, że ludzie odrzu­ shington Irving oraz Henry David Thoreau, a także geograf Jedicą jego niepoparte dowodami koncepcje. Chciał więc przekonać diah Morse (ojciec Samuela, wynalazcy telegrafu). Byron nazy­ samego Buffona, żeby publicznie odwołał swoją tezę. Dlatego też wał Amerykę „wspaniałą krainą." Irving wyśmiał teorię Buffona przed wyjazdem do Francji (w charakterze ambasadora) posta­ w The Sketchbook of Geoffrey Crayon, pisząc: „odwiedzę ten nowił pokazać francuskiemu luminarzowi amerykańskie zwie­ kraj cudów [Europę]... i zobaczę ową gigantyczną rasę, której rzę o na tyle imponujących rozmiarach, by zmusić go do zmiany jestem zdegenerowanym potomkiem". Thoreau przeciwstawił się opisom Buffona dotyczącym „tej części świata i jej wytwo­ opinii. Wybór padł na łosia Alces alces. Jefferson rozpoczął poszukiwania odpowiedniego okazu, wy­ rów" w eseju Walking, Morse zaś skrytykował teorię degeneracji syłając do swych przyjaciół zawierającą 16 pytań ankietę doty­ na początkowych 10 stronach podręcznika geografii, z którego czącą obyczajów, rozmiarów i historii naturalnej amerykańskich uczyły się pierwsze pokolenia dzieci w USA. łosi. Jasno dal do zrozumienia, że będzie bardzo wdzięczny za do­ W odpowiedzi na pomówienie Nowego Świata o małość pi­ starczenie szkieletu gigantycznego osobnika. John Sullivan, ge­ sarze ci przedstawili jej przeciwieństwo, opisując Amerykę jako nerał podczas rewolucji amerykańskiej i gubernator New Hamp- krainę piękną, ogromną i zasobną w bogactwa, zamieszkiwaną shire, zareagował entuzjastycznie i przystąpił do działania. przez silnych, odważnych, energicznych indywidualistów. Stąd Po przyjeździe do Francji Jefferson wywalczył zaproszenie zapewne wywodzi się dzisiejsza amerykańska tożsamość, a tak­ na spotkanie z Buffonem. Dyskutowali na różne tematy, rów­ że reakcja reszty świata na ten autoportret - z gwałtownego nież o teorii degeneracji, a Amerykanin oświadczył, że euro­ protestu Jeffersona oraz jego towarzyszy i następców przeciwko • pejski „renifer mógłby przejść pod brzuchem amerykańskiego". koncepcji biologicznej degeneracji Ameryki. Wychodząc, odniósł wrażenie, że słynny przyrodnik „odrzuciłby kwestię" degeneracji, gdyby tylko zobaczył ogromne zwierzę. * 01iver Goldsmith (1730-1774) „Wieś opuszczona" (1770 rok, wydanie polskie W końcu, zimą 1786-1787, Jefferson otrzymał dobre wie­ 1806 rok, przekład Ludwik Kamiński). Buffon miał się oprzeć na zawartym tam opisie Georgii (choć poemat jest inspirowany zniszczeniem wsi brytyjskiej). Jed­ ści: Sullivan zdobył szczątki łosia od kapitana Colburna, który nak Goldsmith nigdy nie opuścił Europy, byl więc wyjątkowo marnym źródłem w Vermont ubił okaz mierzący ponad 2 m. Po dwóch tygodniach wiedzy o Ameryce (przyp. tłum. i red.). zdobycz była już w domu Sullivana, Gubernator umówił następ­ nie kapitana statku, aby ten zabrał łosia przy okazji swej naj­ JEŚLI CHCESZ W I E D Z I E Ć WIĘCEJ bliższej podroży przez ocean. Mr. Jefferson and the Giant Moose: Natural History in Early America. Lee Alan Dugatkin; UniWszystko przebiegało zgodnie z planem, ale z niewiadomych versity of Chicago Press, 2009. powodów łoś pozostał w porcie. Zdenerwowany Jefferson uznał, The American Enemy: The History of French Anti-Americanism. Philippe Roger; University of że starania poszły na marne. „Skrzynia, kości i wszystko przepa- Chicago Press, 2005.

marzec 2011, Świat Nauki 77

UlTiyst Problem

giętki

Marek Penszko Marek Penszko, z wykształcenia inż. poligrafii, jest

Flawiusza

znawcą i popularyzatorem gier i rozrywek umysłowych, "' głównie matematyki rekreacyjnej. Współpracuje

•**

z wieloma czasopismami, m.in. pisze blog dla Polityki.

O Wandzie, co chciała Niemca, i Józefie, który chciał przeżyć Na kogo wypadnie, na tego bęc? Los wcale nie musi być ślepy „Córko moja - rzekł Krak do księż­ niczki Wandy - chodzą słuchy, żeś dojrzała do zamęścia, powiedz za­ tem, kogo chciałabyś poślubić". „Niemca bym chciała, Niemca" wypaliła, płoniąc się, Wanda, „Niemca? - zdziwił się i zafrasował stary ojciec. - A czemuż to?". „A bo tak..." - mruknęła księżnicz­ ka i pokraśniała jeszcze bardziej. To przekonało Kraka, więc kazał słać do ościennego kraju heroldów z wieścią o księżniczce na wydaniu z sowitym posagiem w po­ staci kawałka włości. Wyznaczonego dnia w książęcym zamku zjawiło się kilkunastu grafów, aby najpierw bliżej zapoznać się z ofertą, a potem stanąć w szranki o rękę panny, choć dokład­ nie nie wiedziano, jak by to miało wyglądać. Książę powitał gości z należytymi honorami i uroczyście za­ prosił ich na ucztę. Wszyscy zasiedli przy okrągłym stole w to­ warzystwie Kraka. Jedno miejsce pozostało wolne - czekano na spóźniającą się Wandę. Ponieważ stół uginał się od dymią­ cych potraw i trunków, a księżniczka nie nadchodziła, zaczę­ to jeść i pić. Po godzinie biesiadowania i zachwytów nad me­ nu, gdy rozochoconym grafom świeciły się gęby od tłuszczu, zaś oczka od alkoholu, nagle zamilkła kapela. Zapadła cisza, a do sali wtoczyła się księżniczka, szczerząc ząbki, nieliczne, niestety, w szerokim uśmiechu. Jedni goście zakrztusili się, inni z trudem przełknęli kolejny kęs, wszystkim odebrało apetyt, a kilku wstało i chciało wyjść, ale książęcy wojowie wyrośli nagle jak spod ziemi i zastąpili im drogę.

Zadania z wyliczankami należą do naj­ starszych, najpopularniejszych, najtrud­ niejszych i najbardziej... niepoprawnych politycznie w matematyce rekreacyjnej. Znane były już w średniowieczu jako Ludus Sancti Petri, czyli „gra świętego Piotra". W najczęściej spotykanej wersji liczbowej z grupy złożonej z 15 osób złych i 15 - dobrych należało usunąć wszystkie złe. Z pomocą przychodził święty Piotr, który radził, aby ustawić wszystkich w kole i odliczać do dziewięciu, eliminu­ jąc każdego co dziewiątego. Wskazywał

78 Świat Nauki, marzec 2011

„O nie, panowie grafowie - rzekł Krak - moja córka chce Niemca i bę­ dzie go miała! Siadać mi tu wszyscy i stawać w szranki. Kto ma wyjść, opu­ ści to miejsce za chwilę, ale jeden zo­ stanie. Ty, córeczko, też spocznij". Wanda, łypiąc okiem na absztyfikantów, usiadła na krześle obok Kraka, który kontynuował: „Teraz będą szranki - wyliczanki. Zaczynamy od waszmości, siedzącego po lewej od mojej córeczki. Liczymy do trzech w kółko tak, jak poruszają się wskazówki zegara, Ja i moja córka jesteśmy przy liczeniu pomijani. Każdy co trze­ ci wstaje i wychodzi. Kto zostanie, ten dostąpi zaszczytu poślu­ bienia Wandzi. Zaczynamy. Chwileczkę..." Księżniczka szarpnęła ojca za rękaw, nachyliła się ku niemu i szepnęła: „Tatko, tak to zostanie ten stary łysy, a ja bym chciała tego młodego blondyna, co siedzi kolo miski z ćwikłą". Krak myślał przez chwilę, po czym ogłosił: „Drobne zmiany - ja i moja córka także będziemy liczeni, a zaczynamy od Wandzi". Wyliczankę zakończono, gdy przy stole pozostały trzy osoby - Krak, Wanda i blondyn, który dziwnie pobladł. Książę i księż­ niczka nie wstali od stołu nie tylko dlatego, że nie byli grafami. Po prostu w trakcie odliczania na żadne z nich nie padło „trzy". Ilu grafów przybyło do zamku i na którym miejscu, licząc Wandę jako pierwszą, siedział jej wybranek oraz czy zmiana sposobu odliczania była rzeczywiście konieczna? To pierwsze zadanie konkursowe.

