Kam reikia kvantinės mechanikos, jei iš jos nepadarome kompiuterio? Kam iš tikro reikia fundamentinių mokslų?

Ir tikrai, kai mokyklose mokoma prieš šimtus metų sukurtų pagrindų, kai į plačią auditoriją orientuotoje spaudoje mokslas gretinamas su technologijomis, o technologijos reikalingos tam, kad skatintų pirkti (kol kas) naujausią telefoną, toks klausimas visiškai natūralus. Kam reikia kvantinės mechanikos, jei iš jos nepadarome kompiuterio, kam reikia atomų savybių tyrimų, jei iš to negaminame elektros, kam reikia sociologijos, jei ji neskatina pardavimų, kam reikia filosofijos apskritai? Į tai ir pažvelgsime šiame tekste.

Iš pradžių išsiaiškinkime, kokie mokslai yra fundamentiniai. Pirma, fundamentinio mokslo rezultatas nėra iš anksto žinomas. Aišku, formuluodami tyrimo tikslą, mokslininkai gerai žino, ką nori ištirti – fizikinio reiškinio veikimą kokioje nors terpėje, ar socialinio reiškinio veikimą kažkokioje kultūroje ir panašiai. Tačiau, ką jie atras, nežino net ir patys mokslininkai. Čia tampa svarbus naujumo aspektas: tai turi būti kažkas iš tikro nauja. Ir, nepriklausomai nuo tyrimo rezultato, fundamentinis mokslas plečia mūsų visų bendras žinias.

Visgi, nors šie tikslai atrodo teigiami jau patys savaime, fundamentinių mokslų nauda nėra tokia akivaizdi. Visų pirma, dažnai gali būti sudėtinga suprasti pačių mokslinių tyrimų rezultatus. Per pastarąjį šimtmetį mokslo pažanga buvo didesnė, nei kada nors iki šiol. Ir nors bendrojo išsilavinimo pasiekiamumas taip pat išaugo, norint intuityviai suprasti naujausių mokslinių pasiekimų svarbą, pagrindinėje mokykloje – ar net bakalauro lygio studijose – teikiamų žinių dažnai nepakanka. Nors čia itin svarbus mokslo populiarinimo spaudos vaidmuo, negalima tikėtis, kad joje aptariamos temos bus aktualios kiekvienam žmogui, jau žinančiam, ko nori iš gyvenimo.

Nepaisant to, mokslas dažniausiai finansuojamas iš mokesčių mokėtojų pinigų. Natūralu, kad mokesčių mokėtojai ir finansavimą skirstantys jų atstovai nori žinoti, kam jų lėšos panaudojamos. Tačiau kitaip nei investicijos į infrastruktūrą ar kitas veiklas, kur rezultatas aiškus, fundamentinio mokslo tyrimų efektas dažniausiai nėra akivaizdus, ypač mokslu nesidomintiems. Nėra paprasta pagrįsti visuomenės interesą investuoti į fundamentinį mokslą, jei sunku parodyti tų investicijų efektą visuomenei.

Visgi, fundamentinių mokslų tyrimų rezultatai virsta apčiuopiama nauda visuomenei. Nes fundamentinės žinios apie pasaulio sandarą, visuomenė ir žmogus veikimą, gali būti ir yra pritaikoma praktiškai: supratus atomų sandarą, galima kurti naujas medžiagas ar išgauti energiją, išsiaiškinus visuomenės veikimo dėsnius, galime visi gyventi darniau, o supratę žmogų, galime būti sveikesni ir laimingesni. Ir nors šia nauda neabejojama, ji yra abstrakti. Realiame gyvenime resursai riboti ir dažnai būtina kažkam skirti pirmenybę. Ir čia mokslo verte lengva suabejoti.

