СКАНЕР ПРОТИ СКАЛЬПЕЛЯ - Наука - dt.ua

СКАНЕР ПРОТИ СКАЛЬПЕЛЯ

21 лютого, 2003, 00:00 Роздрукувати Випуск №7, 21 лютого-28 лютого

На п’єдесталі нового пам’ятника, спорудженого біля Санкт-Петербурзького університету, поважно всівся.....

Планарія
Планарія

На п’єдесталі нового пам’ятника, спорудженого біля Санкт-Петербурзького університету, поважно всівся... кіт. Університетські вчені (їх підтримали колеги з інститутів фізіології ім.І.Павлова, еволюційної фізіології та біохімії ім. І.Сєченова, мозку людини, біорегуляції та геронтології, інших знаменитих на весь світ наукових установ) вирішили, що час покаятися перед тваринами, без яких не було б багатьох відкриттів у біології. Кіт Василь — уже третій у світі пам’ятник лабораторній тварині — після жаби в Сорбонні та «павлівської» собаки біля Інституту експериментальної медицини в Петербурзі. На його відкритті вчені цікавилися: наскільки виправданими є ці жертви? Спільну думку висловила академік РАН і РАМН Наталія Бехтерєва: «Потрібно визнати, що результати експериментів на вищих тваринах важко інтерпретуються стосовно людини, найчастіше це не лише занапащені мурки й барбоси, а й даремно витрачений час дослідника. Сьогодні в біології перевагу віддають альтернативним методам дослідження».

Віртуальний біологічний музей — що це таке?

До таких альтернативних методів дослідження, про які говорила Наталія Бехтерєва, відноситься й комп’ютерна біологія. Це — такий собі фронтир між біологією й інформатикою, прикордонна галузь, що бурхливо розвивається і розгалужується, використовуючи можливості комп’ютерів і цифрової фото- й відеотехніки. Сюди відноситься математичне моделювання біологічних процесів, робота з комп’ютерними базами даних. Є в Інтернеті й різноманітні біологічні колекції — електронні версії традиційних зоомузеїв, гербаріїв або визначники, де представлено «портрети» зафіксованих, засушених і відпрепарованих рослин і тварин.

Віртуальний біологічний музей, про який піде мова, принципово різниться від інших мережних біологічних колекцій. Він задуманий як електронне зібрання зображень живих, підкреслюю, живих тварин і рослин, зроблених на основі єдиних стандартів. Ідея створення незвичного музею належить кандидату біологічних наук, старшому науковому співробітнику Інституту теоретичної й експериментальної біофізики Російської академії наук (ІТЕБ РАН) Харлампію Тірасу. На думку фахівців, новий інтернет-ресурс може стати інформаційною базою нової науки про живий організм — фізіоміки.

Хоча в принципі зображення експонатів має бути представлене тут за допомогою тривимірних файлів, творці музею вирішили розпочати з простішого, але також необхідного завдання — створення іміджів так званих «плоских» біологічних об’єктів. Звісно, насправді вони мають і третій вимір, однак їхня зорова уява описується плоским, двомірним зображенням без спотворення істинних розмірів і пропорцій.

Найпростіший приклад — листя рослин. Усе, що потрібно знати ботаніку про листок, дає його фотографія або відскановане зображення. Зараз у музеї представлена перша колекція листя липи, дуба і клена з різних місць Московської і Тульської областей. До «плоских» об’єктів можна віднести метеликів і бабок, а також інші групи комах, систематика яких багато в чому спирається на форму і жилкування крил. Слід додати, що іміджі рослин створюються за допомогою планшетних сканерів із розрізненням 600 dpi, а іміджі метеликів — шляхом сканування кольорових слайдів із розрізненням 2820 dpi. Для постійного зберігання первинна інформація переноситься на стрічку, зберігаються також оригінальні зображення на слайдах.

З інших зоологічних груп найбільш підходящими експонатами виявилися прісноводні плоскі черви планарії. Ось ви бачите на знімку живого, здорового і, так і хочеться сказати, життєрадісного екземпляра. Річ у тім, що фото- і відеозображення планарії робилися в той момент, коли тварина спокійно, без примусу переміщалася по дну чашки Петрі. Найменше порушення плавного руху планарії вчені кваліфікували як артефакт, реєстрацію припиняли й чекали, коли вона заспокоїться і знову спокійно заковзає на своїх війках по дну чашки. Експериментатор у цьому разі виступає в ролі спостерігача — лише в таких умовах площа і пропорції тіла планарії залишаються незмінними при послідовній зйомці декількох кадрів.

Будь-який користувач Інтернету зможе ввійти в сервер віртуального музею й отримати електронні зображення рослин і тварин із необхідною йому якістю. Передбачається трирівнева система збереження зображень: у вигляді «легких» і «середніх за вагою» jpg-файлів у прямому доступі на сайті віртуального музею, а також «важких» tiff-файлів, що відправляються користувачу за спеціальним запитом на компакт-дисках або по мережі.