także (w rozwiązaniu), w jakiej kolejności powinni stać dobrzy i źli, aby tylko źli od­ padli. Niestety, w średniowieczu dobrymi bywali z reguły chrześcijanie, złymi - Ży­ dzi, a eliminacja polegała na pozbawia­ niu ich życia. Ciekawe, że w najstarszym znanym przykładzie takiego zadania (manuskrypt z IX wieku, znajdujący się we Francuskiej Bibliotece Narodowej) dobrzy są Biali, a źli - Czarni. Później złych utożsamiano, zależnie od okolicz­ ności, z różnymi nacjami. Od XII wie­ ku znana jest wersja z akcją na pokła­

dzie statku - złych wyrzucano za burtę, a od XVI wieku najczęściej byli nimi Tur­ cy. Niestosowność formy zaczęto dostrze­ gać dopiero w wieku XX, choć nietrudno jej uniknąć. Dziś publikacja zadania ze „złą nacją", zwłaszcza bez komentarza historycznego, prowadzi do skandalu, co przed kilku laty zdarzyło się w Polsce przy okazji popularnego konkursu dla młodzieży „Kangur Matematyczny". Na przełomie XV i XVI wieku wioski mnich i matematyk Luca Paciołi jako pierwszy zaproponował zmianę odli-

Rysu liki Marek Penszko

Umysł giętki czania w grupie 30 osób z „do 9, koniec na 15" na „do 9, koniec na 2 lub 1", czy­ li założył, że tylko dwie osoby lub jed­ na spośród nich zasługują na ocalenie. Zauważył też, że nic nie stoi na prze­ szkodzie, aby eliminować na przykład co siódmego, szóstego itd., natomiast liczba delikwentów również może być dowolna. W 1539 roku Girolamo Cardano, wioski matematyk, astrolog i lekarz, powiązał to zadanie ze zdarzeniem opi­ sanym w I wieku przez historyka Józefa Flawiusza w dziele Wojna żydowska. Rzymianie wyśledzili ukrytą w jaski­ ni grupę 41 żydowskich powstańców. Jednym z nich, dowódcą, byl Flawiusz. Aby nie zginąć z ręki wroga, otoczeni zdecydowali się popełnić samobójstwo. Flawiusz, uważając, że byłby to ciężki grzech, nakłonił ich, aby ciągnęli losy, a każdy następny wylosowany zabijał poprzedniego, samobójstwo zaś popeł­ niłby tylko ostatni. I „tak zrządził los albo opatrzność boża", że obaj, którzy po­ zostali, wybrali życie, oddając się w ręce Rzymian, a ci ich nie zgładzili. Jednym z ocalonych był Józef Flawiusz. Cardano zasugerował, że to nie los ani opatrzność, tylko spryt i obłuda ocaliły dowódcę. Flawiusz zaproponował bo­ wiem, aby wszyscy utworzyli krąg i roz­ poczęli wyliczankę do trzech, zabijając każdego co trzeciego. Wskazał także oso­ bę, od której zaczęto liczenie, taką, by sa­ memu dotrwać do końca. Zadanie Cardano, nazwane później problemem Józefa Flawiusza, w ogólnej postaci brzmi zwykle tak: poruszając się w kierunku zgodnym z ruchem wskazó­ wek zegara po okręgu utworzonym z n ponumerowanych elementów, usuwamy - zaczynając od pierwszego - co k-ty ele­ ment dotąd, aż pozostanie jeden; należy określić numer p tego ostatniego „ocalo­ nego" elementu. Gwoli jasności zaczniemy od przykła­ du: n = 13, k = 2 (rys. la). Eliminowany-

ROZWIAZANIE ZADAŃ Z NUMERU STYCZNIOWEGO 1. Ósme ogniwo oznaczone było liczbą 14. Numery wszystkich kolejnych ogniw: 18-7-9-16-20-5-11-14-22-3-1-8-17-19-6-10-15-21-4-12-13-23-2 lub 18-7-9-16-20-5-11-14-2-23-13-12-4-21-15-10-6-19-17-8-1-3-22. 2. Rozwiązanie krzyżówki liczbowej przedstawia poniższy rysunek

1 9 6 6 2 5 4 4 1 3 2 4 3 7 1 6 9 8 4 1 8 3 7 8 4 7 2 9

•

n

n

Za poprawne rozwiązanie obu zadań nagrodę, książkę lana Stewarta Listy do młodego matematyka, ufundowaną przez wydawnictwo Prószyński Media, otrzymują: Paweł Kram z Wolczkowa, Sławomir Niedziński z Teresina, Krystyna Wirkus z Torunia, Marzena Sosna z Jankowie, Lidia Dębowska z Warszawy.

mi kolejno elementami (czerwone; małe cyfry oznaczają kolejność ich usuwania) są na pierwszym okrążeniu 2, 4, 6, 8,10, 12 (rys. Ib), na drugim 1, 5, 9,13 (rys. lc), a na trzecim 3, 7 (rys. Id); nietknięte po­ zostaje 11. Cały ciąg kolejno usuwanych liczb, łącznie z ostatnią nieusuniętą - 2, 4, 6, 8, 10, 12, 1, 5, 9, 13, 3, 7, 11 - tworzy tzw. permutację Flawiusza (dla określo­ nych wartości n i k). Najistotniejsze w problemie jest zna­ lezienie wzoru ogólnego, określającego zależność p od n i k, czyli p = f (n, k). Inaczej mówiąc, chodzi o to, by Flawiusz mógł bez kłopotu ujść z życiem niezależ­ nie od tego, z iloma towarzyszami znaj­ dzie się w opresji, stając w kręgu na do­ wolnym miejscu i wskazując początek wyliczanki, po wcześniejszym ustaleniu, co który delikwent będzie ginął. Wbrew pozorom zagadnienie jest zaskakująco trudne, bo choć w konkretnej wyliczan­ ce można łatwo zauważyć regularności, to po uogólnieniu sprawa mocno się komplikuje. Nawet jeśli będzie ono czę­ ściowe, czyli przyjmiemy jakąś wartość Je, a tylko n będzie zmienną, to znalezie­ nie prostej zależności ogólnej będzie ła­ twe tylko dla k = 2.

Aby określić taką zależność \p = f (/?, 2)], warto zacząć od zastanowienia się, czy są takie n, przy których wskazanie p jest trywialne. Zdarzyłoby się tak na przy­ kład wówczas, gdyby każde okrążenie było pełne, a więc kończyło się usunię­ ciem ostatniego w nim elementu. Wtedy do końca przetrwałby ten, od którego rozpoczęto odliczanie, czyli p = 1. Tak będzie w przypadku n = 1, 2, 4, 8, 16, 32..., czyli dla potęg dwójki (2"). A jak zmienia się p dla n zawartych w prze­ dziale między 2" a 2"+I? Po uzupełnieniu o d elementów okręgu złożonego z n = 2" (I < d < 2" +1 - 2") p przesunie się „zega­ rowo" o 2d, ponieważ: - po wyliczeniu i usunięciu d elemen­ tów pozostanie n równe 2 a , czyli trywial­ ny układ, w którym następny element, liczony jako „raz", będzie p; - numery usuniętych d elementów są kolejnymi liczbami parzystymi. Stąd wzór końcowy: p = 2d +1, gdzie d jest różnicą między n a największą potę­ gą dwójki mniejszą od n. Gdyby więc 41 powstańców skorzy­ stało z wyliczanki do 2, to Flawiusz, chcąc ocalić życie, stanąłby na miejscu 2 x (41 - 25) + 1 = 19.

