СКАНЕР ПРОТИВ СКАЛЬПЕЛЯ

На пьедестале нового памятника, сооруженного возле Санкт-Петербургского университета, важно восседает… кот. Университетские ученые (их поддержали коллеги из институтов физиологии им.И.Павлова, эволюционной физиологии и биохимии им. И.Сеченова, мозга человека, биорегуляции и геронтологии, других знаменитых на весь мир научных учреждений) решили, что пора покаяться перед животными, без которых не было бы многих открытий в биологии. 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».

Виртуальный биологический музей — что это такое?

К таким альтернативным методам исследования, о которых говорила Наталия Бехтерева, относится и компьютерная биология. Это — некий фронтир между биологией и информатикой, пограничная область, которая бурно развивается и разветвляется, используя возможности компьютеров и цифровой фото- и видеотехники. Сюда относится математическое моделирование биологических процессов, работа с компьютерными базами данных. Есть в Интернете и 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 остальных сетевых биологических коллекций. Он задуман как электронное собрание изображений живых, подчеркиваю, живых животных и растений, сделанных на основе единых стандартов. Идея создания необычного музея 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. Конечно, на самом деле они имеют и третье измерение, однако их зрительный образ описывается плоским, двухмерным изображением без искажения истинных размеров и пропорций.

Самый простой пример — листья растений. Все, что нужно знать ботанику о листе, дает его фотография или отсканированное изображение. Сейчас в музее представлена первая коллекция листьев липы, дуба и клена из разных мест 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. Стоит добавить, что имиджи растений создаются с помощью планшетных сканеров с разрешением 600 dpi, а имиджи бабочек — путем сканирования цветных слайдов с разрешением 2820 dpi. Для постоянного хранения первичная информация переносится на ленту, сохраняются также оригинальные изображения на слайдах.

Из других зоологических групп самыми подходящими экспонатами оказались пресноводные плоские черви планарии. Вот вы видите на снимке живого, здорового и, так и хочется сказать, жизнерадостного экземпляра. Дело в том, что фото- и видеоизображение планарии делались в тот момент, когда животное спокойно, без принуждения перемещалось по дну чашки Петри. Малейшее нарушение плавного движения планарии ученые квалифицировали как артефакт, регистрацию прекращали и дожидались, когда она успокоится и вновь спокойно заскользит на своих ресничках по дну чашки. Экспериментатор в этом случае выступает в роли наблюдателя — только в таких условиях площадь и пропорции тела планарии остаются неизменными при последовательной съемке нескольких кадров.

Любой пользователь Интернета сможет войти в сервер виртуального музея и получить электронные изображения растений и животных с необходимым ему качеством. Предусматривается трехуровневая система сохранения изображений: в виде «легких» и «средних по весу» jpg-файлов в прямом доступе на сайте виртуального музея, а также «тяжелых» tiff-файлов, которые отправляются пользователю по специальному запросу либо на компакт-дисках, либо по сети.

По замыслу создателей музея принять участие в пополнении его коллекций сможет любой посетитель Сети независимо от места проживания, национальности, гражданства и т. п. Ценность коллекции только возрастает с расширением географии мест, откуда были получены образцы. А в перспективе создатели ставят перед собой задачу составить каталоги представителей флоры и фауны разных биогеографических регионов Земного шара. Такая задача по плечу только всему мировому научному сообществу. Единственное условие для 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 www.iteb.ru/biomuseum, «…це відкритий проект створення бази даних іміджів живих біологічних об’єктів». 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. Впрочем, чему удивляться: возможно, это единственное направление в современной биологии, в котором совсем небольшие вложения сегодня-завтра обернутся максимальной выгодой.

Когда качество переходит в количество

— Новые технологии, — говорит Х.Тирас, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИТЭБ РАН, — дают ключ к решению одной из самых важных проблем общей биологии как науки: переход ее из разряда описательных, «качественных» в разряд «количественных» дисциплин. Как только мы создали имидж того или иного объекта, мы получили некий континуум цифр, который можно анализировать с применением всевозможных количественных признаков, включая такой важнейший признак биологического объекта, как цвет. Специалисты получают реальный шанс серьезного продвижения к решению самой главной задачи биологии — описанию живой природы нашей планеты.