Kai reikia rinktis, pavyzdžiui, tarp projekto, skirto ištirti, kas įvyko prieš 13 mlrd. metų, ir pensijų padidinimo, naivu būtų tikėtis, kad visuomenė atsisakytų pensijų didinimo, net jei tai būtų keli centai. Juk net ir tie keli centai kažkam gerokai svarbesni, už klausimus apie Visatos kilmę, o net ir atsakius į juos, jokios apčiuopiamos naudos juk nebūtų, nebent smalsumo patenkinimas. Tačiau tai nėra tiesa! Fundamentiniai tyrimai unikalūs tuo, kad jų rezultatai sunkiai prognozuojami, tačiau tai reiškia ir tai, kad šiais tyrimais galima atrasti tai, kas gali būti pritaikyta visai su tyrimo tikslu nesusijusiose srityse. Toliau aptarsime kelis tokius pavyzdžius.

Žmogaus imunodeficito viruso (ŽIV) tyrimų nauda ir prasmė, aišku, yra taikomojo pobūdžio. Tačiau ŽIV plitimo tyrimai ypač sudėtingi. Siekiant atrasti pirminį infekcijos šaltinį, reikia išnarplioti ne tik sudėtingą biologinį procesą, bet ir gerai suprasti socialinį, ekonominį kontekstą, apeiti izoliaciją ir seksualinių santykių stigmatizaciją įvairiose kultūrose.

ŽIV virusas tarsi sukuria koloniją ligonio organizme, kuri evoliucionuoja, o tai gerokai sumažina galimybes atsekti ryšį tarp užkrėtusio ir užkrėstojo organizmo. Tačiau žinoma, kad užkrėtimo momentu, 95 % užkrėstųjų užkrečiami tik vienu ar keliais ŽIV variantais.

Atitinkamai, norint tirti ŽIV plitimą ir tikrinti jo modelius, būtina informaciją apie užkrėstąjį gauti netrukus po užkrėtimo. Dėl aukščiau išvardintų priežasčių, pakankamai sparčiai identifikuoti ŽIV užsikrėtusius žmones gali būti neįmanoma. Tačiau analogišku ŽIV virusu užsikrėsti ir platinti gali ir primatai, o juos stebėti gerokai paprasčiau, nei žmones. Čia tampa svarbūs fundamentiniai šių primatų bendruomeninių įpročių, maitinimosi tyrimai. Būtent šie tyrimai sukuria unikalią ŽIV tyrimų kryptį.

Kitas pavyzdys – optogenetika. Tai unikali sveiko organizmo ląstelių kontroliavimo šviesa metodika. Tai pasiekiama implantuojant ląsteles, kurių vienas baltymų genas pakeistas specialiu, šviesai jautriu, baltymu. Tai ypač naudinga neurologijoje, tiriant neuronų poveikį biologinėms funkcijoms, net kai gyvūnai laisvai juda realiu laiku. Žinoma, svarbiausias tokios technologijos komponentas yra tinkami baltymai. Kaip pirmieji tokie baltymai buvo atrasti? Tiriant dumblius.

Juodųjų bedugnių tyrimai turbūt gerokai toliau nuo mūsų kasdieninių interesų, nei beždžionių elgesys ar dumbliai. Norint aptikti šiuos egzotiškus objektus, reikia vykdyti stebėjimus radijo bangų diapazone. Kadangi radijo bangų šaltinių mūsų aplinkoje apstu, juodąsias bedugnes tirianti dr. John O’Sullivan vadovaujama komanda sukūrė prietaisą, kuriuo pavyko sumažinti nepageidaujamų radijo šaltinių trukdžius. Šia technologija belaidžio interneto ryšio ribas pavyko praplėsti penkis kartus ir tai atvėrė kelią belaidžio ryšio paplitimui, pasiekusiam ir daugelį mūsų.