Rys. 1

marzec 2011, Świat Nauki 79

Umysł giętki Wydawałoby się, że w podobny sposób można poradzić sobie z wzorem dla k = 3, czyli rozpocząć od trywialnego przypadku i uzależnić od niego pozostałe. Niestety, dla k > 2 ta metoda nie działa. Dlaczego? To zadanie do samodzielnego przemyślenia, Istnieje natomiast inny sprytny i skuteczny, choć nie tak uni­ wersalny, sposób oparty na zależności rekurencyjnej. Wróćmy do Flawiusza, który tuż przed rozpoczęciem wyli­ czanki tkwi w kole jako 31. (takie jestp dla n = 41 i k = 3), gdy nagle z głębi jaskini wychodzi jeszcze jeden powstaniec i dołą­ cza do kola. Co robi Flawiusz, by przeżyć? Cichaczem przesu­ wa się o trzy miejsca w lewo. Łatwo wyjaśnić, dlaczego. Gdy n zwiększa się o 1, to p wzrasta o k, ponieważ po pierwszym od­ liczeniu o k powstanie sytuacja taka, jak przy 41 powstańcach. Ogólnie i „wzorowo": p (n + 1, k) = [p (n, k) + k] (mod n + 1) albo jeszcze ogólniej: p (n + x, k) = [p (n, k) + kx] (mod n + x). Jeśli zatem przy ustalonym k znamy wartość p dla n, to bardzo łatwo możemy obliczyć p dla n + x. Na przykład: do jaskini dociera jeszcze siedmiu delikwentów, wówczas p (48, 3) = (31 + 3 x 7) (mod 48) = 52 (mod 48) = 4. Inna sytuacja: powstańców w kole nie przybywa, natomiast większość w ostatniej chwili decyduje, by zgładzać co czwar­ tego. Wtedy Flawiusz, który byl przygotowany na k = 3, staje gdziekolwiek i... zaczyna się modlić o ocalenie albo wyjmuje kartkę, ołówek i usiłuje robić wyliczankę teoretyczną (ustalił­ by, że p = 11), ale wtedy praktycznej raczej by nie doczekał, bo jego towarzysze pojęliby, co się święci. A kłopot stąd, że nie jest znana prosta zależność między p (n, k + 1) ap (n, k). Problem Flawiusza rodzi wiele ciekawych zagadnień związa­ nych z kombinatoryką i prawdopodobieństwem. Na przykład załóżmy, że dla n = 41 wartość k byłaby w ostatniej chwili loso­ wana spośród wszystkich od 1 do 41. Na którym miejscu powi­ nien wówczas stanąć Flawiusz, aby mieć największą, choć i tak skromną, szansę na przeżycie? Okazuje się, że na 12. lub 25., bo takie p występują najczęściej - trzykrotnie: p = 12 dla k = 9, 25 i 35; p = 25 dla k = 15,18 i 19. Na koniec drugie i trzecie zadanie konkursowe. 2. Jeśli k = 1, to kolejność usuwania elementów jest zgod­ na z ich numeracją: 1, 2, 3, 4, 5... Taka sama kolejność będzie również w przypadku innej wartości k. Jakiej? Chodzi o wzór ogólny - k = i(n). 3. Załóżmy, że wartość k jest zmienna w tej samej wyliczan­ ce - zaczyna się od k = 0 i z każdym „skokiem" wzrasta o je­ den. Kolejno wyliczane są więc elementy: 1, 2, 4, 7,11..., ale nie są usuwane, tylko znakowane i liczone ponownie w kolejnych okrążeniach. Nie mogą jednak być wyliczane jako fc-te i zna­ kowane ponownie - jeśli tak wypadnie, następuje koniec wy­ liczanki. Dla jakich wartości n (także chodzi o wzór ogólny) oznakowane zostaną wszystkie elementy? • Spośród osób, które rozwiążą przynaj­ mniej dwa zadania konkursowe, wyłonimy pięciu zwycięzców i nagrodzimy ich książką Histerie matematyczne. Gry i zabawy z ma­ tematyką lana Stewarta. Nagrodę ufundo­ wało wydawnictwo Prószyński Media. Rozwiązania prosimy nadsyłać do 31 marca 2011 roku pocztą elektroniczną ([email protected]), wpisu­ jąc w temacie e-maila hasło UG03, łub łistownie: Świat Na­ uki, uł. Garażowa 7, 02-651 Warszawa. HISTERIE MATEMATYCZNE

Głos sceptyka •-

—

Michael Shermer jest wydawcą czasopisma

Michael Shermer

Racjonalne spojrzenie na świat

Skeptic (www.skepticcom). Jego kolejna książka nosi tytuł The Believing Brain. Jest obecny na Twitterze jako @michaelshermer.

Houdini uczy sceptycyzmu Zanim orzekniecie, że coś jest nie z tego świata, upewnijcie się, czy aby naprawdę Sir Arthur Conan Doyle był genialnym autorem szalenie po­ czytnych opowieści kryminalnych o Sherlocku Holmesie, w któ­ rych rozum i logika triumfują nad przesądami i myśleniem ma­ gicznym. Niestety, nie wykazał się on równą wnikliwością jak bohater jego książek wobec bujnie krzewiącego się na początku XX wieku spirytyzmu. Ślepo wierzył w autentyczność fotografii wróżek i elfów z Cottingley które były tylko prymitywną misty­ fikacją, oraz bral regularny udział w seansach spirytystycznych, chcąc nawiązać kontakt z członkami rodziny, których utracił w czasie I wojny światowej, zwłaszcza z synem Kingsleyem. Bo­ daj nieprzypadkowo sława pisarza zetknęła go z największym iluzjonistą owych czasów Harrym Houdinim, zarazem niestru­ dzonym demaskatorem oszustw. Wiosną 1922 roku Conan Doyle odwiedził Houdiniego w jego nowojorskim domu, gdzie magik zademonstrował mu, że napi­ sy na tabliczce - najczęściej stosowana przez media metoda po­ rozumiewania się z duchami zmarłych - można uzyskać w zgoła prozaiczny sposób. Houdini polecił autorowi zawiesić tabliczkę gdziekolwiek w pokoju tak, aby mogła swobodnie kołysać się w powietrzu, po czym wręczył mu cztery kulki z korka i popro­ sił o rozcięcie dowolnej z nich, by pokazać, że w środku nic nie zostało ukryte. Następnie powiedział, by pisarz wybrał inną kul­ kę i włożył ją do kałamarza z białym tuszem. Gdy kulka nasią­ kała, Houdini poprosił swego gościa, by ten wyszedł na ulicę, przeszedł kawałek w dowolnym kierunku i zapisał cokolwiek na karteczce, włożył ją z powrotem do kieszeni i wrócił do do­ mu. Conan Doyle posłusznie wszystko wykonał i napisał „Mene, mene, tekel, ufarsin" („Zostało policzone, policzone, zważone i podzielone"), słowa przepowiedni na ścianie pałacu Baltazara w biblijnej Księdze Daniela. Jak można się było spodziewać, to, co nastąpiło potem, było absolutnie niewytłumaczalne, przynajmniej dla Conan Doyle'a. Houdini kazał mu łyżką wyjąć nasiąkniętą tuszem kulkę i przy­ łożyć ją do tabliczki, do której ta natychmiast przywarła i zaczę­ ła się powoli toczyć, rysując kolejno litery „M", „e", „n", „e" itd., a wypisawszy całą frazę, spadła na ziemię. Według Williama Kalusha i Larry'ego Slomana, autorów opublikowanej w 2006 roku biografii The Secret Life of'Houdini (Houdini: sekrety jego życia), Wielki Mistyfikator udzielił wówczas Conan Doyle'owi lekcji, jemu - a tym samym wszystkim, na których podobne sztuczki działają - nader potrzebnej: Sir Arturze, poświęciłem mnóstwo czasu i inwencji na opracowanie tego iluzjonistycznego numeru [...] Nie powiem

