28 октября 2020 года исполнилось 40 лет Канзи. Это самый известный представитель бонобо карликовых шимпанзе, дикие популяции которых обитают в Экваториальной Африке на территории Демократической Республики Конго. Канзи известен как первый представитель своего вида (и человекообразных обезьян в принципе), самостоятельно освоивший языковое общение.

Канзи можно назвать раскрученной персоной в области антропологии. В частности, о нем рассказано в книге Светланы Бурлак Происхождение языка. Факты, исследования, гипотезы, а еще в 1996 году вышла отдельная книга, посвященная этому примату. Канзи упоминается в книге Александра Маркова Обезьяны, кости, гены, книге Франса де Вааля Истоки морали, которая в оригинале называется The Bonobo and The Atheist, а также в журнале Троицкий вариант. Общее впечатление о Канзи можно составить по этой публикации с сайта Антропогенез, а в особенности по книге З.А. Зориной и А.А. Смирновой О чем рассказали говорящие обезьяны.

История изучения

Интерес к бонобо в XXI веке в принципе достаточно высок, так как считается, что они наиболее близки к нашему общему предку (от которого произошли люди, шимпанзе и бонобо). Тем не менее, в работах Вааля и других исследованиях основное внимание уделяется поведенческим и, в частности, сексуальным привычкам бонобо. Языковые и когнитивные способности Канзи, а также его ближайших кровных родичей, освещены значительно более скупо что отчасти объяснимо, так как Канзи лабораторная обезьяна, и ему, возможно, просто повезло родиться в нужном месте в нужное время. Поэтому в данной публикации я хочу рассказать именно о выдающихся языковых способностях Канзи, а также о том, насколько могут считаться настоящей речью его коммуникативные навыки.

Попытки научить обезьяну человеческой речи известны как минимум с начала XX века. В 1913 году Надежда Николаевна Ладыгина-Котс приобрела маленького шимпанзе Иони, который прожил у нее полтора года, а затем умер от инфекции. Гораздо более интересны биографии гориллы Коко (1971-2018) и шимпанзе Уошо (1965-2007), а также шимпанзе по имени Ним и прозвищу Чимпски (1973-2000) Коротко охарактеризуем языковое развитие каждого из этих приматов в том числе, чтобы показать, в чем их сходство с Канзи и отличие Канзи от них.

Уошо, Коко, Ним

Уошо воспитывалась в человеческой семье у психологов Аллена и Беатрис Гарднеров, которые успешно научили ее американскому жестовому языку для глухонемых (амслену). Такой подход был избран с целью исправить недостатки более раннего опыта, проведенного примерно 10 годами ранее когда психологи Кит и Кэтрин Хейс пытались обучить человеческому языку шимпанзе Вики. Вики смогла освоить всего четыре слова, но это, вероятно, связано с отличиями в устройстве гена FOXP2, который отвечает у человека за речевую деятельность, а у шимпанзе нет. Кроме того, обезьяны с трудом осваивают контроль над дыханием, необходимый для связной речи, и не могут сравниться с человеком по подвижности губ. По оценке Гарднеров, Уошо самостоятельно овладела более чем 200 лексемами, причем, умела изобретать составные жесты самостоятельно придумывая названия для ранее незнакомых предметов. Опыт Гарднеров подвергся критике, которую психолог Герберт Террейс выразил как Смысл увиденного понят человеком, а он приписывает эту способность обезьяне. Опыт, поставленный Гарднерами с Уошо, Террейс попытался повторить с шимпанзе по кличке Ним Чимпски что прозрачно намекает на персону знаменитого лингвиста Ноама Хомского. Ноам Хомский (род. 1928) полагает, что сугубо человеческая языковая способность заключается в освоении грамматики, а не только отдельных слов и простейших синтаксических конструкций. Ним не освоил синтаксических конструкций, хотя и выучил около 125 жестов. Вполне вероятно, что все дело в неверной постановке эксперимента Ним был лабораторным животным, тогда как Уошо с раннего детства воспитывалась в человеческой семье.

Значительно больших успехов в освоении человеческого жестового языка добилась горилла Коко. Она выучила около 1000 жестов, умела шутить, ругаться, выражать скорбь, легко изобретала новые понятия. Также она помогла освоить около 600 жестов самцу Майклу, вместе с которым жила с 1979 года. Здесь также отметим, что Коко целенаправленно обучали амслену с возраста около 1 года.

Феномен Канзи

Принципиальное отличие Канзи от всех вышеперечисленных особей заключается в том, что он научился языковому общению самостоятельно. Впрочем, отметим здесь и сходство Канзи с другими вышеупомянутыми обезьянами он с самого раннего детства общался с людьми. Он был приемным детенышем самки бонобо по имени Матата, которую обучали йеркишу - особой разработанной для обезьян системе символов, которые можно было нажимать на клавиатуре для составления слов и высказываний. В специальной литературе они называются лексиграммами; подробнее о знаковой системе йеркиш можно почитать здесь.

Феномен Канзи заключался в том, что он по малолетству просто сопровождал Матату на занятия йеркишем. И, тогда как Матата испытывала огромные сложности с изучением этого языка, Канзи превосходно освоил его, просто находясь рядом, играя и дурачась. Известно более 13000 предложений, которые он самостоятельно составил из лексиграмм.

В статье The emergence of knapping and vocal expression, embedded in a Pan/Homo culture, подготовленной в 2004 году в университете штата Джорджия, затрагивается не менее важный аспект развития Канзи, нежели его речевая деятельность а именно, фактическая неспособность Канзи и его сестры Панбаниши к изготовлению каменных орудий. Мы подробнее рассмотрим этот феномен ниже, но пока остановимся на приведенном в этой статье списке факторов, подчеркивающих уникальность развития Канзи и Панбаниши:

Процесс воспитания и культурной адаптации этих бонобо весьма отличается от аналогичных языковых проектов по следующим причинам:

(a) При работе не использовалось системы ассоциативного обучения и/или вознаграждения.

(b) Детенышей не отлучали от (приемной) матери.

(c) Детеныши воспитывались одновременно в человеческой культуре и сообществе бонобо.

(d) Не предпринимались попытки обучать звуковой коммуникации ни Канзи, ни Панбанишу, но они сами пробовали общаться как фонетически, так и лексически.

Кроме того, уже в одной из первых статей о Канзи, вышедшей в 1999 году, указано, что он обладает рудиментарными синтаксическими навыками. Предполагается, что Канзи можно сравнить с ребенком, страдающим специфическим расстройством речи (SLI), и педагогическая работа с Канзи напоминает работу с такими детьми.

Наиболее важный аспект, касающийся воспитания Канзи как раз в том, что его никто специально не натаскивал на язык. Напротив, Канзи воспитывался в человеческом обществе, где пользовался именно таким повышенным вниманием, которое получает ребенок с задержкой в развитии, если эту задержку удастся диагностировать достаточно рано. Именно поэтому Канзи удалось развить лингвистические и когнитивные навыки, значительно превосходящие самые смелые ожидания о подобных способностях приматов.

Итак, для демонстрации вполне человеческой языковой способности Канзи важно продемонстрировать, что он понимает и использует не только синтаксис, но и грамматику. Приведем два примера (рассказывает Сью Рамбо, преподавательница Канзи):

Важность синтаксиса для бонобо впервые была выявлена при попытке объяснить Канзи событие, не вполне буквально характеризовавшее то, что хотела сказать автор. Автор сидела рядом с клавиатурой и нарезала корм для Канзи. Она случайно задела большой палец ножом. Канзи не видел, как это произошло, поскольку в тот момент увлеченно играл с игрушкой. Повернувшись, он увидел, что палец у женщины кровоточит. Канзи проявил озабоченность и удивление, не понимая, как это случилось. Поскольку на клавиатуре с лексиграммами не было слова резать, Сью набрала нож поранил Сью (Knife hurt Sue). В ответ Канзи издал громкий тревожный вопль и швырнул нож через всю комнату. Автор отмечает, что такая реакция неадекватна в случае небольших травм. Как правило, пытаясь смягчить небольшие травмы, Канзи почесал бы или погладил больное место. Именно это он и сделал бы, если бы Сью сказала: Я порезалась ножом. Но в данном случае Канзи отреагировал не на подразумеваемое значение, а на синтаксис произнесенной фразы, поступив с ножом так, если бы нож действовал по собственному умыслу. Если бы Канзи воспринимал только лексические значения слов нож и поранить, а не синтаксическую структуру, в которую они встроены, то не мог бы приписать ножу активное действие в данном случае. Этот факт приоткрыл значительные синтаксические способности Канзи, которые ранее недооценивались. Тогда Сью, осознав, что произошло, по-английски объяснила Канзи, что на самом деле нож ее не резал, а она сама случайно порезалась. Канзи воспринял это пояснение слегка подозрительно, но далее действовал так, как будто нож уже не представляет угрозы, и предложил погладить ранку.

В другом случае Канзи продемонстрировал способность к осознанному выбору из множества вариантов на основании сообщенной ему информации:

В ответ на просьбу Принеси помидор, который лежит в микроволновке Канзи должен был проигнорировать несколько помидоров, в том числе, лежащий прямо перед ним, и сходить к микроволновке. Открыв микроволновку, он должен был проигнорировать другие предметы, лежащие в ней, и вернуться с одним лишь помидором. Если бы он понимал только отдельные слова, помидор и микроволновка, то сходил бы к микроволновке, вернулся и передал экспериментатору тот помидор, который лежал ближе всего. Однако, поскольку Канзи понимает рекурсивную семантику, заключенную в обороте который в микроволновке, он осознал, что экспериментатор говорит не о любом из помидоров, лежащих в комнатке, а о конкретном, находящемся именно там, где указано. Особенно важно, что, при отсутствии такой конкретики в синтаксической структуре, например, Сходи к микроволновке и принеси помидор, Канзи замечал такую разницу и возвращался с любым помидором, а не именно с тем, что лежал в микроволновке.

Таким образом, человеческая языковая способность во многом заключается в умении усвоить грамматику родного языка. Ребенок, развивающийся в человеческом обществе (не являющийся маугли) легко осваивает один или несколько языков, на которых с ним говорят до трехлетнего возраста, и особенно в трехлетнем возрасте. При этом он отнюдь не получает такого систематического обучения, как при осваивании иностранного языка, усваивает язык спонтанно, методом проб и ошибок. Именно это произошло с Канзи и его сестрами. Согласно выводам, сделанным в статье Kanzi, evolution and language (Канзи, эволюция и язык), языковой способностью мог обладать последний общий предок человека, шимпанзе и бонобо, но лишь у человека эта способность оказалась важной с эволюционной точки зрения.

Здесь важно упомянуть, что Канзи общался высказываниями и предложениями не только с людьми, но и со своими сестрами, в особенности с Панбанишей. Примеры таких эпизодов, в которых фигурировали как вокализации, издаваемые самими бонобо, так и обращение к клавиатуре с лексиграммами:

Канзи - Панбанише. Экспериментатор варил яйца, и Канзи мог наблюдать за этим из своей спальной клетки, которая была расположена первой в ряду таких спален. Панбаниша была в третьей клетке, и не могла видеть, что готовит экспериментатор. Первый экспериментатор попросил Канзи, чтобы тот при помощи клавиатуры сообщил Панбанише: яйца вот-вот будут готовы. Канзи обратился к Панбанише голосом. Панбаниша, в это время уже на протяжении около 5 минут поглаживавшая другого экспериментатора, прекратила это занятие, подошла к клавиатуре с лексиграммами и попросила яйцо.

Панбаниша Канзи: Панбанише показали мешочек арахиса и попросили передать Канзи, что она видела. Она издала очень тихий звук. Канзи немедленно ей ответил и набрал на клавиатуре лексиграмму арахис.

Язык или просто коммуникация?

Все вышеизложенное позволяет сформулировать принципиальный вопрос о том, что же демонстрируют все подобные опыты: настоящий язык или только коммуникацию? Исследования с участием Канзи вызвали резкую критику в научном сообществе, в частности, со стороны Стивена Пинкера, автора книг Язык как инстинкт и Чистый Лист. Он сказал, что Канзи своими навыками напоминает ему медведей из московского цирка, которых научили кататься на одноколесном велосипеде. По мнению Пинкера, Канзи изучил элементы человеческой коммуникации, освоив клавиатуру с лексиграммами, но языковой эту способность назвать нельзя. Пинкер в частности, указывает, что Чтобы насчитать сотни слов обезьяньего словаря, исследователи также переводили указующее движение шимпанзе как жест ты, объятия как знак обнимать; подбирание чего-либо с пола, щекотание и поцелуи как знаки подбирать, щекотать и целоваться. Зачастую одно и то же движение шимпанзе истолковывали как разные слова, в зависимости от того, каким, по мнению наблюдателей, могло быть соответствующее слово в данном контексте. В том эксперименте, где шимпанзе общались с компьютером, клавиша, которую шимпанзе должен был нажать, чтобы включить компьютер, была переведена как слово пожалуйста.

В диссертации, защищенной в университете штата Айова, однако, указано, что способности взрослого Канзи никак нельзя свести к дрессировке. Отмечается, что бонобо как вид в целом склонны к активной коммуникации в группе, поэтому Канзи мог изучать и систему лексиграмм, и английский язык как второй и третий иностранный. Учитывая вышеупомянутое замечание о том, что Канзи занимался изучением лексиграмм с самого юного возраста, а также рос одновременно в человеческом социуме и социуме бонобо, его развитие скорее можно сравнить с развитием ребенка-билингва. При этом Канзи употребляет несколько сотен слов, а понимает до трех тысяч, сочетая использование лексиграмм и английского жестового языка. Он достиг таких успехов в изучении языка во многом потому, что это занятие было ему интересно, и напоминало скорее игру, чем учебу. Также лингвистические занятия Канзи не имели практического значения в качестве средства для выживания.

В данном контексте интересно отметить, что Канзи не заинтересовался изготовлением орудий труда. Но он заинтересовался разведением огня и поджариванием пищи Сью Рамбо рассказывает, что Канзи увидел процесс разжигания огня по телевизору и попросил, чтобы его этому научили. Недаром так известна фотография, на которой Канзи шурует палочкой в костре:

Не менее интересно посмотреть небольшое видео, демонстрирующее, что Канзи умеет обращаться с зажигалкой и подкидывать в костер дровишки:

Другая знаковая фотография демонстрирует, с каким удовольствием Канзи выдувает мыльные пузыри:

При всей кажущейся невинности и несерьезности эта игра доказывает, что Канзи, в противовес общепринятому мнению, умеет контролировать напор выдуваемого воздуха что является одним из важнейших условий для членораздельного голосового общения.

Вернемся, однако, к вопросу изготовления орудий труда. Известно, что обычные шимпанзе достигают в этом такого мастерства, что выдвигается предположение, будто каменный век у них длится уже не менее 4000 лет. Подробнее об изготовлении каменных и деревянных орудий шимпанзе и другими обезьянами рассказано здесь. Речь идет и о каменных отщепах, и о наковальнях для раскалывания орехов, и о приспособлениях для сбора меда, и о полноценных копьях. Александр Марков рассказывает о том, что шимпанзе просто не хватает оперативной памяти для изготовления сложных орудий труда, и даже раскалывание орехов дается им достаточно сложно. В другой статье при этом отмечается, что бонобо, живущие в Конго, значительно уступают шимпанзе в изготовлении орудий труда, хотя, колоть орехи камнями умеют.

Канзи также не сумел сам научиться изготовлению орудий труда. Почти цитата из книги Александра Маркова Обезьяны, кости, гены:

Он научился раскалывать камни, бросая один на другой сверху. При этом действительно получаются обломки с острыми краями, которыми можно пользоваться как орудиями. Но технология, применявшаяся человеком умелым держать в одной руке ядрище, в другой молот и откалывать отщепы точными ударами, по-видимому, оказалась для Канзи слишком сложной. Он пытался так работать, подражая экспериментаторам, но удары получались слишком слабыми.

Заключение

Итак, можно сделать вывод, что исключительные лингвистические успехи Канзи ближе к настоящему языку, чем к животной коммуникации. Вполне вероятно, что в дикой природе такой высокоинтеллектуальный самец просто не нашел бы применения языковой способности и обошелся коммуникацией, присущей представителям своего вида. Также, как указано в этом материале с сайта Этология, феномен говорящих обезьян может означать, что коммуникативная функция ошибочно считается важнейшей и основополагающей функцией языка. Возможно, язык появился у наших предков как средство для описания окружающего мира и его систематизации во все более абстрактных категориях. Развитая коммуникация при этом уже могла присутствовать в сообществах таких приматов.

Языковое общение упирается в объем оперативной памяти, о котором уже упоминалось выше, и из-за недостаточности которого многие шимпанзе затрудняются колоть орехи. Канзи же остается печальным располневшим альфа-самцом небольшой лабораторной стаи бонобо и только добавляет неопределенности к вопросу о том, какой же фактор трудовой или языковой сделал из обезьяны человека.

Пользуясь каждой найденной истиной для нахождения новых.

Рене Декарт, Рассуждение о методе.

Что это и зачем?

Последние 1,5 года регулярно смотрю видео по темам: научпоп, научный метод, рациональность. В какой-то момент я начал складировать наиболее удачные видео по различным плейлистам.

Делюсь тем, что из этого вышло.

Законы Науки

• Про то, как работает наука, и чем научное мышление отличается от бытового, в плейлисте Научный метод

• Наука говорит на языке цифр. А здесь не обойтись без главной служанки и главной царицы наук: Математики

• Чему мы обязаны науке смотрите в плейлисте Изобретения и технологии

Законы Природы

Изучением законов природы занимается Физика.

• Про объекты, размером примерно с Вас, лучше всего расскажет Классическая физика

• Про очень большие и очень быстрые объекты расскажет Теория относительности

• Про очень-очень маленькие объекты, из которых состоит вообще всё, расскажет Квантовая механика

• Про объекты размером с наблюдаемую вселенную, расскажут Астрофизика и Астрономия

Законы Жизни

• Вопрос происхождения жизни, называется Абиогенез

• Но жизни мало появиться. Она должна развиваться. Тут не обойтись без Теории Эволюции

• Тем, как это всё работает сейчас, занимается Химия жизни

Законы Мышления

• Вопросом работы человеческого мозга занимаются Нейрофизиология и Когнитивная психология

• Наш мозг устроен не идеально, он систематически плодит ошибки. То, с помощью чего он их плодит, называется Когнитивные искажения

• Какие ошибки, заблуждения и мифы бывают у нас в голове можно посмотреть здесь: Ошибки мышления

• А к чему ошибки в мышлении приводят, можно посмотреть в плейлисте История

• Конечно, с ошибками можно и нужно бороться. Есть даже форум такой - Учёные против мифов

• Вопросом работы нечеловеческого мозга, можно поинтересоваться здесь: Искусственный интеллект

• Про то, как должен работать мозг сломанного человека, чтобы чинить себя эффективно, расскажет Доказательная медицина

Лекторы и спикеры

Чуть позже я занялся вопросом оптимизации подбора видео.

Конечно первым делом я пытался отсортировать каналы. Но быстро обнаружил, что даже самые лучшие каналы-агрегаторы куда меньше фильтруют контент, чем спикеры следят за своими словами. В итоге я регулярно обновляю список наиболее интересных спикеров с их предметными областями.

• Александр Панчин (Химия жизни, Когнитивная психология, Научный метод)

• Станислав Дробышевский (Антропогенез)

• Алексей Водовозов (Доказательная медицина)

• Владимир Сурдин (Астрофизика)

• Александр Сергеев (Научный метод)

• Михаил Гельфанд (Химия Жизни)

• Вячеслав Дубынин (Нейрофизиология)

• Майкл Стивенс Vsauce (Когнитивная психология, Научный метод, Физика)

• Дерек Мюллер Veritasium (Когнитивная психология, Научный метод, Физика)

• Сергей Попов (Физика, Астрофизика)

• Михаил Вишневский (Теория эволюции, Химия жизни, Абиогенез)

• Ярослав Ашихмин (Доказательная медицина)

• Андрей Кузнецов Космос просто (Астрофизика)

• Артём Оганов (Химия, Геофизика)

• Евгений Попадинец Utopia Show (Когнитивная психология, Ошибки мышления)

• Константин Северинов (Химия Жизни)

• Клим Жуков (История)

• Егор Зырянов RedRoom (История)

Где посмотреть научные новости?

Да много где, сейчас это достаточно популярный формат. Но лично я смотрю в качестве именно новостей вот эти три канала:

• QWERTY Новости науки (широкий профиль) еженедельно ~15 мин.

• Alpha Centauri Новости Космоса еженедельно ~15 мин.

• Постнаука недавно запустили новости нейронауки с Вячеславом Дубыниным (~120 мин.), и озвучили планы масштабировать данный проект и на другие направления. Однако их рубка постнауки и так позволяет быть в теме основных событий.

Запрос

Есть ли у Вас подобные плейлисты? Совпадает ли что то в наших плейлистах или списках спикеров? Буду рад рекомендациям, особенно конкретных видео.

P.S.

Есть планы убрать видео, которые уже не соответствуют текущему пониманию этих тем. Так же есть план расставить видео в порядке возрастающего когнитивного сопротивления. Руки дошли пока только до того, чтобы поднять самые важные видео в верхние части плейлистов. Всё остальное пока это планы, буду держать в курсе.

