Биология наука 21 века: Биология-наука 21го века — 25-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых с Международным участием «Биология

Press-room — IBCh RAS

• science news A Uniquely Stable Trimeric Model of SARS-CoV-2 Spike Transmembrane Domain
  August 31

  Tools created at the Laboratory of Biomolecular Modelling IBCh RAS have been brought together into a computational framework to build a model of SARS-CoV-2 spike transmembrane domain (TMD).

• science news Impact of Exogenous Application of Potato Virus Y-Specific dsRNA on RNA Interference, Pattern-Triggered Immunity and Poly(ADP-ribose) Metabolism in Potato Plants
  August 15

  Methods for inhibition of viral infection induced by spraying plants with preparations of specific double-stranded RNAs (dsRNAs) are currently being actively developed. Researchers from the Laboratory of functional genomics and plant proteomics, the Laboratory of Molecular Diagnostics and the Laboratory of Molecular Bases of Plant Stress Resistance of the Institute of Bioorganic Chemistry RAS studied the contribution of potato plant treatment with dsRNA against potato virus Y (dsRNA-PVY) to two dsRNA-induced plant defense mechanisms: specific RNA interference (RNAi) and non-specific pattern-triggered immunity (PTI).

• science news SOX9 Protein in Pancreatic Cancer Regulates Multiple Cellular Networks in a Cell-Specific Manner
  August 12

  Pancreatic ductal adenocarcinoma is one of the most lethal cancers worldwide. Sex-determining region Y-box protein 9 (SOX9) is upregulated in the majority of pancreatic ductal adenocarcinoma cases. It is hypothesized that the increased expression of pancreatic developmental factor SOX9 is necessary for the formation and maintenance of tumor phenotypes in pancreatic cancer cells.

• science news Therapeutic efficacy of antibody-drug conjugates targeting GD2-positive tumors
  July 19

  Both ganglioside GD2-specific immunotherapy and antibody-drug conjugates (ADCs), as a class of targeted drugs, have demonstrated clinical success as solid tumor therapies in recent years, yet practically no research has been carried out on ADCs directed to ganglioside GD2. In a new study, scientists from the Department of immunology at IBCh RAS in collaboration with colleagues from other Russian institutes for the first time show that clinically relevant anti-GD2 antibody-drug conjugates manifest potent and highly selective cytotoxicity in a wide panel of cell lines with varying GD2 expression and strongly inhibit tumor growth in mouse models of GD2-positive solid cancer.

• science news Synthesis of New 5ʹ-Norcarbocyclic Aza/Deaza Purine Fleximers — Noncompetitive Inhibitors of E.coli Purine Nucleoside Phosphorylase
  July 11

  Scientists from the Laboratory of biosynthesis of physiologically active compounds and Laboratory of biopharmaceutical technologies (IBCH RAS) and Engelhardt Institute of Molecular Biology of the Russian Academy of Sciences synthesized a new series of flexible 5′-norcarbocyclic aza/deaza-purine nucleoside analogs and evaluated as potential inhibitors of E. coli purine nucleoside phosphorylase.

• science news Positively charged black hole quencher (BHQ) derivatives as external SERS active responsive elements of biosensors
  July 8

  Scientists from the Group of molecular tools for living system studies (IBCh RAS), Department of chemistry of Natural Compounds (Faculty of Chemistry, MSU) and Osipyan Institute of Solid State Physics, together with the Laboratory of Molecular Design and Synthesis (IBCh RAS), have developed external SERS-active responsive elements based on positively charged black hole quencher (BHQ) derivatives.

• science news Lignans as Pharmacological Agents in Disorders Related to Oxidative Stress and Inflammation: Chemical Synthesis Approaches and Biological Activities
  July 5

  Plant lignans are active components of many herbs, which makes them the research objects for therapeutic agents development for practical use. They provide diverse naturally-occurring pharmacophores, which allows them to interact with various enzymes, receptors, ion channels and signaling molecules.

• science news Streptocinnamides A and B, Depsipeptides from Streptomyces sp. KMM 9044
  July 1

  A new structural group of antibiotics produced by a new strain Streptomyces sp. KMM 9044 was discovered as a result of teamwork of scientists from the Institute of Bioorganic Chemistry (IBCh RAS) and the Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry (TIBOCh RAS).

• science news Capsule-Targeting Depolymerases Derived from Acinetobacter baumannii Prophage Regions
  June 16

  A team of scientists from the Laboratory of molecular bioengineering IBCh RAS together with the colleagues from other Russian Institutes bioinformatically predicted and recombinantly produced several different depolymerases encoded in the prophage regions of Acinetobacter baumannii genomes. For two depolymerases, the specificity to capsular polysaccharides (CPSs) of A. baumannii belonging to K1 and K92 capsular types (K types) was determined. These enzymes can be considered as suitable candidates for the development of new antibacterials against corresponding A. baumannii K types. 