За задумом творців музею взяти участь у поповненні його колекцій зможе будь-який відвідувач Мережі незалежно від місця проживання, національності, громадянства тощо. Цінність колекції лише зростає з розширенням географії місць, звідки були отримані зразки. А в перспективі творці ставлять перед собою завдання скласти каталоги представників флори та фауни різних біогеографічних регіонів Земної кулі. Таке завдання під силу лише всьому світовому науковому співтовариству. Єдина умова для добровільних помічників — дотримання єдиних стандартів для формування іміджів різних груп тварин, що включає певний тип файлів, масштаб і якість зображення, умови його отримання, інші технічні характеристики.

Як написано на сайті музею www.iteb.ru/biomuseum, «...це відкритий проект створення бази даних іміджів живих біологічних об’єктів». Український варіант тексту сайту — не випадковість. Переклад з російської мови належить киянину Олегу Гавришу, котрого з творцем музею зв’язує давнє наукове співробітництво. Вперше за багато років біологи Росії й України виступають із проектом міжнародного рівня. Втім, чому дивуватися: можливо, це єдиний напрям у сучасній біології, у якому зовсім невеликі вкладення завтра обернуться максимальною вигодою.

Харлампій Тірас
Харлампій Тірас

Коли якість переходить у кількість

Нові технології, — каже Х.Тірас, кандидат біологічних наук, старший науковий працівник ІТЕБ РАН, — дають ключ до вирішення однієї з найважливіших проблем загальної біології як науки: перехід її з розряду описових, «якісних» у розряд «кількісних» дисциплін. Щойно ми створили імідж того чи іншого об’єкта, ми отримали якийсь континуум цифр, який можна аналізувати із застосуванням усіляких кількісних ознак, включаючи таку найважливішу ознаку біологічного об’єкта, як колір. Спеціалісти отримують реальний шанс серйозного просування до вирішення найголовнішого завдання біології — опису живої природи нашої планети.

Відскановане оцифроване зображення листка чи крила метелика можна відразу ж виміряти за величезною кількістю параметрів. Майбутнім дослідникам просто треба буде брати цікаву для них інформацію із зображення, що має необмежений термін зберігання без втрати якості. Гадаю, музей — рішучий крок від старої доброї описової біології до біології «вимірювальної». Можна стверджувати, що сьогодні в біології взагалі й в анатомії та морфології зокрема відбувається «тиха» комп’ютерна революція. На основі аналізу віртуальних зображень з’являється океан нової інформації для систематики, досліджень внутрішньовидової та міжвидової розмаїтості.

— А якщо говорити конкретно на прикладі створених вами іміджів листя?

— Колекція листя рослин Московської та Тульської областей допоможе створити економічну систему моніторингу довкілля регіону. Вона включатиме іміджі рослин екологічно «чистих» і «брудних» точок області, що порівнюються за допомогою розроблених методів аналізу зображень. У нас уже є перші програми для такого аналізу.

Наприклад, листя з Троїцька будуть порівнювати з листям із Подольська, пущинське — з серпуховським тощо. Можливість формалізованого опису біологічних об’єктів дозволить охарактеризувати їхню базову, внутрішньовидову біорізноманітність. Це дасть можливість досліджувати дане явище, оцінити внутрішньо- і міжпопуляційне розмаїття, вивчити його географічну мінливість. На першому етапі проекту важливо відпрацювати алгоритми самого аналізу зображень і вибрати підхоже дерево.

— Те ж саме стосується планарій?

— Так, задум такий же — використовувати для систематики морфометрію прижиттєвих зображень. До речі, планарії — цікаві істоти. Відомо, що невід’ємна властивість живого об’єкта — дотримання пропорцій тіла в процесі його росту чи регенерації, тобто відновленні втрачених частин. Завдяки електронним іміджам було встановлено: мініатюрні планарії після відсікання головного кінця тіла вже в перші два тижні відновлюють із залишкового клітинного матеріалу структуру свого тіла й вихідні пропорції. Для того ж, щоб відновити вихідні розміри, тварині треба харчуватися ще два-три тижні.

— Давайте повернемося до пам’ятника коту...

— Етичні проблеми роботи з живими об’єктами — ще один аргумент «за» наш віртуальний музей. Щоб отримати імідж біологічного об’єкта, нам зовсім не потрібно його вбивати. Тварина фотографується живою — або в стандартних, «кабінетних» умовах, що цілком придатно для створення іміджів рослин і деяких малорухомих тварин, або в умовах природних.

Звернемося по аналогію до іншої біологічної дисципліни — науки про поведінку тварин. Спочатку тут домінували декартівські уявлення про представників фауни як про жорстких біологічних автоматів, що органічно випливало з науково-дидактичної практики, пов’язаної з медициною. Класичним прикладом цього уявлення слід визнати підхід великого російського фізіолога І.Павлова, медика за освітою. Не випадково основною поведінковою моделлю павлівської школи було вироблення умовного рефлексу у собак у станку, що жорстко фіксував тварину.