Я предпочитаю курсы, а не книги. Хотя лучшие книги определённо превосходят курсы, есть несколько причин, по которым прекрасный курс оставит более глубокое впечатление. Начинающим на курсах склонны преподавать основы, тогда как большинство авторов книг пытаются быть оригинальными. Но многое из того, что стоит знать, насамом деле довольно старое. В этом посте поделимся с вами лучшими бесплатными курсами Гарварда, Стэнфорда, Массачусетского технологического института и других.

Курсы склонны быть сбалансированными. Преподающий курс профессор постарается объяснить большинство основных точек зрения на предмет. Кроме того, написанная профессором популярная книга может оказаться полностью односторонней, поскольку [в книге] профессор пытается привести самые убедительные доводы в пользу собственной точки зрения.

Ко всему прочему, я просто люблю смотреть курсы. Читать это хорошо, но также хорошо смотреть и слушать. Если вы читаете, слушаете и смотрите, то, вероятно, научитесь большему, чем когда останавливаетесь только на тексте.

Вот моя подборка лучших бесплатных курсов на видео.

1. Справедливость Митчел Сэндел, Гарвард

Честно говоря, этот курс стоит посмотреть только для того, чтобы увидеть одного из лучших учителей всех времён. Сэндел преподаёт моральную философию, эта тема слывёт не самой захватывающей. Тем не менее лекции увлекательны: студенты обсуждают понятия философии, проиллюстрированные реальными примерами.

Больше всего меня впечатляет способность Сэндела преподавать скрытые, доступные лишь посвящённым моменты через диалог с учениками в манере Сократа: философские принципы иллюстрируются реакциями студентов.

Есть причина, почему эти занятия одни из самых популярных среди первокурсников Гарварда. И теперь вам не нужно посещать Гарвард, чтобы послушать этот курс.

2. Физика Уолтер Левин, MIT

Лекции по физике от Уолтера Левина (и классической, и физики электромагнетизма) я смотрел во время MIT Challenge. Эти занятия одни из самых лучших, на которых я когда-либо присутствовал через интернет. В захватывающих экспериментах Левину удаётся объяснить глубокие концепции устройства мира. А ещё он прекрасно рисует пунктирные линии.

К сожалению, на открытой платформе MIT был небольшой скандал, из-за которого связанные с Левином материалы были удалены, и теперь эти лекции в онлайне найти сложнее; но из сети ничего не удалить, и я думаю, если вы хотите изучать физику, неплохо посмотреть эти лекции.

3. Как научиться учиться? Терренс Сейновский и Барбара Окли, Калифорнийский Университет в Сан-Диего

Это самый популярный курс на Coursera, который, кроме того, преподаёт мой друг Барбара Окли. Он увлекателен и прост в понимании: чтобы проиллюстрировать принципы эффективного обучения, применяются нейронауки и психология.

Должен признаться: когда этот курс вышел, я немного нервничал: мой доход во многом зависит от моего собственного платного курса.С тех пор я понял, что сам подход к обучению это довольно широкий предмет; всегда будет чему научить и чему научиться. Несмотря на это, я рекомендую этот курс!

4. Машинное обучение Эндрю н, Стэнфорд

С этого курса начался взрыв популярности массовых открытых онлайн-курсов вообще, когда н оставил преподавание в Стэнфорде, чтобы запустить Coursera.

Он прошёл несколько итераций: сначала это были записанные в классе Стэнфорда лекции, позже упрощённый массовый курс в онлайне, а сегодня это полноценная платформа для изучения машинного обучения.

Я предпочитаю YouTube, поэтому смотрел видео реальных занятий в Стэнфорде. С версией на Coursera неясно, бесплатная она или нужно немного заплатить. Тем не менее вы можете предпочесть версию массовый курс в сети, потому что он новее.

5. Квантовая механика Ричард Фейнман

Ричард Фейнман мой интеллектуальный герой на все времена. Он проделал блестящую работу по объяснению квантовой механики, не прибегая к математике. Я решил бы, что это невозможно, но каким-то образом Фейнману удаётся и в переносном смысле босиком, не меньше!

Хотя занятия Аллана Адамса из MIT по квантовой физике мне понравились, в них предъявлены непомерно высокие требования к знаниям в математике. Количество людей с достаточным уровнем знаний и в математике, и в физике, но почему-то не изучавших квантовую механику на бакалавриате, справедливо невелико, так что я не беру их во внимание. Однако первая лекция свободна от математики и сделана прекрасно, поэтому я рекомендую её, даже если вы не знаете математику.

6. Медицинская нейронаука Леонард Уайт, Университет Дьюка

Этот курс по нейробиологии лучший из всех, что я видел. Уайт подробно описывает, как работает мозг. Он даже показывает на камеру реальные ткани человеческого мозга, сопровождая лекцию большим количеством диаграмм и слайдов.

Курс тяжёлый, особенно если вы хотите сдать экзамены. Я даже сделал для него флеш-карты [для запоминания], пока изучал анатомию. Но если вы просто хотите прослушать занятия, думаю, вы многое узнаете о том, как работает мозг.

7. Органическая химия Майкл МакБрайд, Йель

Этот курс я посмотрел недавно: глядя на мои усилия в изучении биологии, его предложил один из моих читателей.

Я нашёл его очень увлекательным, особенно его первый семестр. Хотя курсы по органической химии часто пугают сложностью и необходимостью запоминать, МакБрайду удаётся передать фундаментальные идеи сквозь призму научных открытий.

Значительная часть времени уходит на то, чтобы показать, как люди, начиная с Лавуазье и заканчивая Вёлером и Кекуле, открывали определённые идеи. В науке мне нравятся занятия, на которых показывается, как нам удалось выяснить что-то, а не поощряется принять открытие как истину только потому, что учитель вам так сказал.

8. Иммунология Альма Новотны, Университет Райса

Это серия курсов по иммунной системе, которая состоит из четырёх частей, я, кстати, начал проходить этот курс незадолго до начала пандемии.

Иммунная система намного интереснее, чем я думал до того, как пройти этот курс. Например, вот вопросы: как ваш организм строит клетки, которые распознают и удаляют совершенно новые болезнетворные микроорганизмы, не повреждая при этом ни одну из ваших тканей? Как защититься от захватывающих клетки вашего организма вирусов или от бактерий, которые быстро реплицируются и развиваются вокруг вашей защиты? Почему мы страдаем от аутоиммунных заболеваний и аллергии?

Предмет закладывает основы знаний по этим темам. Приятные иллюстрации разных иммунных клеток ещё один плюс: любители визуальной передачи идей оценят их по достоинству.

9. Ускоренный курс всемирной истории Джон Грин

Красиво анимированный, с крепким сценарием, этот курс разработан специально для аудитории YouTube. Когда он вышел, я, наблюдая за обзором множества разных исторических событий, получил истинное наслаждение. Сейчас этот курс состоит из множества укоренных курсов на различные темы, так что если вы предпочитаете стиль, а не доску, мел или PowerPoint, то это отличный ресурс.

10. Микроэкономика Тайлер Коуэн и Алекс Таббарок, Университет Маржинальной Революции

Экономика это, наверное, тема, с которой я работаю каждый день. Если вы увлечены изучением моделей мышления, с помощью которых можно смотреть на реальность, то экономика хорошее начало.

Коуэн и Таббарок ведут популярный экономический блог Marginal revolution и преподают в Университете Джорджа Мейсона. Их набег на образование в онлайне позволил создать поистине звёздные видеокурсы; достаточно хороши курсы микро- и макроэкономики: авторам удаётся передать сложные идеи, не абстрагируясь сверх меры.

Напоследок

Написав этот список, я осознал, сколько прослушанных мной хороших курсов не вошло в него.

Распространённая проблема со всеми свободно доступными курсами, даже суперкрутыми у них нет никаких факторов, которые не позволяют нам просто прекратить обучение. Особенно остро данная проблема проявляется в тёплое время года, когда погода на улице располагает к прогулке, а не к сидению дома за лекциями. У нас, например, на курсе по Data Science, с этой проблемой работают координаторы, которые поддерживают студентов, помогая пройти курс до финала и выполнить свою цель по освоению нового и смене сферы деятельности. Приходите, поможем и вам.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Курс "Machine Learning и Deep Learning"

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

• Курс "Алгоритмы и структуры данных"

Оказывается, животные с большими мозгами зевают дольше. Ученые выяснили это, изучив поведение более сотни различных видов птиц и млекопитающих. Результаты массивного исследования биологов Йорга Массена (Jorg Massen) из Утрехтского университета и Эндрю Гэллапа (Andrew Gallup) из Государственного университета в Ютике были опубликованы в научном журнале Communications Biology 6 мая 2021 года.

Люди зевают до 10 раз в день (иногда меньше, в редких случаях чаще). Но такая привычка наблюдается не только у людей. Зевоту можно наблюдать у различных видов позвоночных, и биологи не смогли оставить этот процесс без внимания. Они решили изучить его подробнее и выяснить, почему то, что люди считают признаком усталости, сохранилось в ходе эволюции у многих животных.

Задавшись этой целью, биологи Йорг Массен и Эндрю Гэллап смогли установить связь между длительностью зевоты и размером мозга зевающего существа.

Зевота охлаждает мозг

Многие верят в то, что зевки помогают насытить кровь кислородом, но это не так. Если верить недавнему открытию, зевота необходима, чтобы остудить мозги.

Благодаря одновременному притоку холодного воздуха и растягиванию мышц в ротовой полости зевота увеличивает приток охлажденной крови к мозгу и тем самым выполняет функцию терморегуляции, говорит Гэллап.

Несколько схожих исследований подтвердили идею специалиста из Ютики. Также биологи выяснили, что люди реже зевают, если их мозг и так достаточно охлажден (когда они держат возле головы пакет со льдом или находятся в холодном пространстве).

Команда ученых проанализировала 1250 зевков

Работа Массена и Гэллапа утверждает, что основная функция зевания охлаждение мозга. Чем больше и активнее мозг, тем более мощное охлаждение ему требуется.

Команда ученых поставила себе задачу проанализировать 1250 зевков у 55 видов млекопитающих и 46 видов птиц.

Мы посетили несколько зоопарков с камерами и запечатлели, как зевают разные животные. Это заняло довольно много времени, говорит Массен.

Чтобы заснять, просмотреть и проанализировать такое количество зевков, надо обладать недюжинным терпением. Из-за этого со временем у нас выработался иммунитет к зевоте, и она перестала быть для нас такой заразной как прежде, сообщает соавтор исследования Маргарита Хартлиб (Margarita Hartlieb) из Венского университета.

Млекопитающие зевают дольше птиц

Ученые также выяснили, что млекопитающие зевают дольше птиц. Это можно объяснить тем, что у птиц температура тела по умолчанию выше, чем у других животных. Разница между температурой тела птиц и температурой окружающей среды больше, чем аналогичная разница у млекопитающих, поэтому у птиц кровь охлаждается до необходимого уровня быстрее, и для достижения нужной температуры им хватает даже короткого зевка.

Зевота помогает оставаться внимательным

Если по какой-то причине мозг сильно разогреется, то его владелец станет менее внимательным, замедлится реакция и ход мышления. Теперь биологи считают, что и млекопитающие, и птицы сохранили зевоту в ходе эволюции, чтобы бороться с избыточной температурой мозга.

Массен отметил, что людям стоит прекратить воспринимать зевоту как грубость или выражение скуки. Напротив, это механизм, позволяющий индивиду оставаться более внимательным.

В нынешнее неспокойное время, когда большинство новостных сайтов и пабликов пестрят информацией, связанной с коронавирусом, многие люди стали забывать и о другой угрозе под названием иксодовые клещи, которые начали подкрадываться к нам ещё с начала весны, после аномально тёплой зимы. [1]

А между тем, вместе с пробуждением клещей, охотно пробудились различные советчики, которые способны определять "ядовитость" данных членистоногих по внешнему виду, а также советовать, как устранять их "яд" в домашних условиях с помощью подручных материалов. Таким образом распространяя различные мифы и фейки, которые охотно подхватывают разные новостные или псевдоновостные издания, под видом полезной информации для обыкновенного обывателя.

Сегодня мы как раз разоблачим один из таких мифов, который быстро набирает популярность и распространяется по сети, как коронавирус по миру. Данный миф повествует нам о якобы безопасном методе извлечения иксодового клеща вместе с "ядом" с помощью шприца или трубочки. [2] Автор данного мифа охотно делится своим изобретением велосипеда всему миру, и рассказывает, как с помощью крема или слюны (для лучшего сцепления), поршня шприца, трубки или зажигалки со стеклянной банкой можно заставить выползти ядовитого гада из-под кожи, а вместе с ним заодно изъять на поверхность все ядовитые вещества, впрыснутые им в кожу, заканчивая сей чудесный эпос фразой - Но лучше синяк, чем инфекция!.

Главная проблема данного метода заключается в том, что гад в большинстве случаев не является ядовитым, либо содержит низкое количество нейротоксинов. Следовательно вещества изъятые на поверхность кожи не содержат яда, зато могут содержать лимфу укушенного. К тому же далеко не всегда клеща можно извлечь таким методом безопасно, но обо всём по порядку.

Итак, иксодовые клещи являются высокоспециализированными облигатными кровососами, паразитирующие, за небольшим исключением, во всех фазах развития на наземных позвоночных животных. Нападают на хозяев периодически. Ядовитых желёз они не имеют. Однако постоянных паразитов среди них нет. Питаются данные клещи только кровью и лимфой. Свободных жидкостей как правило не принимают. [3] Питание происходит за счёт хоботка, который в свою очередь приспособлен не только для приёма пищи, но и для присасывания и удерживания на хозяине в период кровососания. Он состоит из основания, парных хелицер, щупиков педипальп (пальпы), и непарного гипостома - длинного и массивного выроста, образованного из области несущего органа ротового аппарата (гнатосомы), который покрыт обратно направленными зубчиками. Перед тем как начать есть, клещ внедряет свой хоботок в кожные покровы хозяина, который раскладывается в коже как гарпун. Процесс этот протекает сравнительно медленно, а именно путём последовательного прорезания покровов хелицерами и введения в ранку гипостома, который намертво закрепляется там для ввода в ранку слюны.

Слюна клещей рода ixodes практически не содержит токсинов, а напротив, как это не парадоксально звучало, она содержит белки, которые можно использовать для лечения потенциально смертельных болезней сердца. [4]
Белки в слюне необходимы также для обезболивания места укуса, и для увеличения проницаемости стенок кровеносных сосудов, с целью предотвращения свёртываемости крови, и в тоже время снятия воспаления, что помогает клещу сосать кровь в течение нескольких недель. [5][6]
Помимо этого, слюна клеща способна участвовать в образовании цементного футляра вокруг хоботка [6], что косвенно указывает на сложность изъятия целого клеща из ранки после длительного присасывания клеща к хозяину.

К сожалению, иксодовые клещи являются хранителями и переносчиками возбудителей животных болезней. Сами того не желая клещи получают их при питании на животных больными этими самыми возбудителями, а заражают здоровых животных по средством той же самой желеобразной слюны содержащей возбудителя. [7]

Из этого следует, что удаление клеща невредимым с помощью шприца, банок или других подручных материалов может быть эффективным, если клещ присосался сравнительно недавно, когда он только успел прокусить кожу и не ввёл свой хоботок глубоко в ранку, в иных случаях, все эти действия вероятно могут быть бесполезны, и уж тем более не будут являться гарантом безопасности от боррелиозов, риккетсиозов, энцефалитов и других клещевых инфекций. Тем более не спасёт от вирусов и обработка ранки хлоргексином, поскольку данный антисептик предназначен для защиты от бактерий [8], а доказательных данных по поводу использования антисептиков в процентом соотношении спиртосодержащих веществ ниже 60% на данный момент не обнаружено. [9];[10]
Единственное, что можно добиться втиранием хлоргексина в ранку, это увеличения риска заразиться клещевыми инфекциями при втирании вируса в кожные и около кожные покровы. [11]

И напоследок. Инкубационный период различных инфекций, передаваемых иксодовыми клещами длится в среднем от нескольких часов до 21 дня. Далеко не факт, что удаленный клещ с кожных покровов присосался 5 минут назад, а не несколько часов назад. Возможно укусить могла и нимфа, которую трудно заметить, поэтому удаленных самостоятельно эктопаразитов обязательно следует сдать в специализированные учреждения, и ждать ответа анализов. Пока результаты не станут известны, необходимо мерить температуру утром и вечером, а при подъёме температуры сразу обращаться к врачу. Основной аргумент - это факт посещения леса. Внимательно осматривайте кожные покровы по всему телу, если будет покраснение в любом месте, это может быть эритемой, т.е. симптомом клещевого боррелиоза. [12];[13].

Следовательно при обнаружении необходимо сразу обратиться к врачу. Берегите себя и своих близких. Проверяйте информацию и не верьте недостоверным источникам! Материал написан мной весной 2020 года и был опубликован в паблике Фанерозой https://vk.com/phanerozoi

Список используемых источников:
1)www.vk.com/wall-185828235273

2) Ссылка на миф:https://vk.com/wall-34229261497960

3) Руководство по медицинской энтомологии. Под редакцией проф.В.П. Дербенеевой-Уховой. Издание Москва Медицина. 1974 год. Стр. -243.

4)www.cardioprogress.ru/ru/news/kleshh-vyilechit-serdcz..

5)www.nature.com/articles/s41598-017-04378-1

6) Руководство по медицинской энтомологии. Под редакцией проф.В.П. Дербенеевой-Уховой. Издание Москва Медицина. 1974 год. Стр. -247.

7) Руководство по медицинской энтомологии. Под редакцией проф.В.П. Дербенеевой-Уховой. Издание Москва Медицина. 1974 год. Стр.-254, 255.

8)www.aif.ru/health/coronavirus/unichtozhaetlihlorgek..

9)www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3291447/

10)www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18207605

11)https://www.rospotrebnadzor.ru/activities/recommendat..

12)www.webcitation.org/669cxo4a6?ur

13)www.citilab.ru/articles/nauka/kleshe-(bolezn-laima).aspxэ

В конце 1895 г. на юге Чилийской Патагонии, в нескольких милях от побережья фьорда Ультима-Эсперанса, группой энтузиастов из шести человек, во главе с отставным немецким офицером Эберхардтом была обнаружена сеть пещер. В одной из этих пещер Эберхардт обнаружил свежую (как ему казалось) шкуру неизвестного животного, которую он оставил у себя в качестве трофея.

Материал был написан мной в научно-популярном сообществе https://vk.com/phanerozoi_ и позже появился на антропогенезе (http://personeltest.ru/aways/vk.com/antropogenez_ru)

Спустя год он показал эту находку известному на тот момент времени шведскому путешественнику, Отто Норденшёльду, который, загоревшись идеей найти живого обладателя данной шкуры, отправился в ту же пещеру. Однако живого зверя он не нашёл, зато обнаружил в пещере кости каких-то странных гигантов, погибших, по его мнению, не так давно. (Рот, 1899, 1904; Леманн -Ницше, 1899, 1904).

Эти кости, а также шкура, как оказалось позже, принадлежали милодону (представителю вида гигантских ленивцев). Их состояние было настолько хорошее, что даже некоторые учёные того времени предположили, что где-то в Патагонии живут и радуются жизни реликтовые милодоны. (Амегино 1898г.)

Эта гипотеза побудила многих исследователей назначить экспедиции на поиски живого гигантского ленивца в разные периоды времени в течение последующих нескольких лет. Всё же поиски живых ленивцев, к сожалению, не увенчались успехом. (Иллинг 1898, Гатуаль 1899, Рот 1899, Причард 1900-1901).

Вместе с тем в апреле 1899 г. в пещере, названной Милодоном (в честь искомого зверя), в результате экспедиции немецкого геолога Рудольфа Гауталя были обнаружены элементы жилища предков индейцев, кости мегатериев, а также следы искусственно построенных стен, много сухой травы и скопление копролитов в верхнем слое в сухой части дальней пещеры. Вследствие этого учёный предположил, что пещера служила загоном для домашних ленивцев вида Grypotherium domesticum. Однако при этом он считал, что в настоящее время гигантские ленивцы уже вымерли (Леманн-Ницше, 1899, 1904).

Гипотеза о ручных ленивцах поддерживалась большинством учёных до середины - конца ХХ века (Бернар Эйвельманс, 1961; Bird, 1988), так как последующие экспедиции зачастую подкреплялись палеонтологическими данными: и не только останками ленивцев, но и следами повреждений на их костях (приписываемых на тот момент времени деятельности человека), захоронений самих людей, а также их инструментов и различных других каменных орудий. (Politis G. 1997, Nami H.G 1994).

Однако начиная с 1952 года, когда стали доступны методы радиоуглеродного датирования, чаша весов с данными против этой гипотезы потихоньку стала перевешивать (Borrero, 1986; Barnosky, 2003; Laming 1954, Libby 1952).
Так, в 1952 году американский физико-химик Франк Либби опубликовал радиоуглеродную дату окаменевшего помета из Милодоновой пещеры возрастом около 10,832 400 до н.э.