Ilustracja Pat Kinsella

panu, na czym on polega, ale zaręczam, że jest to po prostu zręczna sztuczka magiczna [...]. Obmyśliłem ją w celu udo­ wodnienia, że da się robić tego rodzaju rzeczy. Zaklinam zatem pana, by nigdy nie wyciągał pan pochopnych wnio­ sków, że coś, czego jest pan świadkiem, musi mieć charakter „nadprzyrodzony" lub dzieje się za, sprawą „duchów" tylko dlatego, że akurat nie potrafi, pan tego wyjaśnić... Niestety, sir Arthur w dalszym ciągu byl święcie przekonany, że Houdini ma zdolności parapsychiczne oraz możliwości kon­ taktowania się z duchami. Taki tok myślenia nosi nazwę argumentum ad ignorantiam (coś musi być prawdziwe, bo nie dowiedziono, że nie jest) bądź też niekiedy argumentu z niedostatecznej wyobraźni (skoro nie potrafię sobie wyobrazić, jak można by wyjaśnić to w sposób naturalny, to takiego wyjaśnienia nie ma). Z takim rozumowa­ niem mam do czynienia często w moich spotkaniach z ludźmi wierzącymi w rozmaite rzeczy, podejrzewam więc, że musi być ono naturalnym wytworem mózgu postawionego w obliczu wąt­ pliwości - podobnie jak natura nie znosi próżni, tak nasz mózg nie toleruje rzeczy niewytłumaczalnych. Tak zatem coś, co jest zwykłą anomalią, staje się paranormalne, zjawiska czysto natu­ ralne okazują się nadprzyrodzone, niezidentyfikowane obiekty latające - statkami kosmitów, a czysto losowy splot zdarzeń spiskiem niecnych sil. Według Houdiniego z samego faktu, że nie potrafimy czegoś zrozumieć, nie wynika, że ma to charakter paranormalny, nad­ przyrodzony, pozaziemski czy spiskowy. Zanim więc uznamy, że coś jest nie z tego świata, sprawdźmy najpierw, czy jednak do tego świata nie należy, albowiem naczelnym zadaniem nauki jest objaśnianie rzeczywistości na podstawie czynników natu­ ralnych, bez odwoływania się do sił nadprzyrodzonych, para­ normalnych bądź też jakichkolwiek tego typu wymysłów. •

marzec 2011, Świat Nauki 81

Anty(po)waga

Steve Mirsky

Na tropach farsy

Steve Mirsky pisze felietony do tej rubryki od 100 lat (z dokładnością do rzędu wielkości). Prowadzi również firmowany przez Scientific American podkast Science Talk.

rzutowych silników, rozmyślałem o negatywnym wpływie, jaki postęp nauki i techniki w ostatnim stuleciu mógłby wywrzeć na fabułę La Bohemę (zainspirowany operą Pucciniego musical Rent zbyt mocno trąci latami dziewięćdziesiątymi, by brać go pod uwagę - ża­ den z jego przedpotopowych bohaterów nie miał wtedy nawet konta na Facebooku). W mojej wersji opery dzisiejszy Rudi jest hipsterem noszącym staromodny kapelusz, by zamanifestować dystans do siebie i całego świata. Mieszka w niewielkim studio nieopo­ dal Bedford Avenue na Brooklynie. Mógłby rozważać spalenie rękopisu swej kiepskiej sztuki, by ogrzać pokój, gdyby nie fakt, że za­ pisał ją na MacBooku, ale nie tym najnowszym z procesorem 2,4 GHz, lecz trzyletnim, kupio­ nym z drugiej ręki, mającym procesor zaledwie 2 GHz. Sąsiadka z dołu (zmieniła imię z Mimi na Mimsy gdy w piątej klasie przeczytała wiersz Lewisa Carrolla „Jabberwocky") nie jest hafciarką, ale grafikiem projektującym na zlecenie strony internetowe. I nie pojawia się w mieszkaniu Rudiego dlatego, że skończyły się jej świece, lecz by pożyczyć 23-watową kompaktową świetlówkę (odpowiednik 100-watowej żarówki).

Nuda w operze Sztuka i nauka nie zawsze idą w parze Raz w roku funduję sobie „noc w operze". Nie mówię o filmie braci Mara (ten mam akurat na DVD i oglądam częściej), ale o wieczorze w Metropolitan Opera - instytucji oferującej najlep­ szą rozrywkę w Nowym Jorku, poza sezonem bejsbolowym. Mo­ je rzadkie wizyty zarówno w Met, jak i na Yankee Stadium do­ brze tłumaczy anegdota o kangurze, który pewnego razu wybrał się do knajpy. Gdy zaskoczony barman wykrztusił, że nieczęsto jego klientami są torbacze, kangur wyjaśnił: „Za wysokie ceny". Operą, na którą wybrałem się na początku grudnia, był kla­ syk - Cyganeria Giacoma Pucciniego. Dla tych, którzy dzieła nie znają, streszczę pokrótce fabułę. Jest to historia Rudolfa i jego paryskich kumpli nierobów, którzy tkwią w błędnym przeświadczeniu, że są wielkimi poetami i malarzami, choć w rzeczywistości to światowej klasy śpiewacy. Jedzą, piją i flir­ tują, jak to bohema. Niewiele byłoby w tym tragizmu, gdyby nie pojawienie się kaszlącej Mimi. No bo jeśli ktoś kaszle na scenie, od razu wiadomo, że nie jest to zwykły kaszelek, ale galopujące suchoty. Gdy ulegające dezintegracji płuca Mimi jakimś cudem na­ dal pozwalały jej wydawać dźwięki równie głośne, jak ryk od­

82 Świat Nauki, marzec 2011

Mimsy mocno kaszle. Rudi pyta, czy wszystko w porządku. Ona odpowiada bez ogródek: „Mam gruźlicę. Złapałam ją, pra­ cując jako wolontariuszka w schronisku dla bezdomnych. Ale zajmują się mną lekarze z Wydziału Walki z Gruźlicą Nowojor­ skiego Departamentu Zdrowia. Stosowana przez nich strategia leczenia - DOTS - jest naprawdę skuteczna. Przepisali mi leki przeciwprątkowe i wpadają do mnie dwa lub trzy razy w tygo­ dniu, by sprawdzić, czy na pewno je biorę. Ta metoda rzeczywi­ ście działa pod warunkiem, że nie ma się MDR-TB, czyli gruźlicy wielolekoopornej. Ja jej nie mam. Tak więc czuję się nieźle". „Super" - odpowiada Rudi. Wie, że nie ma w domu żadnych żarówek, ale mówi Mimsy, że sprawdzi. Gra na zwlokę, bo chciał­ by jakoś zatrzymać dziewczynę - choćby tylko po to, by obejrzeć tego smartfona z Androidem, który ona trzyma w ręku. Rudi wydaje się Mimsy dość atrakcyjny - nawet w tym kapeluszu. Gdy więc on zagląda do szafek i szafeczek, ona sprawdza go w Internecie. „Zajmujesz się... czym?" - pyta. „Jestem pisarzem" - odpowia­ da on, grzebiąc w kuchennej szufladzie. „Super" - ona na to. Nie znajduje w Google informacji o jakiejkolwiek jego publikacji. „Sorry, nie mam żadnych żarówek" - Rudi markuje, że daje za wygraną. „Trudno... Dzięki" - mówi ona. „Hej, nie napijesz się kawy lub czegoś innego?" - to jedyna rzecz, jaka wpada mu do głowy. „Być może, jeśli uda ci się coś opublikować, ty ofiaro" - myśli Mimsy, a na glos miga się: „Muszę już lecieć". „OK, może innym razem" - mówi Rudi. „Jasne" - rzuca Mimsy od progu. Rudi zapala papierosa Natural American Spirit. To już 34. tego • dnia. Zaciąga się mocno. Zaczyna kas lać.

