Знание-сила, 2003 № 07 (913)

Сканер против скальпеля

Для чего воздвигают памятники? Понятно, скажете вы, чтобы, проходя мимо, люди отдавали дань уважения и благодарности объекту поклонения.

На пьедестале нового памятника, сооруженного возле Санкт-Петербургского университета, важно восседает... кот. Университетские ученые, а их поддержали коллеги из институтов физиологии имени И.П. Павлова, эволюционной физиологии и биохимии имени ИМ. Сеченова, мозга человека, биорегуляции и геронтологии, других знаменитых на весь мир научных учреждений, решили, что пора покаяться перед животными, тысячами отдававшими свои жизни во имя Науки. Животными, без которых не было бы многих открытий в биологии.

Что характерно, кот Василий — уже третий в мире памятник лабораторному животному - после лягушки в Сорбонне и «павловской» собаки возле Института экспериментальной медицины в Петербурге. На его открытии ученые задавались вопросом: насколько оправданы эти жертвы? Общее мнение выразила академик РАН и РАМН Наталия Бехтерева: «Нужно признать, что результаты экспериментов на высших животных трудно интерпретируются применительно к человеку, зачастую это не только загубленные мурки и барбосы, но и напрасно потраченное время исследователя. Сегодня в биологии предпочтительнее альтернативные методы исследования».

К альтернативным методам исследования, о которых говорила Наталия Бехтерева, относится и компьютерная биология. Это некое соединение биологии и информатики, пограничная область, которая бурно развивается и разветвляется, используя возможности компьютеров и цифровой фото- и видеотехники. В Интернете есть разнообразные биологические коллекции — электронные версии традиционных зоомузеев, гербариев либо определители, где представлены «портреты» зафиксированных, засушенных и отпрепарированных растений и животных.

Виртуальный биологический музей, о котором пойдет речь, принципиально отличается от таких сетевых биологических коллекций. Он задуман как электронное собрание изображений живых, подчеркиваю, живых животных и растений, сделанных на основе единых стандартов. Идея его создания принадлежит кандидату биологических наук, старшему научному сотруднику Института теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук (ИТЭБ РАН) Харлампию Тирасу. По мнению специалистов, новый интернет- ресурс может стать информационной базой новой науки о живом организме — физиомики.

Хотя в принципе изображение экспонатов должно быть представлено здесь с помощью трехмерных файлов, создатели музея решили начать с более простой, но также необходимой задачи — создания имиджей так называемых плоских биологических объектов. Их зрительный образ описывается плоским, двумерным изображением без искажения истинных размеров и пропорций.

Самый простой пример — листья растений. Все, что нужно знать ботанику - о листе, дает его отсканированное изображение. К настоящему моменту в музее представлена первая коллекция листьев липы, дуба и клена из ряда точек Московской и Тульской областей. К «плоским» объектам можно отнести бабочек и стрекоз, а также другие группы насекомых, систематика которых во многом опирается на форму и жилкование крыльев.

Любой пользователь сети Интернет сможет войти в сервер виртуального музея и получить электронные изображения растений и животных с необходимым ему качеством.

По замыслу создателей музея принять участие в пополнении коллекций музея сможет любой посетитель Сети. Ценность коллекции только возрастает с расширением географии мест, откуда были получены образцы. А в перспективе создатели ставят перед собой задачу создания каталогов представителей флоры и фауны разных биогеографических регионов земного шара. Такая задача по плечу только всему мировому научному сообществу. Единственное условие добровольных помощников — соблюдение единых стандартов для формирования имиджей разных групп животных, что включает определенный тип файлов, масштаб и качество изображения, условия его получения, другие технические характеристики.

Как написано на сайте музея. Error! Reference source not found., «Еце вщкритий проект створення бази даних iмiажйвживих бюлопчних об’аспв». Украинский вариант текста сайта — не случайность. Перевод с русского языка принадлежит киевлянину Олегу Гавришу, которого с создателем музея связывает давнее научное сотрудничество. Впервые за много лет биологи России и Украины выступают с проектом международного уровня, опередив развитые страны. Возможно, это единственное направление в современной биологии, в котором совсем небольшие вложения сегодня обернутся максимальной выгодой в будущем.

(Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИТЭБ РАН, область интересов — компьютерная биология, биоэтика, альтернативное биотестирование, биологические измерения).

— А зачем ученым нужны такие имиджи? — спрашиваю я Харлампия Тираса.

— Новые технологии дают ключ к решению одной из самых важных проблем обшей биологии как науки: переход ее из разряда описательных, «качественных» к разряду «количественных» дисциплин. Объект можно анализировать с применением всевозможных количественных признаков, включая такой важнейший, как цвет. Специалисты получают реальный шанс серьезного продвижения к решению самой главной задачи биологии — описанию живой Природы нашей планеты.

Эго основная задача новой, компьютерной биологии, которая, в сущности, являет собой новое лицо «старой» классической биологии. В науке всегда важно размежеваться, чтобы отделить новую науку от других областей биологии, которые тоже занимаются информационными ресурсами, например, от биоинформатики. Компьютерная биология только начинается с момента создания электронного изображения, а продолжается в процессе анализа.

Думаю, что музей — это решительный шаг от старой доброй описательной биологии к биологии «измерительной». Можно утверждать, что сегодня в биологии вообще, а в анатомии и морфологии в частности, происходит «тихая» компьютерная революция. На основе анализа виртуальных изображений появляется океан новой информации для систематики, для исследований внутривидового и межвидового разнообразия.

— А если говорить конкретно на примере созданных вами имиджей листьев?

— Коллекция листьев растений Московской и Тульской областей поможет создать экономичную систему мониторинга окружающей среды региона. Она будет включать имиджи растений экологически «чистых» и «грязных» точек области, которые сравниваются с помощью разработанных методов анализа изображений для количественного сравнения состояния листьев из соответствующих городов. У нас уже есть первые программы для такого анализа.