Позднее, в 1977 г. лаборатория Британского Музея провела анализ коллагена из челюсти и получила близкую дату 12,984 76 (Burleigh R., 1977). Первые не откалиброванные даты элементов жилища и наконечников стрел появились в 1994 и 1997 годах и имели датировки в 11,5700,060 - 13,0000,241 до н.э. (Nami H.G, 1996; Politis G.1997).

Однако в 2003 году радиоуглеродное датирование утвердило, что человеческое жилище в пещере Милодон вместе с извлеченными стрелочными наконечниками, преформными и скребковыми инструментами, восходящими к неолитическому веку, имеют возраст 5000 лет до нашей эры (Heusser, 2003.) В этом же году стали известны даты двух образцов шкур, датируемых 10,812325 и 10,377481 до н.э. (Tonni, 2003).

Все эти данные косвенно указывали на то, что человек не жил в то время, когда в пещере находились ленивцы. Он либо пришёл в неё тогда, когда ленивцев там ещё не было, и вымер раньше них, либо пришёл тогда, когда от самих ленивцев в пещере остались рожки да ножки. Последний вариант подтвердился в 2003 году.

Параллельно с радиоуглеродными исследованиями, опровергающими гипотезу одомашнивания милодонтов, с середины ХХ века активно изучались следы предполагаемых искусственно построенных стен с наличием сохранившейся окаменелой растительности в тех местах.

Так, в 1954 году было установлено, что искусственные стены на самом деле появились в результате камнепада, который время от времени возникает и по сей день там, где ранее, по мнению предыдущих исследователей, предки индейцев воздвигали стены. Наличие же следов аномальной сухой растительности и других палеоиндейских артефактов обнаружено не было, ибо та растительность, которая была, являлась частью окаменевшего навоза. (Laming ,1954; Saxon, 1976)

Плюсом ко всему учёные сомнительно относились к гипотезе одомашнивания по простой такой причине, что для того, чтобы приручать крупную тушу животного, требовалось большое количество растительности, которую в те времена не так-то просто было достать (Salminien, 1955), а первые признаки земледелия у предков индейцев Патагонии были датированы не ранее 5.000 лет до н. э. (MacNeish R. S, 1969)

У предков же всех южноамериканских индейцев спорные признаки земледелия обнаруживаются не ранее 7,000 лет до н.э. при этом это обычно остатки перца, семена ачиоте и зёрна тыквы, которые даже не употреблялись в пищу (Pearsall D. M., 1978).Поэтому о выращивании таких экзотических культур и любимых лакомств гигантских ленивцев как авакадо, не могло быть и речи даже 7,000 лет назад, не говоря уже о мистических 13.000 лет до н.э.

(Это предложение является опровержением комментария о культивировании авокадо первыми заселенцами Южной Америки к прошлому посту [https://vk.com/phanerozoi?w=wall-170247428_10016].

Последними камнями в огород с гипотезой о ленивцах были доказательства фрагментации костей вследствие вытаптывания и постоянного циркулирования воды, важность которой в повреждении костей была широко отмечена ещё Леманном Ницше в 1899 году и подтверждена Бюррером в 1986 году.

Помимо прочего в 2016 году были окончательно опровергнуты выводы о повреждениях на костях ленивцев, вызванных орудиями человека, и, более того, было абсолютно доказано, что так называемые повреждения были вызваны вследствие нападения другого хищника - древней пантеры, современные родственники которой, ягуары, убивают свою крупную добычу также в пещерах, как это делали представители их семейства много тысяч лет назад (Martin, 2016).

Почему же гипотеза о домашних ленивцах не была опровергнута в самом начале?

Потому что во времена антрополога Леманна - Ницше, который и описал коллекцию Гатуаля, доступные методики сравнительной анатомии не позволяли отличать повреждения, наносимые человеком, от других плотоядных и всеядных животных.

В наше время благодаря техническому прогрессу есть много различных методов для изучения ископаемых костей. Главный результат этих методик заключается в том, что найденные свидетельства говорят в пользу хищничества плотоядных животных и минимизируют роль человеческой деятельности, проявленной на костях ленивцев.

Вопреки интерпретациям Гауталя и Леманна-Ницше доказательства антропогенного воздействия в пещере Куэва - дель - Милодон настолько малы, что их можно объяснить только как целесообразное использование этого места людьми. Вполне вероятно, что милодонов поедали люди, но в Ультима-Эсперанса нет таких доказательств (Martin, 2016).

Что касается наземных ленивцев, то все свидетельства указывают на то, что они являются систематическими жертвами древних пантер, а объективных доказательств одомашнивания ленивцев до сих пор так и не обнаружено.
Исходя из всего этого становится понятным, что гипотеза о ручных реликтовых зверюшках сейчас не является достоверной. Тем не менее в качестве историографического фантома или популярного туристического мифа данная гипотеза всё ещё остаётся популярной.

Автор биолог Ефимов С.Т.

Источники:

1) Hauthal, R., 1899. Resen a de los nallazgos en las cavernas de Ultima Esperanza (Patagonia austral). Revista de La Plata 9.

2) Roth, S., 1899. Descripcio n de los restos encontrados en la caverna de ltima Esperanza.

3) Lehmann-Nitsche, R., 1899. Coexistencia del hombre con un gran desdentado y unequino en las cavernas patago nicas. Revista del Museo de La Plata 9.

4) Lehmann-Nitsche, R., 1904. Nuevos objetos de industria humana encontrados en la caverna Eberhardt en ltima Esperanza. Revista del Museo de La Plata 11

5) Emperaire, J., Laming, A., 1954. La grotte du Mylodon (Patagonie Occidentale).

6) V. Auer, M. Salmi and K. Salminien (1955) 'pollen and spore types of Fuego-Patagonia', Annales Academiae Scientarum Fennicae.

7) Series A, III, Geologica Geographica Steward and L. F а r о n. Native peoples of South America. New York, 1959.

8) Бернар Эйвельманс По следам неизвестных животных М., 1961

9) MacNeish R.S First Annual Report of the Ayacucho Archaeological- Botanical Project. Andover, 1969

10) Saxon E.C., 1976. La prehistoria de Fuego - Patagonia: colonizacio n de un ha bitat marginal. Anales del Instituto de la Patagonia 7.

11) Burleigh R., Hewson A., Meeks N. British Museum Natural Radiocarbon

12) Measurements IX. Radiocarbon, Vol. 19, No. 2, 1977

13) Pearsall D. M. Paleoethnobotany in Western South America: Progress and Problems The Nature and Status of Ethnobotany. Ann Arbor, 1978

14) Saxon, E.C., 1979. Natural prehistory: the archaeology of Fuego-Patagonian ecology.

15) Borrero, L.A., 1986. Cazadores de Mylodon en la Patagonia austral. In: Bryan, A.L. (Ed.), New Evidence for the Pleistocene Peopling of the Americas.

16) Bird, J.B., 1988. Travels and Archaeology in South Chile. University of Iowa Press, Iowa City.

17) Nami H.G. New assessments of early human occupations in the Southern Cone // Prehistoric Mongoloid dispersals. Eds.: T. Akazawa et E.J.E. Szathmary. Oxford, Oxford University Press, 1996

18) Politis G. The Peopling of the Americas viewed from the Southern Cone // Paper presented at 62nd Annual Meeting of the Society for American Archaeology, Nashville, 1997

19) Calvin J. Heusser (2003) 'Ice Age Southern Andes: A Chronicle of Paleoecological Events', Elsevier, 240 pages ISBN:0444514783

20) Tonni, E.P., Carlini, A.A., Yane , G.J.S., Figini, A.J., 2003. Cronologa radiocarbo nica y condiciones clim aticas en la cueva del Milodo n (sur de Chile) durante el Pleistoceno Tardo. Ameghiniana 40

21) Fabiana Mara Martin (2016) Cueva del Milodo n. The hunting grounds of the Patagonian panther Centro de Estudios del Hombre Austral, Universidad de Magallanes, Instituto de la Patagonia, Av. Bulnes 01890, CP 6200000 Punta Arenas, Chile

Мутировавшие двухметровые дейнонихи прославились в блокбастере Спилберга Парк Юрского периода (1993 г.), где были оскорбительно именованы велоцирапторами. В фильме они изображались как очень умные высшие хищники, охотившиеся группами на крупную добычу и разрывающие её на куски своими серповидными когтями. Тем не менее рапторы-волки, вероятно, никогда не существовали.

Аргументы в пользу волчьего поведения всё чаще опровергаются, а присвоенные ранее доказательства стайности дейнонихов в виде следов зубов на костях растительноядных тенонтозавров сейчас оспариваются с точки зрения возможной силы укуса эудромеозавров [1]. Несмотря на изначально общее принятие доказательств стайной охоты рапторов на динозавров в прошлом, предложенные ныне покойным знаменитым палеонтологом Йельского университета Джоном Остромом доказательства разумной стайности относительно слабы.

Проблема данной идеи заключается в том, что современные живые динозавры (птицы) и их родственники (крокодилы) нечасто охотятся группами. Кроме того, размер мозга вышеупомянутых ящеров не больше, чем у современных варанов, которые хоть и охотятся порой в группах, однако не имеют строгой иерархической системы внутри стаи. Иерархия в стае динонихов наблюдается лишь в фантазиях режиссёра фильма Мир Юрского Периода [3].

Помимо этого, окаменелые свидетельства стайной охоты так или иначе являются спорными, зато свидетельства фатальной внутривидовой агрессии не являются таковыми [2;3]. Поэтому мы не можем однозначно сказать, действительно ли животное действовало в команде в процессе охоты на крупную дичь, или же оно охотилось в одиночку.

Мы можем предположить такую модель поведения хищников, но только в том случае, если стайная охота будет больше похожа на охоту комодских варанов или крокодилов, в которой животные могут нападать на одно и то же животное вместе в несобранной группе. Т.е. группа будет не скоординирована. Внутри такой группы могут быть внутривидовые убийства, а молодняк в ней будет держаться где-нибудь в стороне от взрослых.

Так у комодских драконов детёныши рискуют быть съеденными взрослыми животными, поэтому они укрываются на деревьях. Там они находят изобилие еды, недоступное их более крупным родителям, живущим на земле. Животные, которые охотятся разумными стаями, обычно не демонстрируют такого поведения, и всегда питаются относительно одинаково. Т.е. диета, например, тех же волков будет примерно одинаковая и у молодняка, и у взрослых особей.

Чтобы добиться большего понимания в вопросе разумной стайности дейнонихов, учёные сравнили их питание. Был исследован рацион молодых и старых особей. Для этого учёные рассмотрели изотопный состав зубов дейнониха, который жил в Северной Америке в меловой период примерно 115-108 млн л. н. Стабильные изотопы углерода и кислорода послужили источником сведений о рационе. Также учёные изучили крокодилов и травоядных динозавров одной и той же геологической эпохи. Они обнаружили, что крокодилы мелового периода, как и современные виды, демонстрировали сильную разницу в диете между самыми маленькими животными и самыми большими, что указывало на отчётливую смену рациона по мере роста. Взрослые же животные, живущие в разумной стае, как правило, кормят своих детенышей тем же, что едят сами.

Самое интересное в исследовании то, что учёные обнаружили ровно такую же картину и для дейнонихов, что также указывает на то, что они ели разную пищу в зависимости от стадии взросления. Это означает, что детенышей дейнонихов не кормили взрослые. Следовательно, не существовало никаких волков-рапторов, поэтому можно с уверенностью сказать что Парк Юрского периода в этом отношении является мифом.

Источники:

1)The Predatory Ecology of Deinonychus and the Origin of Flapping in Birds (plos.org)

2) Roach B. T., Brinkman D. L. A reevaluation of cooperative pack hunting and gregariousness in Deinonychus antirrhopus and other nonavian theropod dinosaurs // Bulletin of the Peabody Museum of Natural History. 2007. Vol. 48, no. 1. P. 103138.

3)https://www.youtube.com/watch?v=7sBuuYOTEgA

4)https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S003101822030225X?via%3Dihub

Примечание:

Автором научно-популярной статьи являюсь я. Статья была опубликована в научно-популярном сообществе Фанерозой (http://personeltest.ru/aways/vk.com/wall-170247428_12043).

Статья опубликована в научном сообществе ANTROPOGENEZ.RU: эволюция человека (http://personeltest.ru/aways/vk.com/antropogenezru?w=wall-110924669285137)

Чтобы ответить на этот вопрос, в научном исследовании необходимо определиться с целью, задачами и методами, и изучаемыми материалами. Для этого нужно постараться предварительно поставить гипотезу, которая облегчит нам понимание того, чего мы хотим, а следовательно, позволит нам выбирать материалы исследования. В качестве гипотезы можно опираться на ваши знания в области классификации групп животных. Однако, если у Вас нет таких знаний и Вы не хотите страдать в поисках этих знаний в полях, лесах и лабораториях, то Вы можете стать продвинутым пользователем интернета и воспользоваться удобном сайтом lifemap [1], который отображает филогенетическое древо всех животных. Если же вы не продвинутый пользователь, то Вы можете просто воспользоваться википедией. Стоит отметить, что для учёного сайт Lifemap является таким же примитивным, как и википедия, но не бойтесь начать с малого, ведь википедия может послужить толчком к эволюции от простого к сложному. Поэтому пойдёмте эволюционировать на вики вместе. Для этого зайдём в поисковик и посмотрим информацию о нужных нам группах, с которыми в будущем нам предстоит работать, на данном сайте. Первые в списке у нас медвежьи. На странице сайта нам не нужно досконально изучать строение, размножение и образ жизни медведей. Нам нужны три вещи:

1) Раздел научной классификации.

2) Раздел филогенетики.

3) Краткая сводка классификации, которая отображена в верхнем правом углу под картинкой с научной классификацией.

Переходим в раздел научной классификации и смотрим список родов в семействе медведей, предварительно выписав название этого семейства на латыни (Ursidae). Нам понадобятся названия всех родов на латыни, которые есть в семействе. Их лучше также выписать (рис.1).

(рис.1)

После проделанной работы переходим в раздел филогенетики и выбираем кладу с ближайшими живыми родственниками в качестве запасного варианта.

Это нужно сделать на случай, если нужные генетические последовательности медведей из разных родов в генбанке нам найти не удастся (рис.2).

Нам повезло, по альтернативной версии ближайшие родственники это ластоногие. Выпишем название этой группы, выберем семейство и список родов аналогично медведям.

Теперь переходим в раздел краткой сводки научной классификации (рис.3). Находим вкладку отряд хищные и переходим по ней.

(рис.3)

Во вкладке отряда переходим в раздел 4.1. Внешняя систематика. Там необходимо найти надотряд, к которому принадлежат медведи (рис.4). Он указан на филогенетическом древе в виде гиперссылки, нажимаем на неё и переходим в соответствующий раздел.

(рис.4)

В разделе нам нужно узнать отношение приматов к этому надотряду. Для этого мы переходим во вкладку классификация и как не странно мы не обнаруживаем в нём приматов (рис.5) Получается, что медведи по версии википедии вообще не близкие родственники приматов. Может это так и есть, но кто же по версии википедии примату будет братом?

(рис.5)

Для этого проводим аналогичные манипуляции с семейством хомяковые и в конечном итоге попадаем в отряд грызуны. Переходим в раздел систематики и ищем надотряд (рис.6).

(рис.6)

Какое удивление! Мы в надотряде Euarchontoglires обнаружили людей! Чудесно. Ну, а теперь можно поставить гипотезу. Нашей гипотезой будет утверждение, что хомяковые являются братьями людей, а нашей целью подтвердить это утверждение. Для достижения цели нам необходимо поставить следующие задачи:

1) Выбрать генетические последовательности представителей родов изучаемых групп в качестве внутренней группы в базе NCBI [2].

2) Показать на основе выбранных последовательностей, взятых у выбранных групп достоверные родственные связи друг с другом.

3) Выбрать гомологичные последовательности генов групп животных, отделившихся чуть раньше медведей, хомяков и людей в качестве внешней группы в базе NCBI.

4) Выровнять выбранные последовательности правильным методом в зависимости от выбранных последовательностей.

5) Выбрать модель вычисления попарных расстояний и метод построения эволюционного дерева.

Чтобы уже начинать определяться с методами нам нужно выбрать внешнюю группу, а также определиться с генетическими последовательностями. Внешняя группа нам нужна для определения положения корня дерева, так сказать, его основы. В качестве внешней группы обычно используют одну или несколько клад, отпочковавшихся от общего дерева заведомо раньше (но желательно ненамного раньше) анализируемых последовательностей. Поскольку мы изучаем филогенетические отношения между плацентарными млекопитающими, то в качестве внешней группы можно использовать сумчатых млекопитающих [4]. Пусть это будут опоссумы. Я люблю опоссумов. Это котики мира сумчатых, а котиков любят все.

Далее определяем материалы. В качестве необходимых материалов я решил взять рибосомальные гены 18S рРНК у двух представителей разных родов из каждых изучаемых групп. Маркер 18S рРНК используется с конца 70-х годов прошлого столетия и является универсальным для систематических построений. Ген, кодирующий 18S рибосомную РНК, есть в геноме всех известных эукариот и является удобным маркером для их идентификации; он отсутствует у вирусов, бактерий и архей. Ген 18S рРНК содержит как консервативные участки, одинаковые у всех прокариот, так и вариабельные. Консервативные участки служат для первого этапа полимеразной цепной реакции присоединения праймеров к исследуемой ДНК-матрице, вариабельные участки для идентификации видов. Степень сходства видоспецифичных вариабельных участков отражает эволюционное родство разных видов [3].

С материалами более-менее определились, теперь их необходимо скачать в генетической базе данных. Переходим на сайт ген банка и в поисковой строке вбиваем название семейства латинскими буквами и ищем генетические последовательности родов, которые мы записывали ранее. Последовательности должны быть приблизительно равной длины и ни в коем случае не короткие, ибо короткие последовательности несут мало информации, а информация в нашей работе это золото, где филогенетическое древо Зиккурат. А всем мы знаем, что для строительства Зиккурата нужно больше золота. Поэтому для удобства в графе Sequence length выставим необходимую длину последовательностей (1600-2500) и нажмём кнопку Search (рис.7).

На рисунке выше мы видим, что я начал с медведей, к сожалению ген банк выдал мне всего три результата и все одного вида (рис. 8). Ничего страшного, ведь медведя мы всё равно скачаем, а запасной вариант в виде ластоногих у нас имеется и к счастью в генбанке необходимые последовательности по ним есть.

(рис. 8).

Таким образом мы скачиваем все необходимые нам последовательности в формате fasta. Cкаченные последовательности закидываем по одной (или несколько, если Вы скачали всё одним форматом) в программу MEGA 10 для объединения в один формат fasta в будущем (рис.9)

(рис.9)

Итак, в мою выборку исследования попали 8 видов. Я не буду пугать Вас латынью как делаю это обычно, а перечислю всех избранных товарищей по-русски матом. Первые два вида в моём списке будут представлять этакую не существующую в реальном

мире вершину эволюции и как Вы догадались это человекообразные обезьяны человек и горилла. Вторыми по иерархии идут хомяковые водяная полёвка и серый хомячок, третьими замыкающими внутреннюю группу идут медвежьи и настоящие тюлени бурый медведь и длинномордый тюлень соответственно. Представляют внешнюю группу у меня два вида из разных родов опоссумов виргинский и домовой опоссумы. Строить дерево мы будем в тренировочной программе MEGA 10

Теперь нам надо начинать определяться с методами. Первым важным методом будет выравнивание генетических последовательностей. Выравнивание является важным биоинформатическим методом, основанным на размещении двух или более генетических последовательностей позволяющим увидеть сходные участки в этих последовательностях. Их сходство может отображать структурные и эволюционные связи, которые без выравнивания не построить [5]. Выравнивание мы не будем производить в MEGA 10, так как для рибосомальных последовательностей лучше воспользоваться мафтом [6]. Перед этим мы объединим все последовательности в меге в одну и экспортируем в любую папку на рабочем столе в формате fasta (рис.10).

(рис.10)

Сохранённый файл мы загружаем на сервер мафта в браузере (рис. 11) и изменим один стандартный параметр, выбрав тот, который показан на рисунке 12. Далее нажимаем кнопку Submit и получаем результат, который необходимо реформировать в формат fasta, как показано на рисунке 13.

(Рис.11)

(Рис.12)

(Рис.13)

Полученный формат необходимо загрузить обратно в мегу и уже работать в ней. Поздравляю мы это сделали! (рис.14)

(рис.14)

Теперь перед построением уже самого дерева нам необходимо проверить выравнивание трансляцией нуклеотидом в последовательности. Это позволит нам проверить правильность нашего выравнивания. Наличие звёздочек в последовательности, покажет нам наличие в ней антикодонов, что будет означать ошибку. Устранять эту ошибку можно выравнивая последовательности вручную, отодвигая последовательность вправо на один квадрат. К счастью этого делать нам не придётся, ибо у нас всё получилось хорошо (рис.15.)

(Рис.15)

Далее производим установление попарных эволюционных дистанций между анализируемыми последовательностями, представляемых в виде матрицы дистанций. Другими словами, для построения дерева нам требуется эволюционная модель, оптимального метода расчета эволюционных дистанций между последовательностями. В качестве статистического метода я воспользуюсь методом оценки дат дивергенции видов, который разрабатывался с точки зрения концепции молекулярных часов, а именно эволюционной моделью Hasegawa, Kishino и Yano 1985 года.