Ilustracja Matt Collins

Jak i dlaczego www.swiatnauki.pl/jakidlaczego

Kiedy powstały pierścienic Saturna i dlaczego tak błyszczą? Nadesłane pocztą elektroniczną Odpowiada dr Weronika Śliwa z Nieba Kopernika: Problem więcej niż kilkaset milionów lat. Według tej teorii powstały one pochodzenia pierścieni Saturna istnieje od momentu ich odkry­ z odłamków, oddzielonych podczas rozerwania przez potężne cia. Nastąpiło ono podczas jednego z pierwszych przeglądów siły przypływowe podchodzącego do Saturna księżyca lub też nieba uzbrojonym okiem - w 1610 roku niezwykłą strukturę rozrzuconych wskutek zderzenia jednego z księżyców planety zobaczył Galileusz. Nie wiedział jednak, czym ona jest - szkic z kometą nadciągającą z rubieży Układu Słonecznego. Dziś wie­ Saturna w jego wykonaniu przedstawiał kulę z dwiema mniej­ my już, że pierścienie są stosukowo stabilne. W ryzach utrzymuje szymi u boku. Już wtedy ta konstrukcja zdumiewała - gdyby ku­ je oddziaływanie z krążącymi w ich pobliżu i w nich samych ma­ lami były księżyce, musiałyby chyba przemieszczać się względem łymi księżycami. Dwa spośród tych satelitów, Prometeusza i Pan­ planety? Później obserwowane regularnie „kule" wydawały się dorę, nazywa się nawet księżycami pasterskimi albo pasterzami, okresowo znikać i znów pojawiać - czyżby Saturn podobnie jak bo podobnie jak psy pasterskie wydają się pilnować i zapędzać jego mityczny imiennik pożerał własne dzieci? To, że otaczający z powrotem na właściwe miejsce niesforne głazy z pierścieni. tę planetę obiekt ma w rzeczywistości kształt płaskiego dysku, Ostatnio na lamach Naturę ukazał się artykuł opisujący kolej­ odkrył dopiero w 1655 roku Christiaan Huygens. Dziś wiemy już, ną prawdopodobną teorię, tłumaczącą zarówno pojawienie się, że ta niezwykła struktura o średnicy kilkuset tysięcy kilometrów jak i skład pierścieni. Zgodnie z nią, gdy wokół powstającego Sa­ składa się z tysięcy odłamków z lodu wodnego z niewielkimi do­ turna tworzyły się księżyce, te z nich, które narodziły się blisko mieszkami pyłu, krążących w większości we wspólnej płaszczyź­ giganta, doświadczały rozgrzewających ich wnętrze sił przypły­ nie wokół planety giganta. Rozmiary poszczegól­ nych brył wahają się od ułamków milimetrów do kilku metrów. Niezwykły kształt pierścieni wynika z proporcji ich średnicy i grubości: w niektórych obszarach wynosi ona zaledwie kilkadziesiąt metrów. Oznacza to, że ich model wykonany z tektury grubości milimetra mierzył­ by kilkanaście kilometrów. Struktura pierścieni jest dosyć skomplikowana - wiele w niej miejsc o obniżonej gęstości. Największym jest przerwa Cassiniego szerokości 4800 km. Łączna masa pierścieni jest stosunkowo duża: umożliwiłaby stworzenie średniej wielkości księżyca o średni­ cy kilkuset kilometrów. W układzie pierścieni panuje nieustanny ruch. Badamy go min. dzięki „prześwietleniu" ich światłem słonecznym, które obserwuje krążąca w układzie Saturna sonda Cassini. Wysyła ona również przez płaszczyznę pierścieni fale radio­ we, docierające później do Ziemi. To dzięki Cassiniemu wiemy, że odłamki zderzają się i skleja­ ją ze sobą, tworząc nietrwałe większe struktury, o średnicy sięgającej kilku kilometrów, a także kruszą się i rozpadają. Ich powierzchnia jest więc niemal pozbawiona kosmicznego pyłu - to właśnie dlatego lodowe pierścienie są tak jasne i błyszczą, odbijając światło Słoń­ ca. Jak jednak powstały? Odpowiedź na to pytanie zmienia się w miarę poznawania przez nas dynamiki tego skomplikowane­ go układu. Pierścienie Saturna, choć wyjątkowo duże i wyraźne, nie są wcale wyjątkiem - podobne, choć zwiewniejsze struktury otaczają też Jowisza, Urana i Neptuna. Wynika stąd, że do ich po­ wstania muszą prowadzić stosunkowo powszechne w kosmosie procesy. Przez długi czas uważano, że struktura pierścieni jest nietrwała, powinny więc one być stosunkowo młode i liczyć nie

Ilustracja Mirosław Gryń

wowych. Dzięki temu budująca je materia szybko się rozdzie­ lała: cięższe skały osiadały w ich jądrze, lżejszy lód pozostawał na powierzchni. Część z nowo powstałych księżyców wskutek kolejnych zderzeń z pozostałościami dysku opadła ku Saturno­ wi. W trakcie tego morderczego spadku po spirali ich lodowe otoczki zostały zdarte i utworzyły lodowe pierścienie i małe lo­ dowe księżyce pasterskie. Zgodnie z tą teorią pierścienie są nie­ mal równie stare, jak Układ Słoneczny i - jak widać - bardzo trwałe. Możemy więc mieć nadzieję, że ich widokiem będą się mogli cieszyć nawet nasi dalecy potomkowie. •

marzec 2011, Świat Nauki 83

6

www.swiatnauki.pl/recenzje

Lekcje astronomii króla Stasia Polski generał informuje o badaniach Williama Herschela. Jarosław Włodarczyk

•

EMIGRACYJNE LISTY GENERAŁA JANA KOMARZEWSKIEGO DO KRÓLA STANISŁAWA AUGUSTA PONIATOWSKIEGO Katarzyna Bucholc-Srogosz Wydawnictwo Poznańskie Poznań 2010

Jan Chrzciciel Komarzewski, żyjący w latach 1744-1810, wcze­ śnie rozpoczął dalekie podróże. Jako dwudziestoletni młodzie­ niec trafił bowiem z Kamieńca Podolskiego do Konstantyno­ pola, gdzie miał studiować turecki w tamtejszej szkole języków wschodnich. Szybko jednak odkrył, że nie jest to jego powoła­ niem, i zaciągnął się do wojska pruskiego. Służył kilka lat, ale zdobywszy szlify, wrócił do Warszawy i wstąpił do wojska koron­ nego w randze podpułkownika. Król Stanisław August obdarzył go zaufaniem, a nawet przyjaźnią, błyskawicznie awansował i już w 1776 roku mianował szefem królewskiej Kancelarii Woj­ skowej. Odtąd w rękach Komarzewskiego skupiało się wiele ni­ tek: poufne zadania od króla, organizacja królewskich podróży, wojskowe sprawy personalne i finansowe, wreszcie zamierzona przez Stanisława Augusta reforma armii. Nic dziwnego, że stał się jednym z głównych celów ataków opozycji podczas kolejnych sejmów. Mający coraz słabszą pozycję król nie był w stanie osło­ nić generała przed napaściami osobistymi i politycznymi. Koniec końców Komarzewski pod koniec 1788 roku podał się do dymisji i po kilku miesiącach wyjechał z kraju. Udał się do Anglii. Przez całe swoje życie generał pozostawał lojalny wobec Sta­ nisława Augusta. Jeszcze w 1807 roku, na trzy lata przed śmier­ cią, opublikował w języku francuskim apologię ostatniego kró­ la Polski, szkicując portret mądrego władcy działającego pod presją trudności wewnętrznych i zaborczych sąsiadów. Podczas zagranicznych wojaży Komarzewski regularnie korespondował z monarchą, W czasie pobytu w Anglii przesyłał Stanisławowi Augustowi informacje o najnowszych rozwiązaniach technicz­ nych brytyjskiej rewolucji przemysłowej. Nie ukrywał przy tym, że dostęp do tych sekretów zawdzięcza bliskiej znajomości z naj­ wybitniejszym astronomem epoki Williamem Hersclielem. Komarzewski zawitał do Londynu jesienią 1789 roku. W tych czasach Polacy bardzo często odwiedzali Anglię, poszukując no­ winek przemysłowo-technicznych, które można by przenieść na grunt ojczysty. Pobyt nad Tamizą generał rozpoczął od inten­ sywnej nauki angielskiego. Jeden z polskich podróżników pisał o nim, że „przełamuje wprost naturę, by nauczyć się angielskie­ go i nakłonić swój język do niezwykłej wymowy i akcentu lon­ dyńskiego". Komarzewski musiał bardzo szybko nawiązać zna­ jomość z Hersclielem, gdyż już na początku października 1789 roku wysłał do Stanisława Augusta list, którego bohaterem jest odkrywca Urana. Wkrótce Polak głębiej wniknie w odkrywany przez Herschela kosmos i zacznie dzielić się najświeższą wie­ dzą astronomiczną z królem, poprawiając błędy swoich pierw­ szych relacji, „popełnione przez nieumiejętność w początkach lub prześlepienie jakowegoś punktu". Nie zapominajmy jednak