Например, листья из Троицка будут сравниваться с листьями из Подольска, путинские с серпуховскими и тщ. Возможность формализованного описания даст возможность исследовать внутривидовое разнообразие этих объектов, изучить географическую изменчивость.

— Давайте вернемся к памятнику коту...

— Этические проблемы работы с живыми объектами — это еще один аргумент «за» наш виртуальный музей. Для того чтобы получить имидж биологического объекта, нам вовсе не нужно его убивать. Животное фотографируется живым — или в стандартных, «кабинетных» условиях, или в естественных условиях.

Обратимся за аналогией к другой биологической дисциплине — науке о поведении животных. Сначала здесь доминировали декартовские представления о животных как о жестких биологических автоматах, что органично вытекало из научно-дидактической практики, связанной с медициной.

Новый путь к пониманию сложнейших сторон внутренней жизни животных, тонких механизмов их поведения дала этология - наука о естественном поведении животных, основным методом которой является дистанционное наблюдение за объектом. Если натуралист, который наблюдает свой объект в естественных для него условиях, сумеет адекватно зафиксировать наблюдение на пленку или диск, то мы получим в итоге максимально полную информацию о животном, о его поведении или морфологии.

— Каковы ближайшие перспективы вашего музея?

— Состыковать все сделанное с новым Интернетом, который называется ГРИД, имеет совершенно другие скорости передачи информации и оперирует пентабайтными базами данных. Мы начали вести переговоры о том, чтобы поместить первичную информацию, то есть тяжелые тиффовские файлы, в одну из точек российского сегмента ГРИДа.

И конечно, мы готовы к самому широкому украинско-российскому сотрудничеству. Мы приглашаем всех заинтересованных ученых присоединяться к проекту и делать вместе это нужное и большое дело. Кстати, к нам в Пущино на школу по физике живого и биоэтике недавно приезжала группа детей из Украинского медицинского лицея Национального медицинского университета им. А.А. Богомольца. Во время занятий, которые проводились вместе с киевскими коллегами, я вел с ребятами вводный курс по альтернативному биотестированию. Теперь мы готовим ответный визит юных биологов Пущина в Киев — ребята из пущинской СШ №2 РАО покажут собственные экологические проекты и совместно с хозяевами-киевлянами продолжат практические занятия с планариями по методу компьютерной морфометрии.

(Кандидат биологических наук. Работает старшим научным сотрудником Института биоорганической химии и нефтехимии ИЛИ Украины. Бактериальные токсины, выделенные и очищенные украинскими специалистами, в том числе Олегом Гавришем, Харлампий Тирас использует в своей работе по изучению регенерации планарий).

Проект создания виртуального музея биологических объектов сразу расположил меня своей гуманностью. Стремление делать прижизненные изображения живых существ не только выигрышно с точки зрения науки, но и отражает глубокое уважение авторов проекта к жизни. Экологи говорят, что мы, вероятно, уже живем в эпоху очередного великого вымирания — каждый день с лица планеты в среднем исчезает один вид. Попытаться максимально сохранить образ нашей природы — разве это не благородная задача?

Очень важно, что проект музея связан с такими обшебиологическими проблемами, как систематика, сравнительная морфология, экология, эволюционное развитие. В последние десятилетия в «молекулярных ответвлениях» биологии чрезмерно увлеклись анализом «кусочков», то есть генов, белков и т.д., который шедро финансируется транснациональными фармацевтическими компаниями. Мы стали забывать о том, что же такое, собственно, биология.

Мы не всегда внимательны к течению времени, хотя еще две с половиной тысячи лет тому назад один эфесский мудрец предупреждал нас — «все течет».

Например, было непонятно, как в мезозое мог летать птеранодон — крылатый яшер с размахом крыльев около 16 метров, да еще и хищник. И вот была выдвинута геологическая гипотеза. Очевидно, в мезозое наша планета при той же массе имела существенно меньшие размеры и была сплошь покрыта сушей. Соответственно, ускорение силы тяжести на поверхности земли было иным, иным было и атмосферное давление. И тогда птеранодон легко мог летать! То есть и птеранодон, и сегодняшние животные есть составляющие современной им биосферы и несут в себе отпечаток и ее особенностей, и всего окружающего их мира. Значит, в какой-то мере компьютерные изображения биологических объектов в музее будут и «моментальными снимками» времени, в котором мы живем!

Проект виртуального биологического музея имеет на сегодняшний день ряд ограничений. Например, пока в нем будут только двумерные изображения, поскольку для трехмерного сканирования нужны томографы, которые пока весьма дороги. Работа музея связана также с передачей весьма значительных потоков информации — «скан» только одного листа растения в tif-формате занимает объем в несколько мегабайт. Однако все эти ограничения носят временный характер и будут преодолеваться естественным путем — компьютерная техника постоянно стремительно совершенствуется.

Виртуальный биологический музей — один из самых необычных биологических проектов современности. Его успех во многом будет определяться широкой открытостью, максимально большим количеством участников, которым будут доступны все ресурсы музея. То есть здесь будет на деле реализоваться принцип: от каждого — по возможностям, каждому — по потребностям, В проекте сразу закладывается дух взаимопомощи и искреннего сотрудничества, чуждый оголтелой конкуренции, когда нужно мчаться к «финишу» — расшифровать чего-то там в геноме или «склепать» клонированного ребенка — в надежде выхватить у соперников свой кусок славы, перспективные контракты или привлекательные гранты.

По оценкам специалистов, на нашей планете не менее 15 000 000 видов живых существ, а описано только около 1 700 000. Так что жатвы на всех хватит.