Данная модель различает скорость различных точечных мутаций и учитывает не равные базовые частоты, которые не учитываются простыми моделями [7]. В меге эту модель можно выбрать сразу при построении дерева в методе максимального правдоподобия, там же заранее выставим проверку в 1000 реплик (так называемый бустрэп анализ). Данный анализ позволяет посмотреть статистическую поддержку ветвей, чем она выше, тем будет лучше. Высокая поддержка большинства ветвей более 70% позволяет сказать, что дерево построено правильно (рис.16). Поддержка ниже 70% для

одной, или двух ветвей не является очень критичной при низкой выборке, но, если мы получим статистическую поддержку всех ветвей ниже 70% это будет говорить об очень плохом результате.

(рис.16)

К сожалению, посмотреть эту модель отдельно инструментал меги не позволяет, но наглядно она бы выглядела примерно таким образом (рис.17).

Рис (17).

Данная модель разрабатывалась для построения деревьев методом максимального правдоподобия, который я по сути и выбрал.

Метод максимального правдоподобия, говоря примитивным языком, позволяет определить неизвестное число параметров на основании известных результатов эксперимента. Скажем, если известно число граней правильного многогранника (т.е. число параметров), то можно определить, чему равны вероятности различных исходов бросков этого многогранника. Так, для шестигранной игральной кости вероятность любого исхода броска будет равна 1/6. Однако если взять за гипотезу, что число граней некой игральной кости нам неизвестно, данный метод позволяет предположить путём многократных повторных экспериментов в виде бросков этой игральной кости, число граней этой кости и определить правдоподобие этого предположения. Так, многократно подбрасывая некую игральную кость с неизвестным числом граней и наблюдая, что число различных исходов бросков кости равно шести, можно сделать предположение, что это кость шестигранная [4]. Именно поэтому этот метод в данном случае я считаю одним из лучших для ответа на заданные мной вопросы.

В качестве дополнительных плюшек мега позволяет воспользоваться функциями уточнения выводимого дерева, что даёт нам возможность вывести исходное дерево для эвристического поиска, который в свою очередь используется для оценки лучшего состояния нашего дерева. Подробно, что такое эвристический поиск можно прочитать в IT сообществе хабр [5]. Итак, в дополнительных параметрах меги меге мы можем выбрать метод максимальной экономии, который является критерием оптимальности, для которого наилучшим считается самое короткое дерево, которое объясняет данные. Этот метод работает по канонам Бритвы Оккама (рис 18). В принципе в дополнительных параметрах можно выбрать ещё кучу всего, но я думаю и этого вполне хватит.

(Рис.18)

Собственно, теперь у нас всё готово, чтобы проверить википедию на подлинность и заодно нашу гипотезу. Строим дерево! (Рис.19) ;(Рис.20)

(Рис.19)

(Рис.20)

Вуаля чувствую себя доктором ВУ, когда дерево строится успешно!

Теперь давайте взглянем, что у нас получилось, а получилось у нас практически всё идеально!

Как Вы сами видите построенное дерево рассказывает нам о том, что грызуны являются более близкими родственниками по отношению к людям и подтверждает нашу гипотезу, несмотря на то, что одна ветвь у нас имеет поддержку ниже 70%, что в принципе не является критичным, так как все остальные ветви имеют статистическую поддержку более 70%. Конечно я допускаю за собой маленькие ошибки в построении дерева, но общая картина была вполне ожидаема и показала всё то, что известно самому капитану очевидности и его капитанше. Действительно хомяк является братом человека, а медведь его дальним родственником, а теперь можно выдохнуть! Всего доброго!

Дисклеймер. КДПВ поставлена для красоты и не вполне реалистична в период, описываемый в статье, елок на нашей планете еще не было.

Зарождение жизни как возникновение живого из неживого, то есть, как превращение химии в биохимию, является одним из интереснейших интерфейсов и рубежей между физикой и биологией. Несмотря на успехи в генной инженерии и синтетической биологии, пока не приходится ожидать скорого появления полностью синтетического организма. Некоторые успехи в этом направлении достигнуты так, в 2017 году было объявлено о создании полностью синтетической хромосомы для дрожжей. Также удалось создать полусинтетический одноклеточный организм. Но вопрос о зарождении жизни на Земле по-прежнему сопровождается многочисленными оговорками и допущениями. Один из наиболее развернутых ответов на этот вопрос дан в книге Френсиса Крика Жизнь как она есть (оригинал - 1981).

Оговорюсь, что в этой статье я обхожу вниманием авторитетную и научно обоснованную теорию, согласно которой первичным источником жизни на нашей планете могут быть черные курильщики гидротермальные источники на дне океана. О биохимической составляющей черных курильщиков замечательно рассказано в этой статье на Хабре. Экосистемы черных курильщиков создают некоторые важные предпосылки для образования клеточной жизни, в частности, располагают к образованию мембран. Тем не менее, тщательное изучение этих экосистем позволяет заключить (см. раздел Hydrothermal vents по ссылке), что в современных условиях органика в таких источниках гораздо активнее распадается, чем образуется, а безусловно гидротермальное происхождение можно доказать только для простейших органических соединений этана и метана. Действительно, экосистемы черных курильщиков богаты специфической экстремофильной жизнью, но скорее демонстрируют пример адаптации бактерий к суровой экологической нише, чем представляют собой колыбель жизни.

Притом, что тема лабораторного синтеза живой материи, несомненно, заслуживает подробного рассмотрения, в этой статье я собираюсь подробно остановиться на последних данных в пользу гипотезы панспермии, то есть, свободного рассеивания в космосе органической и почти живой (пребиотической) материи, носителями которой являются кометы и метеориты.

Гипотеза панспермии, уходящая корнями в философию Анаксагора, постепенно получала научное обоснование в течение XIX века и особенно в начале XX, когда ею всерьез занимались Сванте Аррениус, Фред Хойл и Чандра Викрамасингх. В частности, Фред Хойл (1915-2001) высказывал мнение, что органические молекулы могут содержаться непосредственно в космической пыли действительно, так и есть, и этот вопрос будет затронут ниже.

Тем не менее, в середине XX века идея панспермии оставалась экзотической, и предпринимались эксперименты, призванные доказать возможность зарождения жизни в первичном бульоне - той биохимической среде, которая существовала на Земле в архее, около 3 миллиардов лет назад.

Первичный бульон

Наиболее интересным опытом такого рода является эксперимент Миллера-Юри поставленный в 1953 году в Чикагском университете. Аспирант Стэнли Миллер (род. 1930), заручился поддержкой и наработками своего научного руководителя Гарольд Юри (1893-1981). Ученик и учитель закачали в герметичную колбу газовую смесь из метана, азота, аммиака, водяного пара и других газов, которые должны были присутствовать в атмосфере древней Земли, а также частично наполнили эту колбу водой. Источником тепла была обычная горелка Бунзена, а также через смесь пропускались электрические разряды, имитировавшие молнии.

Опыт Миллера-Юри основывался на теоретических построениях Холдейна и Опарина. К сожалению, Александр Иванович Опарин вне научной деятельности отметился поддержкой Лысенко и осуждением Сахарова, поэтому в серьезных источниках упоминается на проговоре, но здесь я упомяну его как отца-основателя, еще в 1924 году опубликовавшего статью о происхождении жизни из неживой органики. Впоследствии, узнав о проведенном эксперименте, он даже пригласил Миллера на научную конференцию в СССР.

Примерно через неделю содержимое колбы Миллера и Юри стало красновато-бурым из-за обилия органики. Среди веществ, возникших там к этому моменту, были фрагменты РНК, а также 18 из 20 аминокислот, участвующих в образовании белков. Сами Миллер и Юри зафиксировали лишь аминокислоты глицин и аланин, остальные аминокислоты были обнаружены в растворе позднее, с появлением более мощных аналитических инструментов. Тем не менее, это были лишь косвенные доказательства абиогенного происхождения жизни, а первичный бульон Миллера и Юри впоследствии сочли слишком восстановительным и далеким от истинных условий на первобытной Земле.

В более поздних постановках того же эксперимента, где смесь также подвергалась воздействию лазера (имитирующего жесткое космическое излучение) образовывались более разнообразные азотистые соединения, в том числе, азотистое основание гуанин, входящее в состав ДНК, мочевина и циановодород HCN.

Здесь подробнее остановимся на циановодороде. Это простейшее органическое соединение

являющееся основой для синильной кислоты и ее солей цианидов. Тем не менее, уже в 2020 году было установлено, что именно при участии циановодорода запускаются важнейшие реакции, приводящие к образованию нуклеотидов ДНК и РНК, а также, возможно, гибридных нуклеотидов интересная статья об этом опубликована на сайте N+1. Здесь будет уместно показать схему упоминаемых реакций, опубликованную в журнале Nature:

Таким образом, компоненты ДНК и РНК могли образовываться одновременно. Но, в усовершенствованном опыте Миллера-Юри также был получен формальдегид простейшее органическое соединение, содержащее углерод, водород и кислород:

На основе этой простой молекулы в условиях первобытной Земли могли образовываться разнообразные сахара, в том числе, рибоза, являющаяся сырьем для рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислоты (РНК и ДНК). Согласно нынешним представлениям, для стабильного образования сложной органики на основе сахаров и формальдегида в атмосфере первобытной Земли необходима горячая металлическая поверхность.

Кометы

С учетом вышеизложенного вырисовывается замечательная научная правдоподобность панспермии. Дело в том, что примитивная органика и замерзшая вода это как раз та смесь, из которой состоят тела комет. При этом лед на кометах находится не в кристаллической форме, как весь привычный нам лед на Земле, а в аморфной такое состояние льда достигается при температуре около -243 градусов Цельсия. Такой лед пористый, и в глубине кометы располагаются зерна органики. Как указано в недавнем исследовании NASA, при приближении кометы к Солнцу кометный лед перекристаллизуется, и органика выходит на поверхность небесного тела. Комету сравнивают с грязным снежком, но мы в данном случае отметим, что из подтаивающего льда образуется хвост кометы, а органика образует на поверхности кометы темную корку, которая еще сильнее разогревается (как любое темное тело), а также подвергается интенсивному облучению. Эта корка богата циановодородом. В 2009 году был поставлен лабораторный эксперимент, продемонстрировавший, что под действием гамма-излучения циановодород в присутствии воды может превращаться в более сложную органику, в частности, в карбоксильные группы (участвующие в ключевом биохимическом цикле Кребса), свободные аминокислоты и мочевину. При этом отмечается, что циановодород как таковой очень летучее соединение, и его полимеризация с превращением в более сложные молекулы лучше протекает в водном растворе.

Естественно, пристальное внимание было уделено изучению химического состава кометы Чурюмова-Герасименко, и, в частности, органических соединений на ее поверхности. Великолепный научно-популярный обзор на эту тему заслуживает перевода целиком, но в нашем случае наиболее интересен рассказ об органике и пребиотике. Наряду с обычными углеводородами (CH), на комете были найдены вещества, также содержащие кислород (CHO), азот (СNO) и серу (CNOS). В частности, были обнаружены формальдегид (CH₂O), метанол (CH₄O), этанол (C₂H₆O), муравьиная кислота (CH₂O₂), циановодород (HCN).

Кометный лед содержит воду с характерным сочетанием обычного водорода (H) и дейтерия (D), значительная часть молекул воды на кометах имеет формулу HDO. Соотношение дейтерия и водорода на кометах значительно более равное, чем в земной воде (у нас на планете дейтерия мало), что не так давно поставило под сомнение гипотезу, будто вода попала на Землю в основном с кометами. Михаил Никитин в своей книге Происхождение жизни. От туманности до клетки указывает, что вклад комет в формирование запасов воды на Земле и Марсе не превышает 10%. Однако более свежие исследования, относящиеся к 2019 году, позволяют с этим не согласиться. Дело в том, что кометы отличаются активностью, и в подклассе гиперактивных комет соотношение обычного водорода (протия) и дейтерия гораздо ближе к составу земной воды.

Метеориты

Вышеизложенное позволяет предположить, что кометы действительно могли обеспечить доставку циановодорода, азота, углеводородов, серы и воды на древнюю Землю. Тем не менее, кометы не единственный и не самый важный компонент в гипотезе панспермии. Важнее комет могут оказаться метеориты и в особенности микрометеориты. К микрометеоритам относятся мельчайшие частицы межпланетного вещества размером преимущественно от 20 до 300 мкм. Их также называют межпланетной пылью, такие мелкие образцы вещества постоянно выпадают на Землю, но находят их преимущественно в Антарктиде, где они наиболее заметны. Наиболее интересны микрометеориты с высоким содержанием углерода (около 2%), в которых также обнаружены многие аминокислоты, в частности, D- и L-аспартаты, глицин, аланин, валин, серин. Существует класс антарктических ультра-углеродистых микрометеоритов (UCAMM), в составе которых до 65% приходится на углерод (и до 85% - на органику в целом), а также имеется дейтерий. В настоящее время продолжается изотопный анализ таких метеоритов и соотнесение их состава с составом органических гранул, содержащихся в кометах. В ноябре 2020 года вышла обширная статья, обосновывающая точку зрения, согласно которой метеориты могут быть не менее, если не более важны для зарождения жизни, чем кометы. Важнейшая составляющая метеорита это металл, прежде всего, железо. Железо участвует в биологических процессах, а также, что не менее важно, может служить катализатором для биохимических реакций, тогда как в кометах такой катализатор отсутствует. В случае с метеоритами также важен фактор импактного (ударного) воздействия. При образовании метеоритного кратера происходит термобарическое изменение пород, подвергшихся удару. Это благоприятствует не только запуску химических реакций и полимеризации органических соединений, содержащихся в метеорите, но и притоку воды в образовавшийся кратер, если поверхность планеты в точке удара уже увлажнена. Возможно, именно так образуется маленький теплый пруд Дарвина отметим, что по поводу правдоподобности этой гипотезы продолжаются ожесточенные споры, она постепенно подтверждается.

В 2013 году было проведено исследование, демонстрирующее, что при высоких температурах (200 C и более), возникающих при ударе метеорита о поверхность Земли, катализатором химических реакций может выступать не только железо, но и фосфор, и сера. Сложные органические молекулы с высоким содержанием углерода активнее образуются при более низких температурах, порядка 140 C. Также в поставленных опытах удалось получить трикарбоновые кислоты, нуклеотидные основания и аминокислоты. Правда, каталитический потенциал в целом выше у тех метеоритов, в которых больше железа и меньше углерода.

Заключение

Представляется правдоподобным, что основные пребиотические компоненты, послужившие материалом для образования жизни на Земле, были занесены на нашу планету из космоса. Вероятно, эти события хронологически совпадают с периодом поздней тяжелой бомбардировки (в англоязычных источниках Late Heavy Bombardment, LHB). Этот период продлился с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, в результате него на Земле образовалось более 22000 метеоритных кратеров, в том числе более 40 диаметром свыше 1000 км. Современные представления об образовании простой органики на кометах и более сложной органики в воде на нашей планете позволяют говорить о трех основных источниках пребиотических молекул на Земле:

1. Кометы (важный источник водяного льда и циановодорода)

2. Межпланетная пыль и микрометеориты

3. Углистые и железистые метеориты также послужившие первичными источниками серы и фосфора для земной биохимии

Эволюция различных вариантов теплого пруда Дарвина, рассмотренная, например, здесь, допускает и развитие других биохимических циклов, например, сероводородного и циановодородного. Тем не менее, способность углерода к образованию длинных органических цепочек предопределило успех и универсальность именно углеродной биохимии.

Термин живое ископаемое был впервые введен Чарльзом Дарвином в его фундаментальном труде О происхождении видов в 1859 году. Ученый тогда обратил внимание на анатомическое строение утконосов и лепидосирен (вид двоякодышащих рыб). Он предположил, что эти животные в процессе эволюции морфологически изменяются очень медленно, ввиду отсутствия сильной конкуренции и резких изменений в окружающей среде.

Тем самым ученый пришел к выводу, что новые формы не успевают быстро образовываться, а старые формы быстро вымирать и, поскольку анатомически лепидосирены и утконосы напоминают давно вымерших животных из своих отрядов, он рискнул назвать этих представителей живых аномалий почти ископаемыми .

С тех пор этот термин стал иметь двоякий смысл. С одной стороны, живыми ископаемыми стали называть виды, которые не имеют живых близких родственников уже давно, с другой стороны виды, практически не изменившиеся в процессе эволюции. Однако Дарвин использовал этот термин только в двух проходных комментариях, а популяризировали его уже спустя восемьдесят лет после открытия коморской латимерии.

Коморская латимерия (Latimeria chalumnae) вид рыбы из рода латимерия, открытый в 1938 году и отнесенный к отряду целакантообразных. В народе их ошибочно называют целакантами. Последние же на самом деле относятся к другому роду и к другому семейству, которые в свою очередь являются вымершими.

Ошибочное представление о латимериях связано с тем, что представителей данного рода долгое время считали редкими и вымирающими видами древних существ, которые якобы практически не изменились за последние 400 миллионов лет своего существования.

Такой подход в конце концов привёл к переносу концепции живой окаменелости на ДНК, в результате чего появилась сомнительная гипотеза о так называемом генетическом застое, который в корне противоречит принципам эволюционной генетики. Согласно этим принципам геномы в среде постоянно изменяются под совокупностью воздействий различных мутационных процессов, образующих новые варианты генетических последовательностей, которые вследствие генетического дрейфа и отбора либо устраняются, либо закрепляются в популяциях. Т.е. даже при стабилизирующем отборе, накопление нейтральных мутаций в поколении так или иначе меняют геном, ведь суть отбора заключается не в сохранении особей совершенно неизменными в стабильных условиях, а сохранение особей стабильно меняющихся в пользу эволюции среднего признака, против особей имеющих крайние отклонения от средней нормы.

Это в свою очередь означает то, что единственная возможность для геномов реплицироваться без изменений будет подразумевать как минимум одно из двух следующих условий:

• новые варианты не появляются (т.е. нет никаких мутаций)

• новые варианты систематически устраняются путем отбора (т.е. без генетического переноса и очень сильного отбора против новых вариантов.)

Однако, несмотря на абсурдность данной гипотезы, ряд учёных провели исследование, в котором отметили бесспорность замедленной генетической эволюции, основываясь всего на трёх ядерных генах и двух целых митохондриальных геномах, однако отметив при этом и дивергенцию популяций латимерий, которая при замедленной эволюции почему-то активно происходит и по сей день.

Мы должны понимать, что геном это не несколько ядерных генов и не две последовательности мт. генов цитохром-с-оксидазы. Конечно существуют консервативные гены, которые практически не меняются и так называемые консервативные митохондриальные геномы, чья степень консервативности измеряется в количестве и скорости замен в них происходящих, по отношению к другим группам живых организмов. Однако нужно учитывать, что а) - скорость мутаций может быть неравномерной и может вполне различаться для разных видов живых организмов; б) некоторое количество консервативных генов не сделают Вас живым ископаемым, если все остальные гены мутировали постоянно.

Устранить недоразумение о генетическом застое и опровергнуть подобные бесспорные заявления вызвался профессор лаборатории Эволюции, Геномов, Поведения и Экологии парижского университета Национального Центра Научных исследований Дидье Казан. В своём исследовании он заново оценил темпы геномной и анатомической эволюции, рассмотрев имеющиеся молекулярные и морфологические данные для этой группы животных. Наиболее ярким его примером, доказывающим отсутствие замедленной эволюции, является филогенетическое исследование сорока четырёх ядерных генов, которое не показывает резкого снижения скорости молекулярной эволюции в линии целакантов. Более того: биология целакантов, по мнению учёного, не предполагает никаких очевидных причин, по которым они вдруг решат эволюционировать медленно.

Они не живут в среде, которая предполагает направленный отбор на репликацию и репарацию ДНК, что приводит к очень низкой частоте мутаций. У них нет чрезвычайно долгого времени генерации и они определённо не образуют больших популяций. Кроме того, хорошо известно, что скорость замещения генов изменяется в геноме в зависимости от нескольких факторов, таких, как локальная скорость рекомбинации и расстояние до источника репликации. Также известно, что скорость замещения непостоянна в разных линиях. Ко всему прочему учёный также отметил роль аминокислотных взаимодействий, которая, вероятно, является важной в изменении скорости эволюции белка в различных линиях. Именно поэтому при сравнении генов разным исследователям может показаться, что некоторые гены эволюционируют быстрее, а другие наоборот медленнее. Исходя из этого он подчеркнул, что, даже если бы действительно существовал генетический застой в масштабе всего генома, маловероятно, что он мог бы объяснить простым способом скорость морфологической эволюции, поскольку медленная генетическая эволюция не связана со скоростью последней в разных линиях этих рыб, к тому же морфологического стазиса у латимерии попросту не обнаруживается.

В геологической летописи нет окаменелостей, идентичных двум живым видам латимерии. И нет окаменелостей, которые можно было бы отнести к роду Latimeria. Это наводит на мысль, что палеонтологи даже те, кто убеждён, что современные целакантообразные являются живыми ископаемыми считают морфологические различия между дожившими до нас целакантами и ископаемыми настоящими целакантами настолько обширными, что их следует сгруппировать в отдельные роды.