Отсканированное оцифрованное изображение листа или крыла бабочки можно сразу же измерить по огромному количеству параметров. Будущим исследователям просто надо будет извлекать интересующую их информацию из изображения, имеющего неограниченный срок хранения без потери качества. Думаю, музей — решительный шаг от старой доброй описательной биологии к биологии «измерительной». Можно утверждать, что сегодня в биологии вообще и в анатомии и морфологии в частности происходит «тихая» компьютерная революция. На основе анализа виртуальных изображений появляется океан новой информации для систематики, 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. У нас уже есть первые программы для такого анализа.

Например, листья из Троицка будут сравниваться с листьями из Подольска, пущинские с серпуховскими и т.д. Возможность формализованного описания биологических объектов позволит охарактеризовать их базовое, внутривидовое биоразнообразие. Это даст возможность исследовать данное явление, оценить внутри- и межпопуляционное разнообразие, изучить его географическую изменчивость. На первом этапе проекта важно отработать алгоритмы самого анализа изображений и выбрать подходящее дерево.

— То же самое относится к планариям?

— Да, замысел такой же — использовать для систематики морфометрию прижизненных изображений. Кстати, планарии — интересные существа. Известно, что неотъемлемое свойство живого объекта — соблюдение пропорций тела в процессе его роста или регенерации, то есть восстановление утраченных частей. Благодаря электронным имиджам было установлено: миниатюрные планарии после отсечения головного конца тела уже в первые две недели восстанавливают из остаточного клеточного материала структуру своего тела и исходные пропорции. Для того же, чтобы восстановить исходные размеры, животному надо питаться еще две-три недели.

— Давайте вернемся к памятнику коту…

— Этические проблемы работы с живыми объектами — 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, что вполне годится для создания имиджей растений и некоторых малоподвижных животных, или в условиях естественных.

Обратимся за аналогией к другой биологической дисциплине — науке о поведении животных. Сначала здесь доминировали декартовские представления о представителях фауны как о жестких биологических автоматах, что органично вытекало из научно-дидактической практики, связанной с медициной. Классическим примером этого представления следует признать подход великого российского физиолога И.Павлова, медика по образованию. Не случайно основной поведенческой моделью павловской школы была выработка условного рефлекса у собак в станке, который жестко фиксировал животное.

— Действительно, в этих опытах бедная собака выглядит как робот…

— Здесь ключевое слово — «станок». Довлеет механистическое отношение к животному, расчет на то, что живой организм можно представить в виде механизма, который можно разъять на запчасти и изучать по отдельности. Но парадокс в том и состоит: чем дальше мы заходим в глубь объекта, чем более изощренными методами анализируем его, тем сильнее удаляемся от его исходной структуры. Особенно больших «успехов» в этом направлении добилась морфология. В итоге за последние сто лет такого прогресса мы научились хорошо разбираться в строении «мертвой» природы, но мало продвинулись в понимании строения природы живой.

Новый путь к пониманию сложнейших аспектов внутренней жизни представителей фауны, тонких механизмов их поведения дала этология — наука о естественном поведении животных, основным методом которой является дистанционное наблюдение за объектом. Не будем взвешивать, чей подход был более продуктивен, — оба направления заняли свое место в истории науки. Но если натуралист, который наблюдает за своим объектом в естественных для него условиях, сумеет адекватно зафиксировать наблюдение на пленку или диск, 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 пентабайтийными 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.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 киевлянами продолжат практические занятия с планариями по методу компьютерной морфометрии.

Работы хватит на всех

— Стремление делать прижизненные изображения живых существ не только выигрышно с точки зрения науки — оно отражает глубокое уважение авторов проекта к жизни, — рассказывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины Олег Гавриш. — 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 общебиологическими 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. Мы стали забывать о том, что же такое, собственно, биология.

Проект виртуального биологического музея имеет сегодня ряд ограничений. Например, пока в нем будут только двумерные изображения, поскольку для трехмерного сканирования нужны томографы, которые еще 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 стремительно совершенствуется. Высказывались опасения по поводу «виртуализации» природы в компьютерном музее. Но ведь никто не отменяет обычные музеи, ботанические сады, заповедники и зоопарки, а также книги с изображениями животных и растений или видео- и кинофильмы.

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. Здесь будет на деле реализовываться принцип: от каждого — по возможностям, каждому — по потребностям.

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