84 Świat Nauki, marzec 2011

o dodatkowym aspekcie więzi Komarzewskiego z Hersclielem. Sławny astronom konstruujący potężne instrumenty według własnych projektów był mile widzianym klientem różnych ma­ nufaktur brytyjskich. Zamawiał na przykład odlewane z metalu olbrzymie zwierciadła do swoich teleskopów. Kiedy znajomość stała się bardziej zażyła, Komarzewski mógł się pochwalić kró­ lowi, że „Herschel sam ofiarował mi wyjawić sekret względem poloni zwierciadła. Co tu w Anglii nikomu nie wiadomo. Ale to pod kondycją sekretu". Rzeczywiście, w nadawaniu właści­ wego, wklęsłego kształtu wielkim zwierciadłom poprzez odpo­ wiednie ich szlifowanie Herschel nie miał sobie równych. Komarzewski bardzo interesował się metalurgią jak również mechaniką. Odwiedzał z Hersclielem manufaktury Matthew Boultona, inżyniera i współpracownika Jamesa Watta, oraz Johna Wilkinsona, pionierów produkcji silników parowych. „Boulton z Birmingham pokazał mi całą swoją fabrykę i do jak wielu rzeczy używa swojej pompy ogniowej, która oszczędza ludzi najmniej 180 do 200, i koni w proporcji" - pisał do kró­ la wiosną 1790 roku, relacjonując podróż z Herschelem. Trasa wyprawy przebiegała przez Birmingham, Liverpool, Manche­ ster, Sheffield i na tym szlaku Polak naliczył ponad 100 „pomp ogniowych", czyli silników parowych. Podczas jednej z wizyt

Teleskop Herschela ze zwierciadłem o średnicy 46 cm i tubusem długości ponad 6 m, skonstruowany w 1783 roku.

www.swiatnauki.pl/recenzje

Galaktyka według Williama Herschela na ilustracji z książki jego syna Johna, Outlines ofAstronomy (Londyn 1859). w firmie Wilkinsona na prośbę generała rozłożono na części taką dwucylindrową maszynę parową. Komarzewski z zapałem projektował wykorzystanie „machin mechanicznych, hydrau­ licznych i hydrostatycznych [...] w Olkuszu, w Miedzianej Górze, w Kozienicach, w Łowiczu" do produkcji „żelaza, stali, miedzi, srebra, sukna, płócien i narzędzi do wyrabiania tych materia­ łów", własnoręcznie sporządzając odpowiednie rysunki. Na wojaże, odbywane z polskim znajomym po brytyjskich manufakturach, Herschel zabierał ze sobą przenośny teleskop i astronomiczna edukacja generała systematycznie się pogłębia­ ła. W ten sposób król Polski dowiedział się o zdumiewającym odkryciu Herschela - wyznaczeniu kierunku, w którym w prze­ strzeni kosmicznej porusza się Słońce, ciągnąc ze sobą cały sys­ tem planet. Przede wszystkim jednak William Herschel zasłynął z gigantycznego programu obserwacyjnego i z wniosków, umie­ jętnie wyciągniętych z obfitego zbioru danych. Kiedy generał Komarzewski poznał w 1789 roku astronoma ze Slough, ten pro­ wadził już systematyczne obserwacje całego nieba, katalogując mgławice, czyli obiekty, które nie były tak jak gwiazdy punk­ towymi źródłami światła, lecz przypominały rozmazane plamki lub wręcz nieregularne świetliste kleksy. Jednocześnie Herschel podjął problem „mgławicy" słonecznej, opracowując sposób na ustalenie kształtu skupiska gwiazd, w któ­ rym tkwimy razem ze Słońcem i które powoduje złudzenie Drogi Mlecznej na sferze niebieskiej. Przyjął przy tym dwa założenia. Pierwsze wiązało się z wiarą w potęgę własnych instrumentów. Od 1783 roku astronom dysponował teleskopem zwierciadlanym o średnicy 46 cm i długości ponad 6 m. Herschel uznał, że po­ zwala on dostrzec wszystkie gwiazdy znajdujące się w granicach Drogi Mlecznej. Następnie założył, że gwiazdy te są rozłożone w przestrzeni równomiernie, co było, oczywiście, bardzo dużym uproszczeniem. Pozwalało jednak w łatwy sposób ocenić odle­ głość do granic naszego systemu gwiazd. Procedura wyglądała prosto. Wystarczyło policzyć gwiazdy w różnych wycinkach sfery niebieskiej (czyli w różnych kierunkach widzenia). Skoro obser­ wujemy wszystkie gwiazdy i skoro nigdzie nie ma zagęszczeń lub rozrzedzeń, uzyskana liczba gwiazd wskazuje, jak daleko znajdu­ je się granica Drogi Mlecznej: gdy naliczymy ich dużo, do gra­ nicy jest dalej, jeśli mało - bliżej. Prosta procedura była jednak bardzo pracochłonna i Herschel zastosował swoją metodę tylko do wąskiego pasa, obiegającego sferę niebieską. (I tak wymagało to przeprowadzenia zliczeń w ponad 3 tys. wycinków nieba.)

| < | i

Gdy z wynikiem tych badań zapoznał się Komarzewski, po­ informował Stanisława Augusta: „Utrzymuje i to Herschel, że wszystkie nebulozy są to systemy słoneczne, iż systema naszego słońca jest częścią jednej z nebuloz [...]. Między nebulozami widziałem jedną podobną do pierścienia. Inne mają rozmaite figury. Ta, gdzie mieszkamy, utrzymuje, że jest podobna (jak mi ją odrysował) do nadzianej kiszki".

Kecenzje

Pomysł Herschela byl niezwykle śmiały i otrzymany przez niego kształt naszej, używając współczesnego określenia, Galak­ tyki pojawiał się w różnych książkach i podręcznikach niemal do końca XIX wieku. Niemniej już Herschel zaczął zdawać sobie sprawę, że próba ze zliczeniami raczej się nie powiodła. Uzmy­ słowił mu to jego kolejny olbrzymi teleskop - o średnicy 122 cm i długości ponad 12 m - który stanął w Slough w roku pierwszej wizyty Komarzewskiego. Sprawdzenie wybranych wycinków nieba pokazało, że potężniejszy instrument widzi wciąż nowe gwiazdy, a zatem poprzedni program obserwacyjny nie pozwolił dotrzeć do granic naszego skupiska gwiazd. Przyjaźń między generałem a astronomem zadzierzgnęła się na dobre. W marcu 1792 roku Komarzewski został ojcem chrzest­ nym jedynego syna Williama, Johna Fredericka Williama Her­ schela. Dwa miesiące później generał, dzięki silnemu poparciu Herschela, został wybrany na członka londyńskiego Towarzystwa Królewskiego. Wkrótce jednak Komarzewski opuścił Anglię: astronomiczne listy do króla przestały nadchodzić. Generał zdą­ żył jeszcze wprowadzić nowy zwyczaj w domu Herschelów. Kiedy Stanisław August sprezentował Williamowi swój portret (obecnie zaginiony), Komarzewski relacjonował: „On [Herschel], Jego żo­ na i siostra nauczyli się pić zdrowie W.K.Mci w słowach polskich i promują Pańskie zdrowie na każdym posiedzeniu swoim lub ob­ cym. A tam bywają lub jego zapraszają najzacniejsi [...]". Nie ustala natomiast korespondencja między generałem a astronomem. Zachowały się listy, które świadczą, że Koma­ rzewski pisywał do Williama Herschela co najmniej przez na­ stępną dekadę - z Polski, Niemiec i Francji. Spotkał się jeszcze raz ze swoim angielskim przyjacielem na początku 1803 roku, gdy ten zawitał na krótko do Paryża. Planowali wówczas ko­ lejną wspólną wyprawę do Szkocji, a generał obiecywał sobie długą konwersację z jedenastoletnim Johnem w „naszej czystej łacinie". Ostatni list Komarzewskiego do Herschela nosi datę 13 marca 1803 roku. Plany wizyty w Anglii pokrzyżowały niespo­ kojne czasy wojen napoleońskich. General Komarzewski zmarł w Paryżu w pierwszych dniach marca 1810 roku. Nieduża książka Katarzyny Bucholc-Srogosz przypomina 0 zażyłości Komarzewskiego z Williamem Herschelem, zawie­ ra też krytyczne wydanie 10 wybranych listów do króla Polski. 1 chociaż można mieć zastrzeżenia do jakości opracowania frag­ mentów astronomicznych i tematyki związanej z historią nauki tamtej epoki, Emigracyjne listy generała Jana, Komarzewskie­ go... stanowią interesujący przykład literatury historycznej, któ­ ra próbuje wyjść poza granice swojego tradycyjnego getta. • W KSIĘGARNIACH GDAŃSKIE WYDAWNICTWO PSYCHOLOGICZNE Psychologia wspomagania rozwoju. Zrozumieć świat życia człowieka Barbara M. Kaja PRÓSZYŃSKI I S-KA Dzień, w którym odkryliśmy Wszechświat Marcia Bartusiak Krowy w labiryncie i inne eksploracje matematyczne lan Stewart WYDAWNICTWO DEMART Nauka po prostu. Wywiady z wybitnymi Tomasz Rożek WYDAWNICTWO HOMINI Mózg: fascynacje, problemy, tajemnice Jerzy Vetulani WYDAWNICTWO NAUKOWE PWN Socjologia ciała Chris Shilling Umysł, gramatyka, ewolucja. Wykłady z filozofii umysłu Szymon Wróbel WYDAWNICTWO ZYSK I S-KA Nieskończone życie nieboszczyka. Nowości z frontu nauki Marcus Chown