Помимо этого, против живых ископаемых, говорит и тот факт, что даже самый близкий вымерший родственник латимерии из сестринского рода Macropoma имеет ряд некоторых интересных отличий. Мало того, что вымерший родственник в три раза меньше своего двоюродного брата (полметра против полутора метров), так он ещё и имеет другую внутреннюю морфологию. Так, например, плавательный пузырь в макропоме окостенел (на рисунке ниже посмотрите на В пузырь ярко бросается в глаза), а у латимерии он напротив заполнен жиром, что указывает на то, что макропома, вероятно, жила в другой среде. Также на это указывают и существенные различия в позвоночном столбе (постанальная область короче, а вентральные шипы расширяются менее вентрально). У макропомы по-другому устроены плавники и совсем иначе устроена анатомия черепа, из-за чего, собственно, у неё весьма сильно отличается морфология головы.

Все эти факты предельно намекают на то, что при всей внешней морфологической схожести, основанной на четырёх мясистых лопастных плавниках, разные целакантообразные, вероятнее всего, будут иметь разную внутреннюю организацию тела. Даже у современных целакантообразных в разных популяциях рыб будут по-разному выглядеть позвоночные столбы, демонстрируя значительные вариации в количестве нервных клеток. В общем и целом всем тем, кто считал, что все целаканты на одно лицо, латимерия даёт пощёчину своим целакантовским хвостом!

В течение последнего столетия понятие живое ископаемое как результат эволюционного застоя всё чаще рассматривается как вводящее в заблуждение, поскольку оно само по себе, как и его синонимы по типу - базальное происхождение или примитивные сохранившиеся виды, не имеют смысла даже в построении классификации, не говоря уже о самой точке зрения древовидного мышления. Клада с людьми и клада с латимериями расходились в одном узле и, стало быть, они имеют одного последнего общего предка. И если кладу с Homo пропустить через выборку традиционной филогении, поставив Homo в качестве единственного члена клады Rhipidistia и включив в выборку всех ископаемых актинистов, то мы увидим, что род Latimeria, как и любые другие современные роды принадлежат к большой кустистой кладе, где все ископаемые окажутся где-то далеко в начале, а не ископаемые в конце. Когда Дарвин вводил термин живое ископаемое, маловероятно, что он действительно думал, что существующий вид будет идентичен предковому виду. Вероятно, это уже додумали за самого Дарвина. Как следствие, идея о том, что латимерия является живым ископаемым есть ложная вера, искажающая правду, хотя для воспаленного разума криптозоолога, креациониста и конспиролога всё будет ровным счётом наоборот , ведь учёные всё врут и скрывают. Однако это уже совсем другая история.

Источник:

Insights & Perspective :Why coelacanths are not living fossils

A review of molecular and morphological data

Didier Casane and Patrick Laurenti; 2013

Биология человека невероятно сложная наука. Даже учитывая, что с каждым годом мы открываем всё больше секретов человеческого тела, получаемые нами ответы порождают всё большее количество вопросов. Завершение проекта "Геном человека" придало многим учёным уверенность в том, что с помощью геномики человечество сможет решить важные биологические проблемы. Однако, чем больше биологических тайн мы раскрываем, тем более отчётливо понимаем, что на использование генома организма влияют другие факторы. Соответственно, для решения задач в этих взаимосвязанных областях, в том числе транскриптомике (изучение мРНК) и протеомике (изучение белков) были созданы новые направления научных исследований, в которых начали использовать Python.

Сегодня, специально к старту новых потоков на курсы Python для анализа данных, Fullstack-разработчик наPython и Python длявеб-разработки в этой статье расскажем вам про еще одно применение этого прекрасного языка в научных исследованиях.

Проект Biopython набор инструментов Python для вычислительной биологии и биоинформатики используется для визуализации и анализа последовательностей ДНК и РНК. С помощью набора инструментов Biopython также можно выполнять анализ белковых структур! Познакомимся с ним более подробно.

Банк белковых структур (PDB) единая база данных для изучения и загрузки последовательностей белка. Для работы с PDB был создан специальный файловый формат, естественно, получивший название .pdb. Но по мере того как учёным приходилось анализировать более крупные и сложные белковые структуры, были разработаны другие форматы - CIF и mmCIF. Файл кристаллографической информации CIF (Crystallographic Information File) был разработан для архивирования данных кристаллографического исследования малых молекул. В рамках таких исследований изучается расположение атомов в кристаллических твердых телах. Со временем формат CIF стал использоваться для анализа более крупных молекул (макромолекул, отсюда обозначение mm), получил название mmCIF и в итоге заместил формат PDB. [1]

Визуализация данных с помощью формата PDB

Несмотря на то что в настоящее время общепринятым стандартом является формат mmCIF, многие системы по-прежнему поддерживают файлы старого формата PDB.

Рассмотрим Фитогемагглютинин-L лектин, содержащийся в некоторых бобовых, например в стручковой фасоли.

Импортируйте необходимые пакеты:

from Bio.PDB import *import nglview as nvimport ipywidgets

Теперь создадим экземпляр PDBParser Biopython и для создания интерактивной визуализации воспользуемся библиотекой nglview. Мы можем панорамировать, масштабировать и вращать молекулу и даже выводить на экран определённую информацию об атомах.

pdb_parser = PDBParser()structure = pdb_parser.get_structure("PHA-L", "Data/1FAT.pdb")view = nv.show_biopython(structure)

Визуализация данных с помощью формата CIF

Процедура для файлов CIF практически такая же, за тем исключением, что нужно использовать экземпляр MMCIF Parser! Здесь мы визуализируем более крупную белковую структуру 6EBK, или канал paddle chimera Kv1.2-2.1 в липидных нанодисках (даже произносить трудно).

cif_parser = MMCIFParser()structure = cif_parser.get_structure("6EBK", "fa/6ebk.cif")view = nv.show_biopython(structure)

Доступ к информации о белковой структуре

Заголовок

Самый быстрый способ доступа к информации о белковой структуре через заголовок, словарь метаданных, доступный как в формате PDB, так и в формате CIF.

mmcif_dict = MMCIFDict.MMCIFDict("fa/1fat.cif")len(mmcif_dict) # 689

В результате создаётся большой словарь информации о белковой структуре, в том числе цитата, определяющая последовательность белка, информацию о структуре, расположениях и углах атомов, а также химический состав. Как видите, словарь состоит из 689 позиций.

Последовательности остатков

Одна из самых важных частей анализируемой информации это последовательность остатков белка или полипептида (аминокислот). Поскольку белки могут состоять из нескольких полипептидов, для понимания исследуемого уровня организации мы используем структурный подход. От общей структуры до отдельных атомов.

Объект Structure в нашем файле построен в архитектуре SMCRA (СМЦОА) в соответствии со схемой родитель дочерний элемент:

• Структура состоит из моделей.

• Модель состоит из цепочек.

• Цепочка состоит из остатков (аминокислот).

• Остаток состоит из Атомов.

Для получения последовательностей остатков белка существует множество способов разбора метаданных структуры. Рассмотрим три варианта:

# .get_residues() method in a loopfor model in structure:    for residue in model.get_residues():        print(residue)# .get_residues() method as generator objectresidues = structure.get_residues() # returns a generator object[item for item in residues]# .unfold_entities - keyword for each level of the SMCRA structureSelection.unfold_entities(structure, "R") # R is for residues

Создание полипептидов

Получение упомянутой выше последовательности остатков возвращает последовательность для всей белковой структуры, однако белки часто состоят из нескольких полипептидов меньшего размера, которые, возможно, стоит проанализировать отдельно. Набор инструментов Biopython позволяет сделать это с помощью построителей полипептидов, генерирующих отдельные полипептиды.

polypeptide_builder = CaPPBuilder()counter = 1for polypeptide in polypeptide_builder.build_peptides(structure):    seq = polypeptide.get_sequence()    print(f"Sequence: {counter}, Length: {len(seq)}")    print(seq)    counter += 1# Sequence: 1, Length: 36# SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNLN# Sequence: 2, Length: 196# NGEPRVGSLGRAFYSAPIQIWDNTTGTVASFATSFT...ASKLS# Sequence: 3, Length: 233# SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNLN...ASKLS# Sequence: 4, Length: 36# SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNLN# Sequence: 5, Length: 196# NGEPRVGSLGRAFYSAPIQIWDNTTGTVASFATSFT...ASKLS# Sequence: 6, Length: 35# SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNL# Sequence: 7, Length: 196# NGEPRVGSLGRAFYSAPIQIWDNTTGTVASFATSFT...ASKLS

Анализ последовательностей остатков

Итак, теперь у нас есть последовательности остатков для этих 7 цепочек, и такие последовательности можно проанализировать множеством методов.

from Bio.SeqUtils.ProtParam import ProteinAnalysis

Единственное предостережение: вызов процедуры .get_sequences() возвращает объект Biopython Seq(), см. предыдущую запись в моем блоге, где приведено более подробное описание объектов Seq() и их функциональности ProteinAnalysis требует строкового значения.

analyzed_seq = ProteinAnalysis(str(seq))

Теперь мы готовы к запуску следующих методов, которые позволят понять нашу последовательность!

Молекулярный вес

Мы можем рассчитать молекулярный вес полипептида.

analyzed_seq.molecular_weight()# 4176.51669

GRAVY

Белок GRAVY возвращает значение GRAVY (общее среднее значение гидропатии) для введённых белковых последовательностей. Значение GRAVY вычисляется путём сложения значения гидропатии для каждого остатка и деления на длину последовательности (Kyte и Doolittle; 1982). [2]

Более высокое значение указывает на большую гидрофобность. Меньшее на большую гидрофильность. Позже мы обсудим, как генерировать остаток по гидрофобности остатков.

analyzed_seq.gravy()# -0.5611

Подсчёт количества аминокислот

Количество аминокислот каждого типа можно легко подсчитать.

analyzed_seq.count_amino_acids()# {'A': 1, 'C': 0, 'D': 2, 'E': 1, 'F': 3, 'G': 1, 'H': 0, 'I': 2, 'K': 0, 'L': 5, 'M': 0, 'N': 6, 'P': 0, 'Q': 3, 'R': 3, 'S': 5, 'T': 2, 'V': 1, 'W': 0, 'Y': 1}

Процент аминокислот

А также процентную долю каждой аминокислоты в последовательности!вставка с кодом

Вторичная структура

Очень полезный метод .secondary_structure_fraction() возвращает долю аминокислот, которые могут быть обнаружены в трёх классических вторичных структурах. Это бета-складчатые структуры, альфа-спирали и петли (на которых остатки меняют направление).

analyzed_seq.secondary_structure_fraction() # helix, turn, sheet# (0.3333333333333333, 0.3333333333333333, 0.19444444444444445)

Протеиновые весы

Протеиновые весы это способ измерения определённых атрибутов остатков по длине последовательности пептидов с помощью "скользящего" окна. Весы градуируются значениями для каждой аминокислоты. Каждое значение базируется на различных физических и химических свойствах, таких как гидрофобность, тенденции вторичной структуры и доступность поверхности. В отличие от некоторых единиц измерения на уровне цепочки, таких как общее поведение молекул, весы позволяют более детально понять, как будут вести себя более мелкие участки последовательности.

from Bio.SeqUtils.ProtParam import ProtParamData

Вот некоторые распространённые весы:

• kd индекс гидрофобности Kyte & Doolittle [оригинал статьи];

• Flex нормализованные средние параметры гибкости (B-значения) [оригинал статьи];

• hw индекс гидрофобности Hopp & Wood [оригинал статьи];

• em поверхностная дробная вероятность Emini (доступность поверхности) [оригинал книги].

Документацию по некоторым распространённым весам можно найти здесь.

В качестве примера рассмотрим индекс гидрофобности (kd). Представлены весы, в которых каждый остаток имеет связанное значение, представляющее уровень его гидрофобности.

kd = {"A": 1.8, "R": -4.5, "N": -3.5, "D": -3.5, "C": 2.5,       "Q": -3.5, "E": -3.5, "G": -0.4, "H": -3.2, "I": 4.5,       "L": 3.8, "K": -3.9, "M": 1.9, "F": 2.8, "P": -1.6,       "S": -0.8, "T": -0.7, "W": -0.9, "Y": -1.3, "V": 4.2}

Положительные значения означают гидрофобность. Изолейцин (I) и валин (V) наиболее гидрофобны, а аргинин (R) и лизин (K) наиболее гидрофильны. Гидрофобные остатки, как правило, находятся внутри полипептида, а гидрофильные остатки за его пределами, поэтому эти весы также дают представление о том, как может складываться такой полипептид.

Чтобы провести анализ на основе белковых весов, необходимо задать размер окна, в котором будет вычисляться среднее значение. Используя ключевое слово "edge", можно также измерять важность соседних остатков, в основном определяя их важность по отношению к среднему для окна значению.

analysed_seq.protein_scale(window=7, param_dict=ProtParamData.kd)# [-0.7571428571428572, -0.2428571428571429, -0.24285714285714288, -0.38571428571428573, -0.6285714285714287, -0.942857142857143, -1.842857142857143, -1.442857142857143, -2.3428571428571425, -1.3000000000000003, -0.01428571428571433, 0.1285714285714285, 0.1285714285714285, -0.014285714285714235, -0.4142857142857143, 0.3428571428571428, -0.31428571428571417, -0.35714285714285715, -1.014285714285714, -0.6285714285714284, -0.10000000000000002, 0.3428571428571429, -0.4142857142857142, 0.24285714285714285, -1.0, -0.34285714285714286, -0.32857142857142857, -0.7142857142857143, -0.1142857142857144, -0.11428571428571435]

Попробуем вместе

Давайте объединим все наши методы и создадим скрипт, который выполнит итерацию по каждой цепочке нашей структуры и запустит какой-нибудь стандартный анализ. Создадим пустой контейнер, заполним его словарём ключевой информации для каждой последовательности. После создания такой вложенной структуры мы сможем получать срезы, как и в любом контейнере на Python, отдельных записей.

# Create empty list for chainsall_seqs = []counter = 1# For each polypeptide in the structure, run protein analysis methods and store in dictfor pp in ppb.build_peptides(structure):    seq_info = {} # create an empty dict    seq = pp.get_sequence() # get the sequence like above    analyzed_seq = ProteinAnalysis(str(seq)) # needs to be a str     # Specify dict keys and values        seq_info['Sequence Number'] = counter # set sequence id    seq_info['Sequence'] = seq # store BioPython Seq() object    seq_info['Sequence Length'] = len(seq) # length of seq    seq_info['Molecular Weight'] = analyzed_seq.molecular_weight()    seq_info['GRAVY'] = analyzed_seq.gravy() # hydrophobicity     seq_info['AA Count'] = analyzed_seq.count_amino_acids()     seq_info['AA Percent'] = analyzed_seq.get_amino_acids_percent()    # tuple of (helix, turn, sheet)    seq_info['Secondary Structure'] = \        analyzed_seq.secondary_structure_fraction()        # Update all_seqs list and increase counter    all_seqs.append(seq_info)    counter += 1

Выбор первой последовательности возвращает словарь с нашими анализами и значениями!

all_seqs[0] # select the first sequence# {'Sequence Number': 1, 'Sequence': Seq('SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNLN'), 'Sequence Length': 36, 'Molecular Weight': 4176.52, 'GRAVY': -0.5611, 'Amino Acid Count': {'A': 1,  'C': 0,  'D': 2,  'E': 1,  'F': 3,  'G': 1,  'H': 0,  'I': 2,  'K': 0,  'L': 5,  'M': 0,  'N': 6,  'P': 0,  'Q': 3,  'R': 3,  'S': 5,  'T': 2,  'V': 1,  'W': 0,  'Y': 1}, 'Amino Acid Percent': {'A': 0.027777777777777776,  'C': 0.0,  'D': 0.05555555555555555,  'E': 0.027777777777777776,  'F': 0.08333333333333333,  'G': 0.027777777777777776,  'H': 0.0,  'I': 0.05555555555555555,  'K': 0.0,  'L': 0.1388888888888889,  'M': 0.0,  'N': 0.16666666666666666,  'P': 0.0,  'Q': 0.08333333333333333,  'R': 0.08333333333333333,  'S': 0.1388888888888889,  'T': 0.05555555555555555,  'V': 0.027777777777777776,  'W': 0.0,  'Y': 0.027777777777777776}, 'Secondary Structure': (0.3333333333333333,  0.3333333333333333,  0.19444444444444445)}

Можно легко выбирать конкретные значения.

all_seqs[0]['Sequence']# Seq('SNDIYFNFQRFNETNLILQRDASVSSSGQLRLTNLN')all_seqs[0]['Molecular Weight']# 4176.52

Заключение

Набор инструментов Biopython не только облегчает работу с последовательностями ДНК, но его также можно использовать для целей протеомики для визуализации и анализа белков. Biopython реализует мощные и гибкие методы стандартного анализа белков, результаты которых могут быть использованы для разработки индивидуальных процессов в соответствии с вашими конкретными потребностями. Со временем мне, несомненно, станут известны новые впечатляющие функциональные возможности Biopython, и я опубликую множество статей на эту интересную тему.

Как и всегда, все коды и зависимости, описанные в данной статье, можно найти в этом репозитории, который я продолжу обновлять по мере изучения набора инструментов Biopython. Надеюсь, что данное руководство поможет вам запускать собственные проекты по биоинформатике с помощью Biopython!

А если ваши потребности далеки от биоинформатики не беда, ведь Python весьма распространен в других направлениях и является просто мастхэвом например для дата-сайентистов и аналитиков. Для освоения Python у нас есть целых три курса, Python для анализа данных, Fullstack-разработчик наPython и Python длявеб-разработки, каждый из которых имеет свою специфику, можно выбрать какой больше отвечает вашим целям. А промокод HABR даст скидку 50%.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

Когда я обучался в магистратуре, нам читал лекции профессор Валерий Степанович Тырнов, исследователь старения. Натура увлечённая, он рассказывал немало удивительного. Например, о том, что обнаружил на сыре штамм плесени, способный расти при отрицательных температурах, который содержит в морозилке, несмотря на протест жены. Профессор надеялся принять с этим штаммом участие в экспериментах, изучающих возможности терраформирования Марса. Ещё он рассуждал о внедрении в геном человека генов, отвечающих за фотосинтез, с целью получения зелёных человечков, питающихся солнечным светом. Когда я сдавал экзамен профессору, у него уже отказывало зрение. В следующем семестре Валерий Степанович умер. Он пытался успеть победить старение, но не успел. Рассуждая вслух, Валерий Степанович говорил, что первый заметный признак старения у человека проявляется очень рано, зачастую в подростковом возрасте. Это кариес постоянных зубов.

Конечно, сегодняшняя заметка будет во многом философской. Таков уж предмет разговора. Начнём с того, являются ли старение и смерть универсальным законом природы, как то утверждает сказочница Урсула Ле Гуин.

Говоря о старении и естественной смерти, мы имеем в виду, прежде всего, многоклеточных животных. Среди одноклеточных и растений явления старения и смерти весьма размыты. Да, согласно новым научным данным, существует т.н. клональное старение штаммов микроорганизмов: для одних существует ограниченное количество делений митозом (бесполое размножение), для других биологические часы обнуляются лишь в одной из разделившихся половинок. Это т.н. репликативное старение. Многие исследователи говорят о хронологическом старении самих клеток простейших организмов. Но это лишь с одной стороны. С другой стороны, теоретически бессмертны растения, размножающиеся вегетативно. Кто может сказать, сколько лет существует традесканция, высаженная в горшок черенком, отделённым от традесканции из другого дома, и та, в свою очередь, когда-то была черенком Это всё один и тот же геном, один и тот же индивидуум, с генетической точки зрения. В центре пустыни Мохаве произрастает King Clone клональная колония креозотового куста (Larrea tridentata), возраст которой оценивается в 11700 лет.

Отдельно следует коснуться т.н. пренебрежимого старения. Это такая степень старения, когда практически невозможно установить корреляцию между возрастом и вероятностью смерти. Смерть наступает от случайных причин. Некоторые учёные считают, что понятие пренебрежимого старения применимо к людям, дожившим до 90-100 лет. Так, алеутский морской окунь (Sebastes aleutianus) живёт до 205 лет, моллюск исландская циприна (Arctica islandica) 400 лет, коробчатая каролинская черепаха (Terrapene carolina) 138 лет. Возраст антарктических губокScolymastra joubiniоценивается от 15 до 23 тыс. лет.

Наблюдения за гигантскими груперами (Epinephelus lanceolatus), длиной 2,5 м. и весом до 400 кг. (живут 100-120 лет) показали, что старые особи проигрывают конкуренцию молодым. Они менее поворотливы из-за огромных размеров, зачастую не имеют возможности спрятаться в пещеру. Но они не стареют. Они по-прежнему отлично видят малейшее шевеление усика креветки из-под дальнего камня. Они просто перерастают свою экологическую нишу.

Максимальная продолжительность жизни человека 120 лет.