— Дійсно, у цих дослідах бідолашний собака виглядає, немов робот...

— Тут ключове слово — «станок». Переважає механістичне ставлення до тварини, розрахунок на те, що живий організм можна уявити у вигляді механізму, який можна розібрати на запчастини і вивчати окремо. Однак парадокс у тому й полягає: що далі ми заходимо всередину об’єкта, що витонченішими методами аналізуємо його, то дужче віддалимося від його вихідної структури. Особливо великих «успіхів» у цьому напрямі домоглася морфологія. У результаті за останні сто років такого прогресу ми навчилися добре розумітися на будові «мертвої» природи, але мало просунулися в розумінні будови природи живої.

Новий шлях до розуміння найскладніших аспектів внутрішнього життя представників фауни, тонких механізмів їхньої поведінки дала етологія — наука про природну поведінку тварин, основним методом якої є дистанційне спостереження за об’єктом. Не будемо зважувати, чий підхід був продуктивніший — обидва напрями посіли своє місце в історії науки. Але якщо натураліст, котрий спостерігає за своїм об’єктом у природних для нього умовах, зуміє адекватно зафіксувати спостереження на плівку чи диск, ми отримаємо в результаті максимально повну інформацію про тварину, про її поведінку чи морфологію.

— Які найближчі перспективи вашого музею?

— Зістикувати все зроблене з новим Інтернетом, який називається ГРІД, має геть інші швидкості передачі інформації й оперує пентабайтними базами даних. Ми почали вести переговори про те, щоб помістити первинну інформацію, тобто важкі тіффівські файли, в одну з точок російського сегмента ГРІДу.

І, звісно, ми готові до найширшого україно-російського співробітництва. Ми запрошуємо всіх зацікавлених учених приєднуватися до проекту і робити разом цю потрібну і велику справу. До речі, до нас у Пущино в школу з фізики живого й біоетики недавно приїжджала група дітей з Українського медичного ліцею Національного медичного університету ім.О.Богомольця. Під час занять, які проводилися разом із київськими колегами, я вів із дітьми вступний курс із альтернативного біотестування. Тепер ми готуємо візит у відповідь юних біологів Пущина до Києва — діти з пущинської СШ №2 РАО покажуть власні екологічні проекти і разом із киянами продовжать практичні заняття з планаріями за методом комп’ютерної морфометрії.

Роботи вистачить усім

Прагнення робити прижиттєві зображення живих істот не лише є виграшним із точки зору науки — воно відбиває глибоку повагу авторів проекту до життя, — розповідає кандидат біологічних наук, старший науковий працівник Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України Олег Гавриш. — Екологи кажуть, що ми, мабуть, уже живемо в епоху чергового великого вимирання — щодня з обличчя планети в середньому зникає один вид. Спробувати максимально зберегти образ нашої природи — хіба це не шляхетне завдання?

Дуже важливо, що проект музею пов’язаний із такими загальнобіологічними проблемами, як систематика, порівняльна морфологія, екологія, еволюційний розвиток. В останні десятиліття в «молекулярних відгалуженнях» біології надмірно захопилися аналізом «шматочків», тобто генів, білків тощо. Ми стали забувати про те, що ж таке, власне, біологія.

Проект віртуального біологічного музею має сьогодні ряд обмежень. Наприклад, поки в ньому будуть лише двомірні зображення, оскільки для тривимірного сканування потрібні томографи, які поки дуже дорогі. Робота музею пов’язана також із передачею дуже великих потоків інформації — «скан» лише одного листка рослини в tif-форматі займає обсяг у кілька мегабайтів. Однак усі ці обмеження носять тимчасовий характер і будуть долатися природним шляхом — комп’ютерна техніка стрімко вдосконалюється. Висловлювалися побоювання з приводу «віртуалізації» природи в комп’ютерному музеї. Але ж ніхто не скасовує звичайні музеї, ботанічні сади, заповідники й зоопарки, а також книги із зображеннями тварин і рослин чи відео- та кінофільми.

Віртуальний біологічний музей — один із найнезвичніших біологічних проектів сучасності. Його успіх багато в чому визначатиметься широкою відкритістю, максимально великою кількістю учасників, яким будуть доступні всі ресурси музею. Тут на ділі реалізуватимуть принцип: від кожного — за можливостями, кожному — за потребами.

За оцінками спеціалістів, на нашій планеті не менше 15 000 000 видів живих істот. Описано лише близько 1 700 000. Тож «жнив» вистачить на всіх.

Ми повідомляємо тільки дійсно важливі новини. Долучайся до Telegram-каналу DT.UA
Помітили помилку?
Будь ласка, позначте її мишкою і натисніть Ctrl+Enter
Додати коментар
Залишилось символів: 2000
Авторизуйтеся, щоб мати можливість коментувати матеріали
Усього коментарів: 0
Випуск №39, 19 жовтня-25 жовтня Архів номерів | Зміст номеру < >
Вам також буде цікаво