marzec 2011, Świat Nauki 85

Faktograf

Zakochany mózg Neuroprzekazniki w roli strzały Amora

Obszary aktywne I

Namiętność Inne rodzaje miłości

1. Grzbietowo-boczna część zakrętu czołowego środkowego 2. Wyspa 3. Zakręt skroniowy górny 4. Zakręt kątowy 5. Kora potyliczna 6. Kora potyliczno-skroniowa 7. Brzuszne obszary skroniowe Odpowiedzialne za namiętność obszary ukryte w głębi mózgu: jądro ogoniaste, wzgórze, przedni zakręt obręczy, tylna część hipokampa, zakręt przedśrodkowy

Poziom we krwi i skutki

Natężone funkcje poznawcze:

TT'i !

Kortyzol

Stres

Obraz ciała

OCiało partnera widziane jako doskonalsze niż własne

Obraz samego siebie .'.,'. Postrzeganie partnera jako dopełnienia siebie Uwaga

Pobudzenie Wrażliwość na ból

> ' Skupienie na partnerze, ignorowanie innych

Funkcje społeczne i Q Rozumienie intencji partnera

Związki chemiczne w mózgu i ich działanie

T T T i l T T i ! TT i !. i T T

Dopamina Przyjemność Motywacja Smutek

Oksytocyna Zaufanie Więź

Strach

Czy jesteś mężczyzną, czy kobietą, miłosne uniesienia zawdzięczasz ciężkiej pracy kilkunastu obszarów mózgu. Badacze odkrywają język miłości, porównując obrazy fMRI (obrazowanie metodą czynnościowego magnetycznego rezo­ nansu jądrowego) ludzi doświadczających miłości namięt­ nej, macierzyńskiej i bezwarunkowej. Wspomniane obszary uwalniają neuroprzekazniki i inne substancje do mózgu i krwi, co wywołuje euforyczne doznania, takie jak zauro­ czenie czy przyjemność. Być może niedługo psychiatrzy bę­

86 Świat Nauki, marzec 2011

Wazopresyna Podniecenie seksualne

Niepokój

Serotonina Obsesyjne Agresja myśli

dą leczyć osoby załamane po miłosnym zawodzie, zwiększa­ jąc dostępność tych substancji. Namiętność wspomaga też pewne funkcje poznawcze dzięki podwyższeniu aktywności mózgu i wydzielania prze­ kaźników „Chodzi o oddziaływania całych sieci" - mówi Stephanie Ortigue, profesor psychologii na Syracuse University. Prowadziła ona takie badania i twierdzi, że funkcje poznawcze z kolei „uaktywniają sieć miłości". Ale czy to naj­ lepszy temat do rozmów zakochanych? Mark Fischetti

Grafika James W. Lewis, West Yirginia University (mózg) i Jen Christiansen

Warto wiedzieć Wydarzenia, osiągnięcia, nowości

Tydzień Mózgu W ramach Światowego Tygodnia Mózgu w Warszawie odbędzie się cykl wykładów „Nowe metody leczenia - nowe drogi terapii" oraz warsztaty i pokazy pod hasłem „Dzień Badacza w Instytucie Nenckiego". W dniach 7-14 marca 2011 roku wykłady wygłoszą: prof. dr hab. med. Henryk Skarżyński z Międzynarodowego Centrum Słuchu i Mowy, Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu („Współczesne możliwości stymulacji elektrycznej drogi słuchowej - implanty pnia mózgu"), prof. dr hab. med. Maria Barcikowska z Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossa­ kowskiego PAN („Dekada porażek kolejnych leków przeciw choro­ bie Alzheimera"), prof. dr hab. Elżbieta Szeląg z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN i Szkoły Wyższej Psycholo­ gii Społecznej w Warszawie („Nowe horyzonty w neurorehabilita-

cji: rola przełomowych odkryć w badaniach nad mózgiem"), prof. dr hab. med. Andrzej Kokoszka z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego i Szkoły Wyższej Psychologii Społecznej w Warszawie („Odmienność seksualnych reakcji kobiet i mężczyzn - diagno­ styczne i terapeutyczne implikacje") oraz prof. dr hab. Małgorza­ ta Skup z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN („Obłaskawione wirusy w leczeniu chorób układu nerwowego"). Wszystkie wykłady odbywać się będą w siedzibie redakcji miesięcz­ nika Polityka przy ulicy Słupeckiej 6. Warsztaty i pokazy, dotyczące m.in. budowy i zasad funkcjo­ nowania mózgu, neuropsychologicznych metod oceny funkcjo­ nowania poznawczego, nowych metod badania i usprawniania pamięci i procesów poznawczych, zorganizowano w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN, ul. Pasteura 3. •

Fascynująca technika

Śladami pionierów chemii Atrakcyjne wyzwanie dla pasjonatów dziejów jednej z najstarszych gałęzi nauki

©

Rok 2011 decyzją ONZ na wniosek IUPAC oraz UNESCO został pro­ UNIWfRiYTFT klamowany Międzynarodowym Rokiem Chemii, a Sejm Rzeczypo­ IAGIELLOK5KI spolitej Polskiej przyjął uchwałę ustanawiającą ten rok Rokiem Marii Skłodowskiej-Curie. Nic więc dziwnego, że w najbliższych miesiącach chemia będzie dyscypliną skupiającą na sobie największą uwagę. Studenci Uniwersyte­ tu Jagiellońskiego: Lidia Cibor, Krzysztof Lewandowski, Joanna Szafraniec oraz Monika Parafiniuk zorganizowali ogólnopolski konkurs wiedzy o historii chemii - Od Sędziwoja do Sklodowskiej-Cuńe. Będzie się on odbywał za pośrednictwem strony internetowej oraz platformy e-learningowej moodle, a mogą w nim uczestniczyć studenci uczelni publicznych i nie­ publicznych. Rejestracja kandydatów rozpocznie się 28 lutego i będzie trwała do 13 mar­ ca. Do udziału w konkursie zakwalifikują się pierwsze 4 tys. zgłoszonych osób. Następnie przystąpią one do testu składającego się z 62 pytań. Ogłoszenie wyników konkursu nastąpi 30 marca 2011 roku. Najlepszym zostaną przy­ znane trzy nagrody i 12 wyróżnień. Pomysł zyskał poparcie JM Rektora prof. Karola Musioła, dyrektora Archiwum UJ, dr. hab. Krzysztofa Stopki, profesora UJ, oraz dr Krystyny Łopatki z Zakładu Dydaktyki Chemii Wydziału Chemii UJ. Więcej informacji na stronie: www.uj.edu.pl/konkurs