И всё же, главным свидетельством того, что старение и смерть не есть универсальные законы биологии, является бессмертие самой биосферы. Жизнь на Земле существует миллиарды лет. Клетки и их колонии (а многоклеточный организм в некотором смысле можно рассматривать как колонию клеток) эволюционируют, но процесс этот не прекращается, несмотря на клональное старение, случайности и прочее. Однако, к этому моменту мы вернёмся позже. Главное для нас здесь понять: старение и естественная смерть не являются универсальными законами биологии, а значит, у человечества есть надежда.

Теперь попробуем классифицировать современные теории старения. Во-первых, следует выделить 2 большие группы эволюционных теорий старения.

Первая группа это эволюционные теории старения, полагающие старение и смерть эволюционным приобретением. Эти теории могут доставить некоторый психологический комфорт. Старение, согласно им программа, приобретённая видом в процессе эволюции, и стоит только её вырубить

Весьма популярны ныне теории, связанные с т.н. лимитом (пределом) Хейфлика. Такова теломерная теория Оловникова. В соматических клетках с диплоидным набором хромосом размеры теломер (участков ДНК на концах хромосом) с каждым делением клетки сокращаются, по причине отсутствия фермента теломеразы в клетке. Когда теломеры станут достаточно коротки, ДНК-полимераза потеряет способность реплицировать концы молекулы ДНК. Включается процесс апоптоза запрограммированного саморазрушения клетки. Так, предельное число делений для клеток человеческого организма 52 деления.

Клетки, в которых функционирует теломераза бессмертны. Таковыми являются половые и раковые клетки. Полагается, что теломераза исчезла в соматических клетках не случайно, а для подавления опухолеобразования.

Линия клеток HeLa из раковой опухоли шейки матки пациентки по имени Генриетта Лакс, умершей в 1951 г, считается бессмертной. В декабре 1960 года клетки HeLa первыми полетели в советском спутнике. В 1968 г. на борту советского космического аппарата Зонд-5 они облетели вокруг Луны. Эти клетки эволюционировали за прошедшие годы. Иногда они способны заражать культуры других клеток. Лен Ван Вален описал эти клетки как новый вид организмов Helacyton gartleri, впрочем, обычно биологи не относятся к последнему всерьёз.

Вот почему, изучение голых землекопов (Heterocephalus glaber) входит в список 25-ти научных идей для продления жизни. Голые землекопы грызуны, обитающие в полупустынях Кении, Эфиопии и Сомали. Живут колониями по 70-80 особей. Во главе колонии матка, или королева, которая спаривается с 2-3 самцами. Прочие особи колонии рабочие (как у общественных насекомых). Голым землекопам свойственна хладнокровность. Не чувствительны к боли и ожогам кислотой. Могут доживать до 31 года, что аномально для грызунов (мышь живёт около полутора лет). Не болеют раком. Длина теломер в клетке регулируется. Наносит вред полям батата.

Рассмотрим теперь теории, рассматривающие старение как следствие повреждения клеток. Это вторая группа теорий старения.

Действительно: в мире стареет всё. Изнашивается ботинок, точит вода камень, солнца превращаются в красные гиганты Эта группа теорий старения рассматривает старение как результат отсутствия программы репарации и способна вызвать некоторый психологический дискомфорт. Ведь написать программу это совсем не то, что просто её удалить, не так ли?

Рассмотрим одну из таких теорий, т.н. теорию накопления мутаций. Согласно этой теории, предложенной Питером Медаваром в 1952 году, естественный отбор препятствует накоплению вредных мутаций, проявляющихся до возраста, достижение которого необходимо организму для реализации репродуктивных функций. Далее действие естественного отбора ослабевает, и накопившиеся вредные мутации, проявляющиеся после прохождения организмом репродуктивного цикла, обеспечивают феноменологию старения. Очевидно, что домовой мыши с быстрым метаболизмом, маленьким тельцем и быстрым репродуктивным циклом, долгая жизнь ни к чему, другое дело огромный слон, которому необходимо выносить слонёнка. Не отвергая ценного наблюдения о существовании некоторой корреляции между длиной репродуктивного цикла и продолжительностью жизни, отметим, что на настоящий момент теория накопления мутаций остаётся гипотезой.

Гораздо ближе автору этих строк т.н. теория одноразовой сомы. Согласно этой теории, в процессе эволюции стоял вопрос об ограниченности ресурсов. Ресурсы могли быть потрачены на репарацию, а могли быть потрачены на другие функции. В итоге они были потрачены на репарацию (восстановление) ровно на столько, сколько необходимо для реализации репродуктивного цикла. Поскольку жизнь это эволюция нуклеиновых кислот И природа любит оптимизацию: у полихет множество параподий, у их потомков членистоногих число ног с повышением уровня организации сокращается. У речного рака 5 пар ходильных ног, у паука 4, у насекомых 3, а клопу водомерке для прыжков по воде достаточно 2 пары, 3-я пара передних лапок специализирована. В целом, данный взгляд на эволюцию старения разделяется основной частью биологического сообщества.

Однако, эволюционные теории старения рассматривают этот процесс в самых общих чертах. Отдельной категорией следует отметить теории старения, рассматривающие конкретные механизмы старения. Одну такую теорию (связанную с пределом Хейфлика) мы уже рассмотрели. Другая подобная теория свободнорадикальная теория старения. Она утверждает, что старение происходит из-за накопления в клетках повреждений, нанесённых свободными радикалами с течением времени. Свободными радикалами называются молекулы или атомы, содержащие один или несколько неспаренных электронов на внешнем электронном уровне. Очевидно, что в основе этой теории во многом лежит эмпирическое наблюдение: животные с интенсивным метаболизмом живут меньше, чем животные с медленным метаболизмом. Сравните землеройку и черепаху. Одна из модификаций свободнорадикальной теории митохондриальная теория старения, отводящая ключевую роль в процессе таким органоидам клетки, как митохондрии. Вряд ли свободные радикалы являются единственной причиной старения, однако, не следует забывать, что данный подход предполагает возможность увеличения продолжительности жизни при соблюдении определённой диеты (низкокалорийной) и регулярных занятиях спортом.

Автор этих строк придерживается взгляда, что старение связано с множеством механизмов. По аналогии с ботинком: он стирается, и одновременно у него может отклеиваться подошва. Это т.н. системный подход к старению, разделяемый большинством биологов.

Человек мечтает о вечной молодости и бессмертии с тех пор, как осознал себя смертным. Николай Фёдоров, предтеча и вдохновитель Циолковского, мечтал о воскрешении в будущем всех, когда-либо живших, силами науки. Эта идея не так утопична, как может показаться на первый взгляд, если учесть, что человеческий разум трансформирует в природе всё, с чем не может смириться. Люди не могли смириться с тем, что не способны летать, и, в конце концов, создали летательные аппараты. Может ли человек смириться со смертью близких? Нет.

Однако, сейчас нас интересует лишь остановка старения: существует ли в природе радикальный механизм омоложения? Доктор биологических наук Николай Мушкамбаров считает, что таким механизмом является мейоз процесс образования половых клеток, известный каждому из школьных учебников биологии.

И вот тут нам придётся вступить в область научной фантастики.

Механизм обнуления биологических часов существует, и этот механизм воспроизводится в процессе полового размножения. Однако, обновлённый организм отличается от исходных родительских, но главное занимает отдельное, искривлённое по Вернадскому, пространство. Даже если мы говорим об эмбрионе в теле матери. Доктор Мушкамбаров рассуждает о возможности запустить необходимые для обновления процессы мейоза в соматических клетках, нужно только полностью определить гены, ответственные за разные аспекты мейоза. Конечно, Мушкамбаров, оговаривается, что пока речь идёт о фантастическом проекте.

Однако, будучи фантастом, я готов пойти в рассуждениях дальше. Что, если, при помощи генной инженерии, мы полностью перепрограммируем геном, и обновлённый организм будет, подобно плесени, постепенно прорастать в организме, подлежащем репарации? В конце концов, мы можем применить медицинские нанороботы, искусственный интеллект для замены изношенных органов. Было время, компьютер представлялся фантастикой. А теперь нейросети способны анимировать лица на фотографиях 150-летней давности Конечно, современные технологии перед тем, что предполагается - деревянные счёты на фоне современного компьютера, но... Есть целое новое направление: синтетическая биология. Существует такое понятие, как синтетический морфогенез контролируемое развитие органов, систем и частей тела организмов, посредством активации специфических молекулярных механизмов. Нужно лишь полностью выяснить механизмы, при помощи которых клетки самоорганизуются в сложные ткани. И если прописать в геном автоматическую программу Вряд ли такой бессмертный человек может быть отнесён к одному из существующих надцарств живой природы: эукариоты, либо прокариоты. Такие самообновляющиеся существа следует будет выделить в отдельное надцарство Да, я увлёкся фантастикой.

Однажды я беседовал обо всём этом со специалистом по старению (на тот момент кандидат наук, преподаватель МГУ). Он отвечал, что его мысли движутся в том же направлении.

Тут возникнет множество этических противоречий. Подобная власть над биологической природой означает утрату смысла не только для таких понятий как возраст, пол, раса, внешний облик (всё это окажется легко трансформируемым в течение жизни), но и для привычных нам всем свойств человеческого организма (вспомните зелёных человечков профессора Тырнова, или человека-амфибию Беляева). Да, это философия трансгуманизма. Не цифровой трансгуманизм (киборгизация или оцифровывание человека, что мне неприятно), но биологический. Однако, прежде чем пугаться, задумайтесь над тем, что трансгуманистические преобразования начинаются ещё тогда, когда первобытный человек впервые применил зубный протез. Вопрос лишь в мере

Вдумайтесь, как мало живёт человек. Если вы увлекаетесь историей, палеонтологией, фантастикой, следите за политическими событиями, вам должно быть знакомо это чувство: вы никогда не узнаете, что будет через двести, тысячу лет Не увидите смены формаций, не увидите новой, посткайнозойской эры Не узнаете, есть ли жизнь в пределах иных звёздных систем. При том, что можете свободно перемещаться в воображении сквозь тысячелетия и эоны в прошлое. Доживём ли? Я считаю, что шанс дожить до ощутимого продления срока жизни у нас есть, а там глядишь, и... Конечно, увеличение численности населения предполагает освоение дальнего космоса...

Фридрих Энгельс полагал свободу осознанной необходимостью и говорил о скачке из царства необходимости в царство свободы. Именно о таком прыжке в царство биологической свободы, при условии познания биологических необходимостей, идёт речь. Ещё буддистские философы мечтали остановить колесо Сансары, бесконечный круговорот рождений, страданий и смертей. Жизнь в древней Индии была настолько тяжела, что эта остановка мнилась мрачным для современного человека способом: уходом в абсолютное небытиё. Когда я однажды впервые воспроизвёл биуретовую реакцию на белок в лаборатории, то вдруг осознал, что в этом и заключается конечный смысл науки биологии: остановить колесо, и каждая установленная учёными реакция, позволяющая идентифицировать те, или иные биологические молекулы, подобная этой, окрашивающей содержимое пробирки в лиловый цвет, каждая новая формула, приближает человечество к этому часу. Майский ветер с запахом пыльцы врывался в раскрытое окно, хотел бы я вновь пережить эту гамму чувств

В заключение отмечу вот что. Рыночная экономика не заинтересована в индивидуальной эволюции и бессмертии каждого. Подобно тому, как биологическая эволюция заинтересована лишь в продлении рода, она заинтересована в умножении прибыли. Подумайте об этом.

Отдельно рекомендую прочесть:

О голых землекопах:

https://biomolecula.ru/articles/preodolevshie-starenie-chast...

О волшебной силе мейоза:

https://www.nkj.ru/archive/articles/24069/

Тюлин Д.Ю., кандидат биологических наук

Всем привет! Вместо предисловия: замглавред Хабра увидел наши посты на других ресурсах и сказал, что на Хабре оно тоже можно/нужно. Попробуем. Мы пишем на темы химии, биохимии, биологии, медхимии, пищехимии и т.п. Научпоп, в общем. Невысокой сложности, без лишних формул и прочего, чего обычному человеку не надобно. Темы берём из пожеланий, писем и прочих запросов.

Пост, который попался замглавреду, был посвящён т.н. сывороткам правды. С него и начнём. Занятная идея, эта сыворотка. С ней расскажете, что угодно! Действительно, что угодно. То есть - что пожелаете. То есть -не работают никакие "сыворотки" никакой правды.

Человек умеет врать (говорить неправду), вот это - общеизвестный факт. Да чего уж там человек, даже братья наши меньшие умеют (есть масса интересных экспериментов с обезьянками). И разумеется, у многих есть большой соблазн "принудить" человека к правде. В первую очередь это касается всевозможных спецслужб. В книжках разного уровня художественности то и дело попадаются эпизоды, как в застенках КГБ/ФСБ/ЦРУ/МИ6/Моссада человеку на допросе вводят сыворотку правды (чаще всего звучат названия "скополамин" или "пентотал"). И человек, конечно, не может теперь не соврать. Или - ещё надёжнее! - магия, как у Джоан Роулинг или Даниэля Дессана. В воображении волшебствующих авторов это выглядит примерно так (смотреть с 1:50, не нашла идеально вырезанного фрагмента):

В реальности - ничего подобного.Нет. Ноу. Найн. Даже не надейтесь, коварные спецслужбы, хитрые маги и проч. Вот вам правда. "Сыворотки правды" могут воздействовать на процессы торможения, и при этом человеку несколько труднее запускать сложное мышление (а придумывание лжи - это очень сложный в физиологическом смысле акт).Но сыворотки не отнимают у человека этой способности в принципе. А самое главное - они просто дают некоторое ощущение расслабленности и комфорта. Иными словами, если вы хотели наврать всем и каждому, что вчера видели прилёт летающей тарелки с марсианами, то после применения "сыворотки правды" вы получите лишь больше удовольствия от такойфантазииправдивой истории и будете охотнее ею делиться. Хотя она, возможно, станет несколько беднее на подробности, но это уже детали.

Пентотал (а точнее - пентотал натрия, а ещё точнее это вещество называется тиопентал натрия) - препарат, работающий с системой гамма-аминомасляной кислоты. ГАМК - главный тормозный нейромедиатор, так вот тиопентал просто стимулирует это действие. Он активирует ГАМК-рецепторы, замедляет закрытие ГАМК-зависимых каналов, которые имеются у нейронов, словом - вовсю помогает этой кислоте "жать на тормоз".

Скополамин - алкалоид (т.е. производится природой, а мы у неё это подсмотрели). Он работает с системой ацетилхолина (холинолитик, т.е. противодействует этому нейромедиатору). Для ацетилхолина есть два вида рецепторов: типа Н, никотиновые, и типа М, мускариновые. У них есть свои подтипы, вот у мускариновых рецепторов их 4 штуки. И все 4 блокируются скополамином, если тот оказывается в организме. Результат - седативное и снотворное действие, возможные кратковременные потери памяти и т.п., но ничего, связанного с желанием говорить правду, только правду и ничего, кроме правды. От укачивания ещё помогает...

Все остальные препараты избогатого арсенала спецслужбфантазий писателей действуют примерно так же. Заторможенность - да, правдивые ответы - ну, как повезёт. Так что, способы заставить говорить правду, конечно, есть, но они имеют мало отношения к биохимии, нейрохимии и фармакологии. По крайней мере,пока. ;-) Такое вот резюме... многообещающее.

Первоисточник: наш однозначно правдивый канал "Биохимикум" на Яндекс.Дзен.Сначала посты мы размещаем там, и на то есть простая причина: тамошней аудитории химический/биохимический ликбез нужнее. Нам вообще показалось, что для уровня Хабра прописные истины формата "сыворотки правды не бывает" или там "глутамат на самом деле безвреден" - это не совсем то, но нас уверили, что подойдёт :) Поглядим.

Группа животных это больше, чем сумма всех членов группы. Поведение одинокого муравья трудно назвать осмысленным, но их колония способна построить прочную и хорошо вентилируемую муравьиную кучу. Одинокий журавль может легко заблудиться в небе, но стая журавлей безошибочно выбирает правильный путь миграции. Во многих сложных когнитивных процессах мы регулярно наблюдаем отличия в поведении группы от поведения её отдельных членов. Как это возможно? Даже автор статьи, кандидат наук, не может понять, как примитивные рыбы золотые нотемигонусы, абсолютно безнадёжные, безмозглые существа, собираясь в стаи, способны эффективно уклоняться от хищников. Автор прочитал десятки статей и учебников, проводил эксперименты, анализировал данные и консультировался с теоретиками, пытаясь понять, почему, когда речь идёт о рыбах, 1 плюс 1 получается не 2, а 3.

К старту курса о машинном и глубоком обучении мы перевели материал о том, как групповое поведение связано с композиционным (ансамблевым) обучением, где вы найдёте как кратко изложенную теорию со ссылками, так и вопросы, которые сегодня стоят перед наукой о коллективном поведении.

Полученные знания не дали мне ничего, кроме самих знаний, но вот настал день, когда я оставил академическую науку и решил заняться математическим и компьютерным моделированием. Когда я начал изучать теорию и методы анализа данных, я с удивлением заметил любопытную параллель между процессами принятия решений стаей рыб и принятием решений в алгоритмах композиционного обучения.

Здесь я расскажу о том, как группы, составленные из плохо обучаемых индивидуумов это могут быть как отдельные рыбы, так и деревья решений, могут формировать структуру, очень точно обрабатывающую данные (информационный процессор).

Машина

Сначала рассмотрим, как обстоят дела в области машинного обучения, ведь вам, вероятно, ближе алгоритмы, чем животные! Для формирования прогноза в методах композиционного обучения используется набор моделей, а не одна модель. Идея заключается в том, что ошибки в прогнозах отдельных моделей нивелируются, что приводит к более точным прогнозам в целом.

На показанной ниже схеме группа составляется из нескольких серых прямоугольников. Каждый прямоугольник отдельная модель. Чтобы сгенерировать прогнозируемое значение, входные данные отправляются в разные модели, и каждая из них формирует прогноз. После этого отдельные прогнозы сводятся к единому общему прогнозу путём усреднения (для регрессии) или принятия решения по принципу большинства (для классификации).

Одним из популярных композиционных методов является алгоритм случайного леса модель, состоящая из десятков и даже сотен деревьев поиска решений. Способов объединения деревьев в группы (лес) очень много, но суть процесса всегда одна: каждое дерево независимо тренируется на бутстрэп-наблюдениях и случайных наборах признаков. (Если для каждого дерева использовать одни и те же данные, каждый раз будет создаваться одно и то же дерево!)

В результате получается набор моделей, каждая из которых понимает тренировочные данные по-своему. Такое видоизменение имеет решающее значение. Одиночные деревья решений быстро становятся чрезмерно аппроксимированными (переобученными), так как имеют дело лишь с одним набором тренировочных данных, но таких ситуаций в реальном мире практически не бывает. Но, поскольку группа состоит из множества деревьев, такие ошибки при формировании совокупного прогноза способны нивелировать друг друга.

Теория

Повышенную точность модели случайного леса можно назвать коллективным интеллектом. Этот термин вошёл в обиход в 1906 году после того, как на ярмарке скота в Плимуте, штат Массачусетс, провели конкурс на угадывание веса быка. Угадать вес пытались почти 800 фермеров. Позже статистик сэр Фрэнсис Гальтон проанализировал все оценки и пришёл к выводу, что, несмотря на то что отдельные оценки сильно отличались друг от друга, среднее значение оценок было более точным, чем любая отдельно взятая оценка. Гальтон изложил свою теорию в знаменитом труде Vox Populi.

Для того чтобы коллективный интеллект работал, необходимо соблюдение двух основных требований. Первое требование люди должны получать разную информацию. Если у всех будет одинаковая входная информация, решение группы не будет более точным, чем решение отдельного человека. Решение группы может быть даже менее точным, чем решения отдельных людей, так как некоторые члены группы под воздействием эффекта эхо-камеры могут выдавать неверные прогнозы^[1].

Второе требование отдельные оценки должны быть независимыми. Если бы эти 800 фермеров перед голосованием советовались со своими коллегами, количество уникальных точек зрения сократилось бы до нескольких сотен, а может быть, и нескольких десятков, так как мнения людей стали бы влиять друг на друга. При этом больший вес имели бы мнения людей, уверенно и напористо отстаивающих свою точку зрения, а мнения тихонь игнорировались бы; необычная информация отбрасывалась бы в пользу общеизвестной.

В каком-то смысле такие фермеры формируют картину случайного леса, на обучение которого ушли десятилетия. На протяжении всей жизни фермеры учились соотносить различные характеристики быка длину рогов, высоту в холке и прочее с его весом. На ярмарке каждый фермер брал новую точку отсчёта и проводил самостоятельную оценку. Гальтон объединил все их ответы и вывел окончательный прогноз.

Рыбы

То, что произошло на ярмарке крупного рогатого скота, можно объяснить коллективным интеллектом, но что касается наших рыб золотых нотемигонусов, ситуация гораздо интереснее. Алгоритм случайного леса не вполне подходит для описания стаи рыб по одной причине: информация, которую рыба имеет о своём окружении, сильно коррелирует с её соседями.

Взгляните на приведённое ниже изображение стаи из 150 золотых нотемигонусов. Поле зрения каждой рыбы аппроксимировали с помощью метода отслеживания лучей, в белый цвет окрашены только те лучи, которые покидают группу.