Statant Pasaulio prekybos centro dangoraižius Niujorke, buvo būtina atsižvelgti į natūralius galimus bokšto svyravimus ir jų poveikį būsimiems biurų darbuotojams. Atsakymą turėjo pateikti 1965 m. užsakytas sociologinis tyrimas. Buvo sukonstruotas dirbtinai svyruojantis pastatas, kuriame nieko neįtariantiems žmonėms buvo tikrinama rega, kol žmonės pajusdavo pastato svyravimą. Tyrimo metu paaiškėjo, kad žmonės juto dešimt kartų mažesnius svyravimus, nei tikėjosi pastatą statę inžinieriai. Dėl to papildomai buvo sustiprintos pastatų išorinės konstrukcijos, atliktos kitos modifikacijos, turėjusios sumažinti dangoraižių svyravimus. Inžinieriniai tyrimai atlikti po 2001 m. rugsėjo 11 d. šių bokštų griūties parodė, kad būtent dėl tokių plieno konstrukcijos sutvirtinimų bokštai nesugriuvo iškart ir buvo išvengta daugiau aukų.

Panagrinėkime linksmesnį pavyzdį, pažaiskime. Kai kurios mokslinės užduotys gali būti tokios plačios, kad gali būti neįveikiamos net ir geriausiems mokslininkams ir sparčiausiems kompiuteriams. Sprendžiant tokias plataus masto problemas, kaip galaktikų klasifikacija Galaxy Zoo projekte, optimalių baltymų konfigūracijų paieška Foldit, keistų objektų paieška Mėnulio paviršiuje Moon Zoo, orkų (banginių) susišaukimų paieška WhaleFM ar net planetų paieška Planet Hunter, panaudojamas piliečių mokslas, žmonių kompiuterija, trumpiau tariant, įgimtas žmogaus polinkis žaisti.

Visgi, ne visi iš mūsų vienodai gabūs žaidimams, o mokslininkai turi tą patį darbą atliekančias kompiuterines programas. EteRNA (RNA konfigūracijų optimizavimo žaidimo) kūrėjų teigimu, pirmais mėnesiais rezultatai buvo nuviliantys ir kompiuteriniai algoritmai buvo efektyvesni. Bet žaidėjai mokėsi, tiek individualiai, tiek kaip bendruomenė ir per tris-šešis mėnesius žmonių gebėjimai analizuoti RNA konfigūracijas aplenkė kompiuterines programas. Tokių žaidimų sėkmė ne tik sprendžia pirmines mokslines problemas, bet ir suteikia mokslinių duomenų apie žmonių mokymosi internete specifiką, ir leidžia prasmingai ir linksmai praleisti laisvalaikį žaidžiant kompiuterinį žaidimą.

Nuo neatmenamų žmogų įkvėpdavo gamta. Tačiau tai gali būti daugiau, nei įkvėpimas. Pavyzdžiui, kuriant efektyvias transporto sistemas gali būti sudėtinga iš anksto suprasti, kokia sistema efektyviausia. Gamta „patirties“ turi daugiau, nei mes kada nors turėjome miestų, tarpmiestinių ir panašių sistemų, iš kurių galėtume mokytis. Galima pažvelgti į prokariotus, kurie yra vienaląsčiai, galintys funkcionuoti kaip pavienės ląstelės, bet dažnai suformuojantys kolonijas.

Tokiose kolonijose gali būti maisto medžiagų tiekimo toliau esantiems kolonijos nariams kanalai. Kolonijos konfigūracija panaši į miesto gyventojų tankio pasiskirstymą, tad galima vesti paraleles tarp miesto ir kolonijos transporto kanalų ir taip optimizuoti miesto transporto tinklą. Žinoma, prokariotų kolonijos veikimo tiesiogiai perkelti į žmonių miestą neįmanoma – jose kamščių problemos nėra ir duobėti keliai pasitaiso patys. Tačiau aktualių pavyzdžių, kuriuos galima pritaikyti, gamtoje apstu.

