Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности

А вот Фрэнк Мосс, биофизик из Миссурийского университета в Сент-Луисе, решил в 1993 году поисследовать речных раков. Мосс давно подозревал, что животные используют стохастический резонанс, дабы увеличить свои шансы при размножении. Его очень впечатлили находки Мизенбока.

Одна из работ Мосса стала первой, где удалось показать, что привнесенный извне шум может действовать в рамках стохастического резонанса. Мосс изучал веслоносых рыб, которые отыскивают пищу, пользуясь электросенсорами в своем рыле, чтобы улавливать слабые электрические сигналы, испускаемые планктоном, их обычной добычей. Мосс поместил такую рыбу в резервуар с водой, содержащий планктон и два электрода, которые генерировали шум в форме случайно варьирующегося электрического поля. Замерив эффект шума, он обнаружил: существует некоторая промежуточная амплитуда, при которой охота рыбы на планктон гораздо успешнее.

Оптимальность этого успеха при «среднем» уровне шума – одна из характерных особенностей стохастического резонанса: если шума слишком мало, сигнал не достигает порогового значения, а если шума слишком много, сигнал в нем попросту тонет. Таким образом, соотношение уровня шума и уровня пользы от этого шума можно в данном случае изобразить как перевернутую вверх ногами букву U.

Затем Мосс решил заняться дафниями – мелкими водяными рачками. Он полагал, что эти изыскания помогут ему получить новые доводы в пользу существования стохастического резонанса, порождаемого самим организмом.

Дафния кормится характерным образом: последовательность ее движений при этом – прыжок, пауза, поворот под углом и еще один прыжок. Углы поворота различны и невооруженному глазу кажутся случайными.

Однако Мосс считал иначе. Вместе с коллегами он записал на видео поведение пяти видов дафний, добывавших себе пищу в мелководном аквариуме, и замерил сотни углов поворота. Построив частотное распределение для этих углов, ученые обнаружили, что оно не носит совершенно случайный характер: некоторые углы наблюдались заметно чаще, чем другие. Общее распределение можно математически описать, применив параметр, именуемый «интенсивностью шума». Это мера его случайности («шумности»).

Затем ученые построили компьютерные модели кормящихся дафний, основываясь на разных интенсивностях шума. Наиболее выгодной стратегией сбора пищи стала именно та, где уровень интенсивности шума совпадал с тем, который зафиксировали, наблюдая реальных дафний. Более низкая или более высокая интенсивность шума уменьшала успешность охоты – в полном согласии с перевернутой U для стохастического резонанса. Пока никто не знает, каким образом дафнии генерируют именно такое распределение углов поворота, но команда Мосса заявляет, что это пример стохастического резонанса в действии, а кроме того, что это распределение порождается где-то в организме дафнии – возможно, в ее мозгу. По мнению Мосса, оптимальная интенсивность шума должна являться продуктом естественного отбора, поскольку дафния, которая пользуется оптимальной интенсивностью шума, будет находить больше пищи, тем самым максимизируя свою приспособленность к условиям среды обитания.

Однако идея, согласно которой биологические системы используют генерируемые ими же шумы, по-прежнему вызывает массу вопросов. Вот один из главных: является ли истинным шумом то, что порождается локальными нейронами дрозофилы? Барт Коско, инженер-электротехник из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, автор книги «Шум» (2006), заявляет: он в этом отнюдь не убежден.

Шум имеет строгое математическое определение, и то, что в сложной биологической системе выглядит как шум, обычно оказывается просто утечкой сигнала. «Необходимо вычленить источник этого «шума» и узнать, действительно ли он обладает статистическими характеристиками шума», – указывает Коско. Если выяснится, что это не «истинный шум», тогда, по определению, вы имеете дело не со стохастическим резонансом.

Нейробиолог Георги Бузаки из Нью-Йоркского университета идет еще дальше. Он заявляет: если нечто усиливает поступающие в мозг слабые сигналы, позволяя им преодолевать пороговые значения, то это «нечто» – вряд ли шум. «Генерирование шума – процесс весьма дорогостоящий, – подчеркивает ученый. – Хорошая система попросту не может себе этого позволить. А мозг мы все-таки считаем хорошей системой».

Бузаки согласен с Мизенбоком в том, что касается возможности существования «шумоподобного» сигнала, модулирующего мозговую активность у млекопитающих. Но, по мнению Бузаки, для этого не нужны специальные схемы, вырабатывающие шум. Он напоминает о спонтанной нейронной активности, свойственной всем участкам мозга.