Roboty niezwykłe pojazdy i inne wynalazki Firma Bosch jest organizatorem bezpłatnych warsztatów kreatywnych i wykładów skierowanych do warszawskich gimnazjalistów. Będą one prowa­ dzone w drugim tygodniu marca na Politechnice Warszawskiej we współpracy z kotami naukowymi działającymi przy tej uczelni. Projekt edukacyjny ma na celu wsparcie edukacji technicznej, zainte­ resowanie młodzieży uczelniami technicznymi oraz promocję uzdolnionych młodych osób. Podczas zajęć uczniowie dowiedzą się, jak powstają wynalazki. Szkoły biorące udział w warsz­ tatach będą mogły następnie zgłosić pięcioosobo­ we zespoły do konkursu na wynalazek praktycz­ nego urządzenia z wybranych dziedzin: techniki motoryzacyjnej, techniki w domu, techniki w ogro­ dzie. Zgłoszenia są przyjmowane do 11 kwietnia br. Jury wybierze 10 najlepszych projektów, których realizacja będzie kontynuowana przez poszcze­ gólne zespoły. Laureaci konkursu - autorzy trzech najlepszych prac - otrzymają nagrody rzeczowe. 0.0.-5. Szczegóły na www.bosch-prasa.pl

1 % na pomoc ubogim możesz przekazać 1 % swojego podatku potrzebującym* S t o w a r z y s z e n i e na R z e c z N i e p e ł n o s p r a w n y c h SPES

SPES Pomagamy od roku 1986

KRS: 0 0 0 0 0 1 4 5 7 4 więcej informacji na stronie: w w w . L s p e s . o r g . p l

'Ośrodek Pomocy Kryzysowej Stowarzyszenia SPES udziela bezpłatnej pomocy psychologicznej i prawnej blisko 1.000 osób rocznie. Pod stałą opieką naszego Warsztatu Terapii Zajęciowej oraz Świetlicy Terapeutycznej znajduje się ponad 40 osób z upośledzeniem umysłowym. Dowiedz się więcej na stronie www. 1 .spes.org.pl

Jak przekazać 1%? • Wypełnij formularz rocznego zeznania podatkowego • W rubryce „Wniosek o przekazanie 1 %" wpisz numer KRS • Resztą zajmie się fiskus, który przekaże nam 1% Twojego podatku • By tak się stało, Twoje zeznanie musi być złożone w terminie • Dziękujemy

100 lat temu

wybrała Agata Przybysz

W polskiej prasie

Przegląd Techniczny Budowle na głównym dworcu w e Wro­ cławiu. W planie budowy dworca była przewidziana budowa wielkiej szopy do rewizyi i czyszczenia powozów, które miały zarazem służyć do formowania po­ ciągów osobowych. [...] Szopa posiada dwa tory do ustawienia dwóch pociągów i możności oczyszcze­ nia ich, do czego zastosowano specyalne przyrządy, a w ich liczbie przyrząd próż­ niowy do czyszczenia zapomocą ssania kurzu. [...] Na głównym dworcu wrocławskim, na głównej linii ładunkowej stacyi towa­ rowej górnośląskiej, wystawiono budynek 20 m długi, 18 szeroki, w którym będzie 4 kotły o 125 m 2 powierzchni ogrzewalnej i stąd, zapomocą przewodów rurowych podziemnych, będzie przesyłana para do oddzielnych torów postojowych na po­ ciągi osobowe. [...] Wełna drzewna. Stosowanie praktyczne wiórów drzewnych w rozmaitych dziedzi­ nach życia codziennego pobudziło ame­ rykanów i niemców do wyrabiania t. zw. wełny drzewnej, czyli wiórów grubości mniej więcej 1/30 mm. Wełna drzewna [...] stosowana jest, zależnie od grubości, przy pakowaniu rozmaitych kruchych przedmiotów, zastępuje watę przy obandażowaniach chirurgicznych. Lepsze jej gatunki służą do napychania poduszek. [...] Nowy materyał zastępuję słomę, sta­ nowiąc podsciółkę w stajniach. Wełnę drzewną używają wreszcie jako materyał filtracyjny. [...] Urządzenie pomocnicze do podciąga­ nia taczek. Urządzenie [...] do podcią­

gania taczek pod górę, zastosowane zo­ stało w jednym z portów Ameryki Półn. Łańcuch bez końca, do ogniw którego przymocowane są zęby, odpowiednio wykształcone, nałożony jest na dwa kola zębate, poruszane przez 5-konny silnik elektryczny. Robotnik naprowadza tacz­ kę, zęby łańcucha zaczepiają za oś tylną i w ten sposób popychają ją pod górę. Łańcuch posuwa się w korytku [...] sze­ rokości 100 mm, wobec czego nie stanowi przeszkody dla robotnika, prowadzącego taczkę. Przy szybkości 30 m na minutę łańcuch może pociągnąć 960 taczek na godzinę. [...] Sprzęgło sprężyste Habermanna. Sprzę­ gła sprężyste znajdują szerokie zasto­ sowanie przy napędzie elektrycznym. Dobre sprzęgła tego rodzaju winny być łatwo rozbierane i składane, prostej konstrukcyi, winny wytrzymywać z łatwością uderzenia i nagle zmiany kierunku obro­ tu, dozwalać wreszcie na niewielkie prze­ sunięcia wzajemne wałów sprzężonych. Sprzęgło Habermanna składa się z 2 tarcz [...]. Tarcza [...] zaklinowana sta­ le na wale, posiada nadlewy półkoliste, na które zakłada się obrączki skórzane. Drugą tarczę, posiadającą piastę [...] z klinem można przesuwać wzdłuż walu. Kly tej tarczy wchodzą w obrączki skó­ rzane. Osłona [...] zabezpiecza sprzęgło od kurzu. Sprzęgło Habermanna posiada tę zale­ tę, że pęknięcie jednej z obrączek nie spowodowywuje przerwy w ruchu. Z drugiej strony skóra stanowi doskonały izolator, często bardzo pożądany przy sprzęgłach w napędzie elektrycznym.

Ziemia Wycinanki. [...] Wycinanki łowickie na­ leżą bez wyjątku do typu złożonych. Naj­ bardziej pospolitą i najchętniej używaną formą wycinanki łowickiej są „wstęgi", łą­ czone półkolami, albo bez nich, oraz dłu­ gie fryzy, obiegające ściany pod samym pułapem. We wstęgach panują prawie wyłącz­ nie motywy kwiatowe skomponowane z umiejętnym doborem barw, przewyż­ szające wycinanki z innych okolic. [...] Najsilniej rozwinęła się w Łowickiem umiejętność odtwarzania ważniejszych

88 Świat Nauki, marzec 2011

scen z życia. A więc na długich barwnych szlakach rozgrywają

ttRW Ś&faffb ^^ESss3^&

się urozmaicone w ko-

^¾.

zrękowin, chrzcin oraz

•eGJs^Sn

na ścianach i zegarem

\K©$f

ssŚHI

o długiem wahadle ł » przedstawiono na nich jak najwierniej; postacie traktowane reali­ stycznie, ubiory z całą dokładnością i finezyą. Natomiast skróty rysunkowe oczywi­ ście nie istnieją: orczyki u wozu lub karety stoją pionowo, a stopy ludzi-profilem. [...]

Kosmos

Trilobus Łomnickii - nowy gatunek ni­ cienia. [...] Samice są znacznie większe i grubsze, przez skórę ich przeświecają w przedniej części ciała parzyste jajni­ ki. [...] Kształt ciała samców zasadniczo różni się wymiarami; samce są z reguły mniejsze i cieńsze, skutkiem czego już na pierwszy rzut oka można płeć roz­ poznać. Na tylnym końcu ciała u tych ostatnich znajduje się przed odbytem sze­ reg brodawek, uznanych [...] za organa zmysłowej natury. Kształt ich, ilość i roz­ mieszczenie przedstawiają bardzo ważne znamię systematyczne. [...] W styczniu jajniki samic wypełnione były jajami, przeto prawdopodobne jest, że okres ich rozmnażania przypada już na wczesną wiosnę. Obie picie występu­ ją równie obficie, zaniepokojone zwijają się w kłębek, pełzając, obwijają splotami ciała nitki glonów, pływając zginają ciało w wężowe kształty. [...] Forma opisywana [...] przedstawia [...] gatunek najmniejszy z dotąd znanych w tym rodzaju. [...] Wpływ otoczenia na narząd wzroku. [...] Nawet 650 metrów stanowi tylko nieznaczną część głębokości oceanu i głębiej promienie słoneczne nie przeni­ kają. Jedno więc z ważniejszych w życiu zwierzęcem zjawisk fizycznych przestaje tu egzystować. Wskutek tego braku musi się zjawić kategoryczna zmiana tak na­ rządów zmysłowych jak też centralnego układu nerwowego. [...]