Первое, что бросается в глаза, внутренняя часть стаи является мёртвой зоной в смысле информации о внешнем мире, эти рыбы видят только других рыб. Второе, на что следует обратить внимание, отдельные особи, которым поступает информация из внешней среды, если рядом с ними находятся другие особи, получают практически идентичную информацию об окружении.

Каким же образом такая группа может принимать информированные решения о том, повернуть налево или направо, искать ли пищу или прятаться от хищника, если эта группа получает лишь малую часть независимых данных о внешнем мире? И как члены этой группы без лидера могут действовать согласованно? Ведь некоторые стаи рыб с успехом находят убежища и реагируют на опасность даже в тех случаях, когда информация, поступающая отдельным особям, пространственно автокоррелируется, что препятствует применению коллективного интеллекта.

К сожалению, точных ответов на эти вопросы пока нет. Исследователи коллективного поведения пытаются понять, как простые локальные взаимодействия приводят к сложным формам поведения на уровне группы. Существует два класса алгоритмов машинного обучения, которые, как мне кажется, могут объяснить, почему стаи рыб совершают "осмысленные" действия.

Первый класс алгоритмов алгоритмы усиления (бустинга) композиционного обучения. В методе случайного леса используется бэггинг, или бутстрэп-агрегирование, метаалгоритм композиционного обучения, предназначенный для улучшения стабильности и точности алгоритмов машинного обучения, обеспечивающий параллельное обучение каждой модели независимо друг от друга. С другой стороны, такие методы, как AdaBoost и XGBoost, тренируют модели последовательно, другими словами, более поздние модели обучаются на ошибках более ранних. Рыбы, собирающиеся в стаи, быстро обнаруживают хищников благодаря ошибкам других рыб, и рыбы, понимающие ориентиры внешней среды, обычно определяют направление перемещения группы.

Второй класс алгоритмов базируется на предположении о том, что стаи рыб действуют как крупная нейронная сеть. (От биологических нейронов до искусственных нейронных сетей и стай рыб... мы прошли полный круг!) Уходя от хищников, многие виды рыб проявляют стартл-рефлекс сверхбыстрый рефлекторный рывок в сторону от тревожного раздражителя^[2].

Этот рефлекс приводит к каскадному срабатыванию стартл-рефлекса у других рыб, причём скорость такого срабатывания превышает скорость движения атакующего хищника.

Здесь интересно отметить, что данные, выдаваемые членами группы (пугаются они или нет), служат входными данными для соседних рыб должны ли они пугаться. Это особенно актуально для рыб, находящихся глубоко внутри группы, которым не поступает информация из внешней среды и которые не могут интерпретировать событие возмущения воды будь это ложная тревога или приближение хищника. Реакция на эти социальные сигналы может определять, выживет рыба или умрёт.

Обычно мы представляем искусственные нейронные сети как модели биологических нейронных сетей, но в некотором смысле вся стая действует как набор нейронов при обработке информации о риске в окружающей среде. Но ещё более интересным обстоятельством является то, что эти нейроны могут менять структуру своей сети, чтобы изменить способ обработки информации.

В одной из статей мы с коллегами показали, что золотые нотемигонусы модулируют реакцию на угрозу, меняя расстояние между особями, а не ориентируясь на внутренние рефлексы, реагировать или нет на испуг соседа. Другими словами, то, как будут развиваться события превратятся ли случайные рефлексы в полноценные каскады срабатывающих рефлексов или ситуация тихо угаснет сама собой, определяет сама структура группы, а не отдельные особи.

Заключение

Почему поведение групп особей отличается от поведения отдельных особей? На этот вопрос уже долгое время пытаются ответить исследователи коллективного поведения. Правильный ответ следует искать на стыке таких наук, как биология, психология, физика и информатика. В этой статье мы привели простой пример коллективного интеллекта усреднённые независимые оценки веса быка оказались более точными, чем индивидуальные оценки. Затем мы узнали, как стаи рыб, аморфная структура которых постоянно меняется по мере поступления новой информации из окружающей среды, производят коллективные вычисления.

Хотите узнать больше? Советуем почитать, как бабуины принимают демократические решения о передвижении, как у диких птиц из поколения в поколение сохраняется инновационное поведение [значение понятия можно прочитать здесь, этой ссылки в оригинальной статье нет], как слизистые грибы помогли заново создать карту токийского метро, оптимизировав распределение ресурсов. Чтобы узнать о последних исследованиях в области коллективного поведения, также рекомендуем ознакомиться с интернет-ресурсом Отдела коллективного поведения Института поведения животных им. Макса Планка.

Сноски

1. Теория
Если вы никогда не встречаете иные точки зрения в Интернете или такие иные точки зрения представлены как точки зрения идиота, то, скорее всего, вы находитесь в эхо-камере. Такое происходит довольно часто, поскольку социальные сети, как ни странно, имеют самоизолирующий эффект. Для более объективного взгляда на мир необходимо знакомиться с различными точками зрения.

2. Рыбы
Если углубиться в тонкости, на самом деле стартл-рефлекс может передаваться несколькими нейронными путями, часть из них связана с более тонкой регуляцией моторики. У рыб рефлекс может проявляться с разной интенсивностью, поэтому результат на выходе может, в частности, зависеть от этого фактора. Но при общей количественной оценке распространения информации в группе наши рассуждения можно считать хорошим приближением для "категоризации" испугов на "да, эта рыба испугалась" и "нет, она не испугалась".

Эта статья прекрасное напоминание о том, что многие решения в науке и технике позаимствованы у природы, либо просто существуют в ней уже очень давно. Если вы хотите экспериментировать с моделями машинного и глубокого обучения, повторяя и совершенствуя находки природы, находить новое в комбинациях разнообразных подходов к искусственному интеллекту, то вы можете обратить внимание на наш курс "Machine Learning и Deep Learning", партнёром которого является компания NVIDIA лидер в области вычислений для ИИ.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

Зеленая энергетика не сходит с веб-страниц и из всевозможных заголовков. Зеленый уже давно понимается как экологически благоприятный, но здесь напрашивается две важные оговорки:

1. Далеко не все методы зеленой энергетики так уж безвредны для окружающей среды. Например, ячейки солнечных панелей и лопасти ветряков необходимо утилизировать уже через пару десятков лет эксплуатации

2. По-настоящему зеленую энергетику могли бы обеспечить зеленые растения, которые и являются первичными накопителями солнечной энергии.

Как ни странно, мы до сих пор не умеем в промышленных масштабах воспроизводить фотосинтез. Фотосинтез является одним из основных процессов в жизнедеятельности зеленых растений. При фотосинтезе углекислый газ и вода расщепляются в листьях, вернее, в хлоропластах клеточных органеллах, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. По строению хлорофилл близок к гему небелковой части гемоглобина.

Хлорофилл решает две задачи, особенно важные для современной экологии: 1) расщепляет углекислый газ, помогая таким образом купировать глобальное потепление и 2) позволяет получать водород, являющийся одним из наиболее экологически чистых видов топлива.

Естественный фотосинтез, будучи продуктом биологической эволюции, не отличается эффективностью. Его КПД составляет всего 1-2%, чего вполне хватает для поддержки медленного жизненного цикла растений. Атом магния, хорошо заметный в вышеприведенной формуле, играет роль катализатора. Но растения используют в таком качестве магний, так как биологическая эволюция использует в основном легкие металлы, один из них магний (12-й элемент). Оптимизируя фотосинтез, нам следовало бы изобрести искусственные листья, а также повысить эффективность самого процесса. Для этого нужно было бы заменить магний другими катализаторами металлами, способными его заменить, а значит, схожими с магнием в соответствии с периодическим законом.

Кроме того, нам нужно было бы создать искусственные листья и искусственные хлоропласты, которые улавливали бы солнечный свет лучше естественных, а также производили бы именно энергию, а не белки и углеводы, необходимые для жизнедеятельности растений. Наконец, особенно интересно было бы использовать солнечный свет для получения более сложной органики, нежели растительных углеводов.

Давайте об этом поговорим.

Биохимия фотосинтеза

Высшие растения, бактерии и водоросли преобразуют солнечную энергию в углеводы и углеводороды. Но растения не подходят для крупномасштабного производства топлива на основе солнечной энергии, так как задействуют сложную цепочку биохимических реакций, позволяющих преобразовать CO2 в конечный продукт. КПД растений слишком низок, чтобы они могли играть роль серьезного энергетического ресурса. Эффективность растений обычно зависит не только от освещенности, но и от других экологических факторов, в том числе, от доступности CO2, воды и питательных веществ.

Фотосинтез протекает в четыре этапа:

Сбор света. На данном этапе происходит поглощение и накопление электромагнитного излучения антенными молекулами (прежде всего хлорофиллом, но также и каротином). Эти молекулы сосредоточены в виде белковых комплексов или органелл и служат для концентрации захваченной энергии в реакционных центрах.

Разделение зарядов. В реакционном центре (так называемой фотосистеме - II) происходит разделение зарядов: молекула хлорофилла испускает электрон (отрицательно заряженную частицу), на месте электрона остается положительно заряженная дырка. Таким образом, энергия солнечного света применяется для разграничения положительных и отрицательных зарядов.

Расщепление воды. На третьем этапе собирается множество положительных зарядов, которые идут на расщепление молекул воды: получаются ионы водорода и кислород. Расщепление воды происходит в отдельном отсеке клетки, а не там, где проходит этап разделения зарядов; на достаточном удалении, чтобы предотвратить потерю заряда при поступлении нового фотона, но достаточно близко, чтобы положительный заряд эффективно накапливался и затем использовался для катализа.

Синтез топлива. Электроны, полученные при разделении зарядов, подхватываются цитохромом b6f и маленькими мобильными переносчиками и транспортируются в еще один белковый комплекс, фотосистему I. В фотосистему I поступает дополнительная энергия, которую также приносят солнечные фотоны, и с ними также идет химическая реакция, в результате которой получаются углеводороды.

Немного простой химии.

Расщепление воды на кислород и водород:

Образовавшиеся протоны идут на синтез углеводов.

Реакция фотосинтеза в общем виде

Итак, для организации и последующей оптимизации фотосинтеза нам нужно превратить двухступенчатую реакцию в одноступенчатую, а также избавиться от выращивания листьев.

История

Процесс искусственного фотосинтеза in vitro, без участия листьев, был впервые осуществлен в 1972 году в Токийском университете. Кеничи Хонда и его аспирант Акира Фудзисима сообщили о том, что смогли смоделировать фотосинтез, подавая свет на электрод из диоксида титана, погруженный в воду. Электроны под действием света покидали металл, оставляя на своем месте положительно заряженные дырки, куда затем захватывались электроны из окружающей воды. Хонда и Фудзисима продемонстрировали, что таким образом получение кислорода катализировалось на фотоаноде, а свободный водород скапливался на платиновом катоде. Так впервые удалось разложить воду на составляющие при помощи светочувствительного элемента.

В 1998 году Джон Тёрнер и Оскар Хаселев из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики из штата Колорадо разработали первый искусственный лист: интегрированное фотоэлектрическое устройство, позволяющее расщеплять воду, получая на вход в качестве энергии свет и ничего более. В результате КПД при производстве водорода достиг целых 12,4%, но материалы для поддержки реакции оказались очень дорогими: в состав устройства входил полупроводник на основе галлий-индиевого фосфида, а также платина в качестве катализатора.

Далее предпринимались усилия по удешевлению такого фотоэлектрического элемента, и в 2011 году группа Дэвида Носеры из Массачусетского технологического института представила беспроводное устройство для расщепления воды, в котором электроды изготавливались с применением сравнительно дешевых индия и олова, а вода была буферизована ионами кобальта.

Впрочем, неорганические фотосинтезирующие устройства вряд ли способны конкурировать с традиционными солнечными батареями в качестве источника энергии, а сами быстро выходят из строя по причине коррозии, связанной с резким увеличением уровня pH, возникающем при их работе. Неорганические фотосинтезирующие элементы в целом близки к пределу производительности. Устройство, разработанное в 2018 году специалистами из технического университета Ильменау и Калифорнийского технологического института, работает на основе диоксида титана. В нем предусмотрена дополнительная защита от коррозии, оно работает на протяжении 20 часов и достигает КПД 19%.

Вместо неорганических полупроводниковых сборок также пытаются синтезировать органические молекулы, для которых характерна высокая стабильность при нахождении в растворе. Кроме того, конфигурацию органической молекулы удобно целенаправленно корректировать, чтобы она улавливала свет как можно лучше. Но чисто органические молекулы такого рода плохо переносят воздействие солнечного света и быстро распадаются под воздействием лучей. По-видимому, наиболее перспективный подход встраивать молекулу хлорофилла в неорганическую катализирующую оправку.

Рубиско или как ускорить фотосинтез

За катализ биохимических процессов в клетке отвечают разнообразные ферменты. Некоторые жизненно важные реакции без участия ферментов попросту не идут. Одним из древнейших, важнейших и при этом наиболее громоздких ферментов является рибулозобисфосфаткарбоксилаза, сокращенно рубиско.

Вот такая монструозная молекула направляет реакцию фотосинтеза делая это исправно, но очень медленно. Кстати, сам рубиско использует в качестве катализатора тот самый атом магния, что входит в состав молекулы хлорофилла, показанной выше. Каждая молекула рубиско успевает обработать 1-3 молекулы углекислого газа в секунду, что, конечно же, очень медленно. Более того, рубиско потребляет на собственную работу и часть кислорода, образующегося в результате фотосинтеза, что приводит к фотодыханию.

В целом рубиско пока почти не поддается генной инженерии. Дело в том, что хлоропласты когда-то сами были простейшими, а около 3,5 миллиардов лет назад были захвачены клетками цианобактерий, где превратились сначала в симбионтов, затем в паразитов, а еще позже в обычные органеллы. Но у хлоропластов есть остаток собственного генома, и работа рубиско кодируется как генами растения, так и генами хлоропластов. Растения повышают эффективность фотосинтеза, попросту до отказа набивая свои хлоропласты рубиско. Только в прошлом году китайским ученым удалось навязать растениям более эффективный подход. В одноклеточную водоросль хлореллу внедрили специальный полимер, который активизирует в хлоропластах захват фотонов. Когда рубиско получает больше фотонов, как эффективность, так и скорость его работы улучшается примерно в полтора раза, но и это весьма скромный успех. Вполне возможно, что эти опыты попросту предвосхищают биологическую эволюцию: есть данные, что из-за повышения содержания CO₂ в атмосфере фотосинтез у растений начинает идти быстрее.

На этой иллюстрации, взятой с сайта Naked Science, показано, как с повышением температуры меняется темп фиксации углерода (слева) и выделения углекислого газа (справа).

Очевидный недостаток фотосинтеза заключается в том, что хлоропласты извлекают энергию лишь из сравнительно узкой (зеленой) части спектра.

Упоминавшийся выше диоксид титана также поглощает фотоны именно в зеленой части спектра. Но фотосинтезирующие свойства фотоэлектрического элемента можно улучшить, задействовав в нем другие материалы, в частности, кремний, улавливающий свет в области спектра примерно до 1100 нм. Для максимально полного использования спектра ведутся эксперименты по включению в фотоэлектрические элементы других металлосодержащих соединений: оксида цинка ZnO, оксида железа Fe₂O₃, висмут-ванадиевого соединения с кислородом BiVO₄, нитрида тантала Ta₃N₅ и некоторых других.

Фотосинтез и солнечная энергетика

Из вышеизложенного напрашиваются следующие выводы. В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Масштабное производство ячеек для искусственного фотосинтеза, которые могли бы послужить конкурентоспособным источником возобновляемой энергии в лучшем случае дело будущего. Но искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода, и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США. Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который, в свою очередь, является экологически чистым топливом.

Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы. Наконец, подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

Заключение

Изложенные возможности являются во многом гипотетическими, но вполне реализуемыми, так как основаны на модели, отточенной в зеленых растениях более чем за миллиард лет. Мне они представляются значительно более интересными, чем луддистские по сути и практически невыполнимые призывы снизить количество парниковых выбросов, отказаться от авиаперелетов или застроить прибрежные области ветрофермами. Избыток углекислого газа должен превратиться из проблемы в ресурс, а переход на водородную энергетику стать максимально безболезненным. Возможно, ключ ко всем этим решениям в освоении и доработке искусственного фотосинтеза.

Пришло время сказать правду, зачем я начал писать на Хабр. Хотя я занимаюсь mHealh, digital health и прототипированием софта всего 9 лет официально, цифровизация алгоритмов науки и информатизация практики меня интересуют более 20 лет. Недавно мои коллеги (или соавторы), которым я помогал в работе последние 4 года, в том числе и как сисадмин, попросили меня найти им программистов для улучшения evolutionary prototyping и допиливания мобильных приложений. На Хабре таких статей десятки вроде. Если вы считаете, что рыночно стоит доделать нижеперечисленные прототипы, то пишите, я им передам контакты и прибыль пополам (примерно) с ними. Сразу скажу, мне ничего от этого финансово не перепадёт, будет только удовлетворение, что две стороны нашли друг друга, как происходит в журнале Врач и ИТ, например))

Номер один. Персональная программа здорового образа жизни Баланс

Обеспечивает индивидуальный подбор натурального и лечебного питания - фактических рационов с одновременным набором физической активности и других способов воздействия на поведенческие и иные факторы, относящиеся к персональной профилактике и коррекции образа жизни. Программа предназначена для медицинских работников и специалистов, изучающих комплексные технологии нормализации веса россиян и разработку рекомендаций по улучшению структуры питания, используя концепцию и масштабируемые методические материалы школ здоровья для людей с избыточным весом.

2. Дифференциальная диагностика, терапия и профилактика головной боли

Основана на модифицированном авторами опроснике дифференциальной диагностики головных болей и рекомендациях, составленных согласно литературным обзорам опубликованных и использующихся в настоящее время методов здравоохранения. Данная программа для ЭВМ предназначена для скрининговой диагностики степени выраженности головной боли у пациентов и пользователей интернета для дальнейшей комплексной терапии, реабилитации и профилактики. Позволяет индивидуально подобрать методики, максимально подходящее для данных симптомов. Может применяться как специалистами - врачами-неврологами с целью диагностики и подбора способов для специальных лечебных или профилактических мероприятий, так и пациентами.

3. Программа для прогноза и профилактики метеоклиматической дизадаптации у людей при краткосрочных путешествиях

Позволяет заблаговременно выявить характер раздражающего действия погоды на отдыхающих через анализ метеоданных в населённом пункте домашнего региона за 10 дней до поездки и за 10 дней в городе во время планируемого отдыха. На основании автоматического расчёта суммарного индекса раздражающего действия погоды программа отображает дни максимального действия погоды, выявляет ведущие метеофакторы. Программа с учетом выявленных жалоб, коэффициентов изменчивости погоды программа даёт рекомендации по локализации рефлексотерапии и количеству процедур. Программа предназначена для широкого круга пользователей, выявляет группу риска, которой следует изменить период поездки или спланировать в определённые дни досуг в закрытых помещениях, либо провести соответствующее количество процедур рефлексотерапии для эффективной коррекции метеоклиматической дизадаптации.

4. Балльная система оценки степени ограничений в социально значимых категориях жизнедеятельности

Позволяет объективизировать оценку степени ограничений в социально значимых категориях жизнедеятельности путем тестирования через балльную систему определения нарушений критериев, характеризующих жизнедеятельность человека. С помощью данной программы можно проводить медико-социальную экспертизу с целью определения инвалидности, а также использовать её для составления программы реабилитации и абилитации и оценке эффективности выполнения при наблюдении в динамике, определить направления процесса и эффективность. Программу можно использовать в цифровизации школы для выявления ограничений жизнедеятельности дошкольников при поступлении их в первый класс или причин возможной неуспеваемости детей более старшего возраста. Программа предназначена для врачей реабилитологов, специалистов медико-социальной экспертизы, студентов, аспирантов и практиков профильных специальностей.

5. Программа адаптированного подбора персонифицированной тактики лечения язвенных гастродуоденальных кровотечений

Подбирает алгоритм хирургического лечения пациентам с язвенными гастродуоденальными кровотечениями (ЯГДК), согласно последним национальным клиническим рекомендациям Российского общества хирургов и международным руководствам. Программа позволяет персонифицировано определять и проводить следующую тактику: ведение больных на догоспитальном этапе, оценку необходимости зондирования желудка, диагностическую и лечебную эндоскопию, ведение больных с массивной кровопотерей, медикаментозный гемостаз, прогнозирование рецидива ЯГДК, ведение больных при рецидиве кровотечения, ведение пациентов с кровотечениями, ассоциированными с приёмом нестероидных противовоспалительных препаратов. Программное обеспечение предназначено для работников здравоохранения профильных специальностей, ординаторов и студентов медицинских ВУЗов.