• science news Evolution of Phage Tail Sheath Protein
  June 16

  A team of scientists from the Laboratory of molecular bioengineering IBCh RAS analysed 112 contractile phage tail sheath proteins (TShP) representing different groups of bacteriophages and archaeal viruses with myoviral morphology have been modelled with the novel machine learning software, AlphaFold 2. The common core domain of all studied sheath proteins, including viral and T6SS proteins, comprised both N-terminal and C-terminal parts, whereas the other parts consisted of one or several moderately conserved domains, presumably added during phage evolution.

• science news «Molecular Brain» seminar, Epilepsy and channelopathies: from molecular mechanisms to the clinic and back
  September 22 (This event is over)

  The seminar will take place on September 22 at 16:00 in the Minor hall.
  
  Three presentations will focus on the current understanding of epilepsy and channelopathies and will consider various aspects: molecular and physiological mechanisms, as well as approaches to therapy. Everyone is cordially invited!

• science news Seminar “Molecular brain”: Allan Kalueff
  May 12 (This event is over)Комментарии: 1

  Seminar “Molecular brain” resumes its work after the long delay caused by pandemic of new coronavirus infection. However, all the people who are liking to listen lectures on-line, can participate via zoom-translation (link). The seminar will be held on the 12th of May at 3 pm in the Small lecture hall (3rd floor, BON, IBCh). Everyone is welcome!

• science news Gene therapy 2.0: AAV beyond monogenic gene correction
  February 4–5 (This event is over)

  Founding and managing partner of 4BIO Capital — Dmitry Kuzmin — will make a presentation in conference room 04 Februry 2022 at 15:00

• science news Lipids 2021 Conference
  October 11–13, 2021 (This event is over)

  Lipids 2021 Conference, October 11-13, 2021, IBCH RAS, Moscow

• science news «Molecular Brain» seminar dedicated to Eugene Grishin’s 75th anniversary
  April 27, 2021 (This event is over)

  The open seminar of the Department of Molecular Neurobiology will take place on April 27 at 11:00 in the Great Assembly Hall. The program includes presentations by colleagues, students, friends and associates of Eugene Grishin. We cordially invite everyone interested in modern work in the field of toxins, ion channels and neurobiology! Live broadcast in Zoom.

• conferences International School «Molecular mechanisms of neurodegenerative diseases»
  November 26, 2020 (This event is over)

  Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) invites you to take part in the International school for young scientists «Molecular mechanisms of neurodegenerative diseases», which will be held on November 26, 2020 online.

• science news Lecture by Director-General of the ICGEB Lawrence Banks «Human Papillomaviruses: From Infectious Entry to Malignancy»
  January 27, 2020 (This event is over)

  ICGEB Director-General Group Leader Lawrence Banks will deliver a lecture entitled «Human Papillomaviruses: From Infectious Entry to Malignancy». 
  
  Date and time: Mon 27 January 2020 14:00. Location: Small conference hall at 3rd floor BON IBCh.

• science news LIGHTS ON: Molecular Imaging of disease dynamics in vivo
  September 27 — October 11, 2019 (This event is over)

  Abhijit De PhD
  
  Scientific Officer ‘F’ and Principal Investigator
  
  Head, Molecular Functional Imaging Lab
  
  Advanced Centre of Training Research and Education in Cancer, Tata Memorial Centre, Kharghar, Navi Mumbai, India.

• science news Seminar «Molecular Brain»: Anton Maximov
  October 8, 2019 (This event is over)

  The seminar will be held on the 8th of October at 3 pm in the Small lecture hall (3rd floor, BON, IBCh). Everyone is welcome!

• conferences II Joint Life Sciences Forum: VI Russian Congress on Biochemistry and IX Russian Symposium «Proteins and Peptides»
  October 1–6, 2019 (This event is over)

  Dear Colleagues! We are pleasure to invite you to participate the VI Russian Congress on Biochemistry, which will be held in Sochi, Russia (Dagomys Hotel) on October 1-6, 2019.

Подведены итоги 21-ой Международной школы-конференции «Биология — наука XXI века»

Оргкомитет 21-ой Международной Школы-конференции «Биология — наука XXI века» подвел итоги и объявил победителей в десяти научных секциях.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Открыть в полном размере

‹

›

Победителями стали молодые ученые, студенты, магистранты Государственных университетов и НИИ из; Белгорода, Владивостока, Екатеринбурга, Казани, Минска, Москвы, Нижнего Новгорода, Новосибирска, Перми, Петрозаводска, Пущино, Санкт-Петербурга, Черноголовки. 