Pavyzdžiui, medžio lapo transporto sistema gali būti atsparios krizėms sistemos pavyzdžiu. Lapas gali patirti įvairių pažeidimų, tačiau evoliuciškai jo konfigūracija išsivystė tokia, kad net vabalui išgraužus skylę, lapas toliau funkcionuoja.

Bet turbūt svarbiausias fundamentinių mokslų vaidmuo yra žmonijos progreso skatinimas. Žinoma, saugumas, bendruomeniškumas yra būtini žmogiškos būties komponentai, tačiau kuomet jie yra pasiekiami, žmogus žiūri toliau. Tuomet atsiranda erdvė smalsumui, norui veikti, kurti, telkti. 1955 m. tiek JAV, tiek Sovietų Sąjunga paskelbė planus paleisti pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą.

Bet Eizenhaueris (Eisenhower), tuometinis JAV prezidentas nuogąstavo, kad skriejantis palydovas gali būti laikomas oro erdvės pažeidėju, taip pat, kad karinės balistinės raketos palydovui iškelti paleidimas gali būti palaikytas agresyviu žingsniu. Sovietų Sąjunga nenuogąstavo ir pirmoji paleido dirbtinį Žemės palydovą.

JAV tai sukėlė panašias reminiscencijas, kokia buvo pradėtas šis straipsnis: kol JAV fokusavosi į automobilius ir smulkius prietaisus, sovietai užkariavo kosmosą.

Prasidėjo lenktynės, paveikusios tiek JAV, tiek Sovietų sąjungos žmones negrįžtamai, vis aukščiau ir aukščiau keliant kartelę, bet tai nebuvo ginklavimosi varžybos. Neabejotinai, šios lenktynės įkvėpė ir sukūrė pagrindą verslininko Elon Musk planui įkurti koloniją Marse.

Kolonijos Marse dar nėra, tačiau automobilį į kosmosą savo kompanijos darbo raketa Elonas paleido.

Ir be Elono, kosminės misijos vyko ir vyks toliau, nes mes vis dar norime žinoti daugiau apie Visatą. Ir ne tik Visatą. Fundamentinis mokslas yra tiesioginė mūsų, kaip visuomenės, smalsumo išraiška, pačių ambicingiausių problemų sprendimas su neprognozuojamais, bet praktiškai pritaikomais rezultatais.

Parengta pagal:

1. Original post on Oscillatory Thoughts blog: Basic science is about creating opportunities
2. Studying monkey social behaviors and eating habits lead to insights into HIV
3. Research into how algae move toward light paved the way for optogenetics: using light to control brain cells
4. Black holes gave us WiFi
5. Optometry informs architecture and saved lives on 9/11
6. Why Crunching Data For Science Is the Future of Game-Playing
7. Basic physics experiments and the Fibonacci sequence help us understand plant growth and neuron development
8. Astronomers informing medical imaging
9. Biologists studying animal locomotion leads to insights for developing more versatile robots
10. (.pdf)
11. Studies in slime mold colony building and leaf vein structure inform better designs for city planning and infrastructure
12. Researchers exploring manganese oxides for some interesting electronic properties discover perfect blue pigment
13. Einstein's theory of relativity enables GPS to work.
14. Fleming wanted to figure out why bacteria were not growing in dirty petri dishes, and discovered penicillin
15. Mendel wanted to know more about breeding sweet peas, and out came the modern evolutionary synthesis
16. Investigations of why particular bacteriophages could not infect certain strains of bacteria (restriction) led to the discovery of restriction enzymes, which were essential for genetic engineering.
17. Barnett Rosenberg tried to investigate effects of electric currents on bacterial growth. He then realised that his results were due to an electrolysis product form a platinum electrode. This led to the use of cisplatin - the first platinum-based anti-cancer agent.
18. Studying the hot spring scum Thermus aquaticus lead to a revolution in modern molecular biology (High Temperature Stable Polymerase)
19. Studying how bacteria fight off viruses led to CRISPR

L. Klevas