6. Мобильное приложение Лечение заболеваний желудка и двенадцатиперстной кишки

Предназначена для пациентов, имеющих хроническую патологию желудочно-кишечного тракта, в частности желудка и двенадцатиперстной кишки. Компьютерная программа позволяет индивидуально подобрать методы диагностики, лечения (хирургического и консервативного), реабилитации и профилактики данных гастроэнтерологических заболеваний каждому пользователю. Опросник в составе мобильного приложения помогает раннему, на амбулаторном этапе выявлению пациентов, имеющим симптомы болезней органов пищеварения и ускоряет подбор алгоритмов комплексной терапии (особенно гастродуоденальных кровотечений). Программа повышает эффективность медицинской помощи, позволяет создавать, сохранять и наглядно отображать индивидуально подобранные варианты улучшения здоровья пользователей

7. Программа для применения аутоплазмы, обогащенной тромбоцитарными факторами роста, в лечении гастродуоденальных язв

Обучает методике эндоскопических подслизистых инъекций аутоплазмы, обогащенной тромбоцитарными факторами роста в комплексной терапии гастродуоденальных язв, осложненных кровотечением, учитывая различные факторы, влияющие на процесс эпителизации язв желудка и двенадцатиперстной кишки и на частоту рецидивов кровотечения. Программа даёт возможность подобрать и реализовать алгоритм хирургической помощи пациентам, начиная от методики забора крови пациента, приготовления и периульцерозного введения аутоплазмы, обогащенной тромбоцитарными факторами роста, которая позволяет ускорить лечение длительно незаживающих гастродуоденальных язв у коморбидных пациентов и служит эффективным методом профилактики рецидивов кровотечения. Предназначена для работников здравоохранения профильных специальностей, ординаторов и студентов медицинских ВУЗов.

8. Программа для выполнения авторской методики внутрисуставных инъекций

Позволяет индивидуально подобрать метод и технику авторского выполнения оптимальной локальной инъекционной терапии отдельных суставов (коленного, плечевого, тазобедренного, голеностопного, локтевого и т.д.) при заболеваниях опорно-двигательной, нервной и других систем организма. Программа подбирает пациенту такие особенности внутрисуставных инъекций, как, например: требуемые лекарственные препараты (в т.ч. аутоплазму), показания и противопоказания, точки введения, количество инъекций, профилактику возможных побочных действий, ускоряя дифференцировку существующих современных алгоритмов комплексного персонифицированного лечения с позиций национальных клинических рекомендаций для различных нозологий. Программа повышает эффективность медицинской помощи россиянам и предназначена для работников здравоохранения профильных специальностей.

9. САНАТА - метод аудиовизуальной психокоррекции

Разработана на основе алгоритмизированного руководства для специалистов (психологов, психиатров, психотерапевтов) САНАТА - метод неосознаваемой аудиовизуальной психокоррекции, отражающего описание метода, описание психотерапевтических механизмов, инструкцию с подробным алгоритмом проведения сеансов и описанием вариантов последовательностей этапов психокоррекции, с применением различных комбинаций из 4-х программ, используемых в методе и направленных на реализацию процедуры неосознаваемой аудиовизуальной психокоррекции. Данное программное обеспечение предназначено для оптимизации проведения процедуры аудиовизуальной психокоррекции. В программе представлены рекомендации для специалистов (психологов, психиатров, психотерапевтов) по использованию семантического аппарата и построению психотерапевтических суггестивных формул при проведении психотерапевтических сеансов, а также алгоритмы и варианты проведения самих процедур неосознаваемой аудиовизуальной психокоррекции.

10. Программа реализации алгоритма проведения процедуры неосознаваемой аудиальной психокоррекции

Разработана на основе модифицированного теста Алгоритм проведения процедуры неосознаваемой аудиальной психокоррекции, отражающего последовательность действий и манипуляций, направленных на реализацию процедуры неосознаваемой аудиальной психокоррекции. Программа включает уровни, этапы и входящие в них манипуляции. Программа предназначена для оптимизации процедуры неосознаваемой аудиальной психокоррекции. В программе представлены алгоритмы диагностики психического статуса, алгоритмы семантического анализа, построения семантических формул и создания аудиальной психокоррекционой программы, а также алгоритм проведения собственно процедуры неосознаваемой аудиальной психокоррекции.

11. Шкала оценки уровня ригидности

Предназначена для скрининговой диагностики степени ригидности как отдельной черты личности у пользователей персональных компьютеров и интернета с медицинскими и психологическими проблемами. Позволяет обнаружить начальные признаки ригидности с 12 лет. Она представляет собой модифицированный вопросник, ответы на который выбирает сам диагностируемый. Может применяться для выявления ригидности для проведения последующих психотерапевтических мероприятий.

12. Тест оценки уровня агрессивности

Основана на адаптированном авторами опроснике для оценки уровня агрессии Басса-Дарки с последующей дополнительной самодиагностикой и рекомендациями по терапии. Предназначена для скрининговой диагностики уровня агрессивности у пользователей персональных компьютеров и пользователей интернета с медицинскими и психологическими проблемами. Позволяет обнаружить начальные признаки агрессии с 12 лет. Может применяться для выявления депрессивных и стрессогенных нарушений разной степени тяжести и для выработки дальнейших лечебных и профилактических мероприятий.

13. Тест оценки тревожности

Основана на адаптированной авторами шкале Спилбергера с последующей дополнительной самодиагностикой и рекомендациями по терапии. Предназначена для скрининговой диагностики уровня тревожности у пользователей интернета с медицинскими и психологическими проблемами. Позволяет обнаружить начальные признаки тревожности с 12 лет. Может применяться для выявления тревожных расстройств разной степени тяжести и для выработки дальнейших лечебных и профилактических мероприятий.

14. Индивидуальный подбор растений для экологического и медицинского фитодизайна

Предназначена для подбора живых оздоровительных растений для выращивания в помещениях или в открытом грунте. Программа выбирает индивидуально подходящий набор растений по критериям: цель фитодизайна; экология конкретного места; терапевтические свойства живых растений (фитонцидность, ионизация и т.п.) и т.д. В данной программе представлены инновационные алгоритмы дифференцированного подбора растений, предназначенные для развития науки и практики растениеводства, фитотерапии, дизайна и профилактической медицины.

15. Дифференцированный подбор рецепта медицинского и экологического фитодизайна

Программа предназначена для скрининговой диагностики уровня иммунной реактивности пациентов и пользователей интернета с целью дальнейшей аэрофитотерапии и/или улучшения экологического состояния воздуха в помещениях или открытых пространств. Программа основана на модифицированном авторами опроснике уровня инфекционной заболеваемости и иммунитета населения с дальнейшим подбором комнатных и садовых растений, обладающих бактерицидными свойствами для применения в медицинском и экологическом фитодизайне. Позволяет индивидуально подобрать растения, максимально подходящие для коррекции определенных симптомов и синдромов. Может применяться также специалистами - врачами-фитотерапевтами или фитодизайнерами с целью подбора живых растений для специальных лечебных или профилактических мероприятий.

16. Учебное пособие для врачей Основы фитотерапии

Разработана авторами для системы высшего профессионального образования. В основу положена адаптированная авторами типовая программа по фитотерапии. Электронное учебное пособие включает в себя общие сведения по основам фитотерапии и фармакогнозии, клинические аспекты фитотерапии при различных заболеваниях, контрольно-измерительные материалы в виде тест-контроля для определения уровня подготовки специалистов, степени усвоения материала, иллюстрации лекарственных растений. Программа предназначена для повышения квалификации врачей лечебных специальностей, педиатров, стоматологов, врачей восстановительной медицины, реабилитологов. Программа может служить составной частью электронных учебно-методических комплексов, созданных для дистанционного обучения, что позволит слушателям курсов - пользователям интернета эффективно получать новые и оптимально совершенствовать ранее полученные компетенции в области фитотерапии.

17. Программа оптимизации и прогресса технологий инновационной продуктивности физических и юридических лиц

Предназначена для развития прикладной науки, изобретательства и патентного дела в России и мире. Программа подбирает индивидуально подходящие для физического и юридического лица различные инновации: готовые патенты или программы для ЭВМ для продажи; патентный поиск для создания новых патентов; научные публикации; подбирает новую формулу и описание патента или программы для ЭВМ; формат обучения созданию инновационной интеллектуальной собственности. С помощью кроссплатформенного онлайн-конструктора интерактивного выбора техник обучения, стимуляции, создания, регистрации и продаж патентов и программ возможно повышение знаний и навыков изобретательства и программирования методами психологии и ТРИЗ, с 16 лет и коммерческое внедрение российских научных разработок в биологии, медицине, образовании, информационных технологиях и т.п.

18. SmartMedFitoLabs BioSoftPatent

Помогает проводить онлайн- и офлайн-подбор новых технологий развития изобретательства, инновационной инфраструктуры, бизнес-акселераторов и технопарков в сфере медицины, биологии, экологии, агрономии, ландшафтной архитектуры и фитодизайна. В программе содержится методика проектирования и функционирования устройств, оранжерей, экодомов для конструирования комплекса, состоящего из восьми разных модулей, в основе которых - производственная и обучающая биологическим и медицинским инновационным патентуемым способам круглогодичная IoT-теплица из различных материалов, от минимальных до промышленных масштабов, с прилегающим Аптекарским smart-садом, создающими и продающими с позиций прототипирования, цифровизации науки, медицинского и экологического фитодизайна прорывные технологии, интеллектуальную собственность и высокорентабельную продукцию, для граждан России и других стран.

19. Feedback: diagnosis, rating, correction

Программа на базе ПрЭВМ 2017614931 помогает проводить через смартфон или планшет верифицированное (с видеофиксацией) голосование для подсчёта более объективного рейтинга и оценки специальных параметров наружной, печатной, телевизионной, радио-, интернет-рекламы, а также самих товаров и услуг для персонализации target group, lifetime value и покупок клиентов в кратко- и долгосрочном плане. Программа на 50 основных уровнях использует улучшенные (как ноухау) методы медицинской, социальной и медиапсихологии, психиатрии, психодиагностики, client-centered, cognitive therapy, аутотренинга, психогигиены, санологии, экологии человека, ТРИЗ, omni-channel brand health, customer experience marketing, cross-device service blueprint, brand lift, Яндекс.Взгляда, programmatic backstage adverts, addressable, connected и advanced television для индивидуализации продукции под боли и цели покупателей.

20. Подбор методов медицинской реабилитации психосоматических расстройств при постковидном синдроме

Данная программа является дополнением к программам для ЭВМ 2017614931 и 2019618242 и 2021612109, помогая, на основе актуальных научных и патентных открытых международных англоязычных источников информации проводить онлайн и офлайн персонифицированный подбор методов медицинской реабилитации психосоматических расстройств (депрессивных, тревожных, соматоформных) при постковидном синдроме (Post-COVID-19 syndrome, по МКБ-10 - U09.9), в частности: физиотерапии, психотерапии, лечебной физкультуры, Fitwel-техник, бальнеотерапии, курортологии, диетотерапии, фитотерапии, витаминотерапии, рефлексотерапии, медицинского фитодизайна, телемедицины, цифровых медицинских технологий, аппаратов и устройств для этого. Программа позволяет пациентам и специалистам в сфере здравоохранения подбирать подходящие под индивидуальные симптомы методики реабилитации.

21. Сервис Iotmedecohome для создания и оптимизации оздоровительных, зелёных и умных (IoT) загородных объектов недвижимости и экодевелопмента

Программа для ЭВМ является синергией развития авторских ПрЭВМ 2017614931 и 2019618242 на основе современных научных, патентных и практических открытых источников информации, помогая проводить онлайн и офлайн подбор, с учётом индивидуальных приоритетов, для улучшения подсчёта финансовых, временных затрат, эффективности: места проживания, типа дома, земельного участка, умных устройств, вида ипотеки, созаемщиков, субсидий, вакансий, оздоровительных устройств, экологических устройств, специальных растений, соседей, коливинга, риэлтора, архитектора, фитодизайнера, преподавателя, психолога, врача, тренера, массажиста, парикмахера, строителя, слесаря и т.п. Программа позволяет пользователям проектировать, покупать, строить и настраивать жилые модули семи размеров для медицинских, экологических и других целей в сфере Life Science.

Вот это первая треть программ, которым попросили найти программистов коллеги и соавторы, остальные потом как-нибудь обнародую. Через примерно недельку.

Кстати, началось моё увлечение созданием ИТ-продуктов и кодингом в 2001-м году, когда я сам, вот этими самыми кривыми ручонками, скачал программу Adobe PageMaker, скомпилировал, сверстал, поправил в тексте ссылки на интернет, распечатал свою первую книгу (я не пиарюсь, честно, она давно везде есть и не приносит прибыли абсолютно, как и всё остальное, что публикую здесь) и потом её размножил, разброшировал и стал раздавать коллегам и пациентам для пропаганды святого оздоровления и всемогущего саморазвития. Потом я стал потихоньку делать всякие простые приложения, экзешники и сайты на JavaScript, а затем учить разработке софта студентов медицинских и психологических специальностей.

Ну а сейчас мы стартап Fitwel-технопарк #ВОИР, который подали в акселератор ВШЭ, МТС и 3 другие места для инвестиций и ТП). Это как бы минитехнопарк, экоковоркинг, мобильное приложение и онлайн-сервис для создания и техноброкерства программ, зарегистрированных патентов членов ВОИР и затем готовых продуктов в сфере Fitwel, в том числе новых IoT-устройств для здоровья, также и против COVID-19. Используются там три специализированные методики и программы для ЭВМ и Big Data с техниками ТРИЗ для обучения студентов, аспирантов, научных и педагогических сотрудников основам изобретательства, регистрации интеллектуальной собственности, а также их дальнейшей коммерциализации. Всё это только в сферах экологии, медицины, биологии, психологии, фитодизайна и т.п.

Но эта информация просто для сведения, как принято рассказывать о своей текущей работе на Хабре, а вообще таки мне с вашей помощью нужно (очень-очень) познакомить коллег (есть весьма симпатичные) из биомедиков и всяких гуманитариев, имеющих проекты по разработке ПО (где иногда и я участвую, грешен, штож) с хорошими программистами просто, во имя цифровизации и информатизации всего сущего чисто только.

Вы узнаете:

• зачем вообще нам это понадобилось

• можно ли работать с отечественными производителями без страха и упрека

• почему не стоит экономить на деталях для изделий (спойлер: если у вас железные нервы, то можно)

• как не скатиться в отчаянье, а научиться управлять рисками.

Разработчик это звучит гордо

Как думают многие: придумываешь идею, разрабатываешь продукт, зарабатываешь миллионы. Как на самом деле: чтобы собрать робота, нужно думать как человек. Мыслить как человек с хорошо отлаженными процессами в голове, осознающий риски, считающий время, деньги и нервы как свои, так и команды, ну и конечно, заказчика.

Для чего нужен гистологический процессор

В доковидные времена, а именно в начале 2018-го, наша команда запустила инжиниринговый стартап Nextelligence и стартовала в проекте по созданию вакуумного процессора для гистологических лабораторий.

Если коротко, то это прибор, в который помещают специальные перфорированные пластиковые кассеты с материалами человеческого происхождения (живого или уже не очень), чтобы впоследствии морфолог (гистолог/патологоанатом) мог посмотреть под микроскопом микропрепарат и сделать гистологическое заключение.

Первый и самый затратный по времени из 5 этапов гистологической пробоподготовки осуществить замещение присутствующей в материале воды на парафиновую смесь. Процесс замещения воды парафином называется гистологической проводкой или просто проводкой. Этот процесс и нужно было автоматизировать, то есть создать прибор, который в автоматическом режиме последовательно заливает исследуемый материал разными реагентами. При этом важно было свести риск утраты исследуемого материала к минимуму по статистике в лабораториях теряется практически каждая пятая проба.

Проработка концепта

Концепт прибора казался весьма простым, типа реагент насос ткань, пока дело не дошло до проектирования системы распределения реагентов внутри прибора. Дело в том, что помимо своей агрессивности (например, ксилол запросто растворяет или необратимо портит большинство известных пластиков и эластомеров) реактивы имеют свойство образовывать солевые отложения, преципитаты, на внутренних частях прибора, что, в свою очередь, быстро выводит его из строя.

Естественно, заказчик хотел сделать изделие надёжным, так что мы сразу отмели вариант использования острова с соленоидными клапанами, выполняющего роль распределителя реактивов, просвет которых быстро забивается. Использование шаровых клапанов было также нежелательно из-за их громоздкости и неповоротливости, поэтому было решено пойти по своему особому пути и спроектировать компактный многопозиционный ротационный клапан.

Примерно концепт ротационного клапана можно описать следующим образом: в центре клапана лежат 2 специальных диска, один из которых, стационарный, имеет отверстия по периметру и в центре (рис. 1), а второй, ротационный канавку от центра к краю (рис. 2).

Сложности, отчаянье и надежда из Дюссельдорфа

При проработке концепта мы рассматривали несколько вариантов материала для этих дисков. Самые простые в исполнении, пластик и металл, имели свои недостатки. Пластик, даже фторопласт, царапался при попадании между дисками кристаллов соли из забуференного формалина и со временем сборка теряла герметичность. Металл имел ту же проблему, что и пластик, а также значительнее последнего расширялся при прогреве, да еще 2 прецизионно отполированных металлических диска, прижимаемых друг к другу пружиной, быстро прикипали друг к другу, даже при наличии между ними смазки.

Когда руки уже почти опустились, а проблема начала казаться нерешаемой, мне довелось съездить на выставку Medica/Compamed в Дюссельдорфе и подсмотреть у одного всемирно известного производителя инженерных решений для медицины и промышленности идею керамического ротационного клапана. К сожалению, у самого производителя не было в ассортименте таких клапанов с нужными нам характеристиками, поэтому от идеи разработать свой клапан я не отказался.

Горе-керамисты, убитое время и почти хэппи энд

На удивление легко оказалось найти в России производителя технической керамики, который взялся изготовить диски клапана по нашему заданию из оксида алюминия (искусственный корунд) методом шликерного литья. На выходе должно было получиться изделие твердостью 9 из 10 возможных по шкале Мооса, что значительно тверже практически любого солевого кристалла, имеющее низкий коэффициент температурного расширения, высокую химическую стойкость и минимальный риск прикипания двух компонентов друг к другу.

Заявленная стоимость и сроки производства необходимых нам изделий внушали осторожный оптимизм. Опыт взаимодействия с российскими производителями призывал не радоваться раньше времени и не зря.

Спустя заявленные в договоре на изготовление 3 месяца, началась борьба бобра с ослом. Производитель начал кормить нас завтраками, ссылаться на форс-мажоры, запой главного технолога, поломку фрезы для выточки пресс-формы и т.д. В таком режиме мы прожили еще около месяца и, наконец, мне на почту пришло долгожданное письмо: Изделия готовы, можете забирать. Моя радость была яркой, но длилась лишь до тех пор, пока транспортная компания не привезла мне груз. Диски оказались круглыми с выдержанными внешними размерами, но на этом их достоинства заканчивались. Практически все обнизки под посадку О-колец были в разной степени кривыми, в некоторых расхождение с чертежом было далеко за гранью приличия, про выдерживание допусков речи не шло вообще. Создалось впечатление, что на предоставленные нами чертежи подрядчик смотрел только в начале работы, да и то, издалека.

После недолгого, но очень содержательного диалога с керамистами они удалились читать чертежи и переделывать. Еще на месяц

Не вдаваясь в подробности, надо признать, что второй подход к снаряду нашему подрядчику удался гораздо лучше. За некоторым исключением изделия стали больше походить на то, что мы задумывали. Наступила долгожданная пора утомительных испытаний.

Заключительный этап челленджа испытания

Мы собрали стенд с этим клапаном, разлили по ведрам химию, подключили нагревательные элементы и чиллер для аквариумов с креветками (!), чтобы более-менее воссоздать условия, при которых клапану пришлось бы трудиться в реальности и настроились на месяцы бесперебойной работы стенда, но Думаю, вы уже догадались, что оптимизм был недолгим.

Беда пришла откуда не ждали. В изобилии доступные на российском рынке О-кольца из NBR и FKM/FPM/Viton, уплотняющие стационарный диск ротационного клапана, приказали долго жить. Первые после недели работы, вторые после трёх. Оказалось, что ксилол, перепады температур и механическая нагрузка делают даже из хваленого Viton труху за каких-то несколько недель.

Выход нашли достаточно быстро. Оказалось, что во всем цивилизованном мире уже давно для таких сложных задач используют уплотнительные кольца из перфторкаучука (другие названия FFKM, Kalrez), которые незначительно дороже упомянутых выше, но отменно работают в самых жестких условиях как-раз то, что нам нужно.

Оставлю для хоррор-публицистики проблемы с китайскими мотор-редукторами и уральскими патронными ТЭНами, которые у нас всплыли по дороге. Скажу лишь, что работая над данным проектом пообещал сам себе более не экономить на критически важных компонентах даже, если очень хочется.

Резюме

В качестве резюме этой хардкор-разработки выделяю несколько тезисов-рекомендаций:

1. Не экономьте на компонентах. Чем в более сложных условиях должно работать ваше изделие, тем меньше должно быть ваше желание порезать косты. Дёшево = плохо, чудес не бывает.

2. Работать с отечественными производителями сложно, но можно. Надо только придирчиво подходить к выбору подрядчика и стараться контролировать его на разных стадиях выполнения вашего заказа, а также заставлять почаще читать ваши чертежи.

3. Если вы решились на п. 2, пропишите в контракте побольше штрафов, так у подрядчика будет больше стимулов сдать вам то, что вы хотите когда вы хотите.

4. В общем, управляйте рисками. ISO 14971 вам в помощь.