Всего в конференции приняли участие 500 молодых ученых из 50 научных центров России. Программный оргкомитет возглавил Мирошников Анатолий Иванович, академик РАН, председатель президиума ПНЦ РАН, декан биотехнологического факультета МГУ. Каждая секция оценивалась ведущими российскими учеными Пущинского Научного Центра.  

Комментарий Доцента МГУ, редактора портала антропогенез.ру Станислава Дробышевского;  – «Чтобы люди не были безграмотны и знали, как устроена реальность, надо рассказывать. Даже не про происхождение человека — важно, чтобы люди ориентировались на реальность, а не на вымысел».

Комментарий участника; — Антон Миндубаев, Казань — «Казань — город химиков, вот поэтому моя работа на стыке биологии и химии, связана с биологической деструкцией очень вредного вещества — белого фосфора. В школах-конференциях участвовать очень важно. Пытливый ум проникается любовью к науке. Собственно, в этом и заключается смысл таких мероприятий. Пущинская школа-конференция отличается «магией места», здесь осуществляются самые передовые исследования и собираются именитые ученые». 

Лучшими устными докладами в секциях признаны:

1. Секция «Физиология растений и фотобиология»:

— Екатерина Егорова, «Изучение иммунного ответа мха Physcomitrellapatens на поражение фитопатогенными бактериями».

— Ольга Кулаева, Кулаева, «Дифференциальная экспрессия генов гороха посевного при действии хлорида кадмия».

2. Секция «Биофизика и биоинформатика»:

— Владимир Иванов, «Образование долгоживущих активных форм белков при воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения».

— Мария Ладейнова, «Пероксид водорода как возможный индуктор вариабельного потенциала в проростках гороха».

— Эльмира Якупова, «Исследование динамики формирования амилоидных агрегатов гладкомышечного титина invitro».

— Дарья Черникова, «Влияние 3-гидроксикинуренина и синтетического антиоксиданта DTBA на процессы свободнорадикального окисления липидов».

3. Секция«Биотехнология и приборостроение»:

— Дарья Черникова, «Разработка сенсорной в клеточной линии с поверхностной экспрессией зародышевой формы ВИЧ-специфичного широко нейтрализующего антитела 10E8».

— Елена Пушкова, «Экспрессия и очистка рекомбинантного белка человека NY-ESO-1». 

— Надежда Степанова, «Получение микробных липидов с повышенным содержанием пальмитолеиновой кислоты».

— Игнат Минаев, «Архитектура телемедицинской системы мониторирования плода».

4. Секция «Экология»:

— Ольга Железнова, «Иммобилизационный потенциал биотического блока лесных экосистем центра восточно-европейской равнины в отношении цинка и кадмия».

— Роман Власенко, «Возраст и рост промыслового моллюска Mercenariastimpsoni (Bivalvia, Veneridae) в условиях открытого морского побережья приморского края (Японское море)».

— Валерия Адамова, «Анализ генетической структуры инвазивной популяции Harmozicaravergiensis (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) на территории города Белгород».

— Ирина Никонорова, «Сезонная динамика гельминтофауны обыкновенной бурозубки Sorexaraneus».

5. Секция «Почвоведение и агроэкология»:

— Андрей Бахарев, «Методы машинного обучения при цифровом картографировании структуры почвенного покрова».

6. Секция «Биомедицина и биофармацевтика»:

— Ольга Кутова, «Исследование эффективности противоопухолевого HER2-специфичного рекомбинантного иммунотоксина на основе дарпина и экзотоксина». 

— Лидия Колударова, «Подавление синтеза Hsp70 усиливает токсическое действие противоопухолевых препаратов». 

— Олеся Колоскова, «Дизайн липоплекса с миРНК против вируса гепатита С», (ФГБУ «ГНЦ Институт иммунологии».

— Кристина Китаева, «Исследование самоорганизации стромальных и опухолевых клеток при их совместном культивировании на трехмерном матриксе матригель».

7. Секция «Физиология животных и фундаментальная биомедицина»:

— Владимир Вигонт, «Патологические изменения депо-управляемого входа кальция в пациент-специфических нейронах человека, моделирующих болезнь Хантингтона».

— Марсель Халиуллин, «Влияние рекомбинантной плазмидной конструкции, кодирующей гены vegf-165 и bmp2, на остеогенез и ангиогенез invitro».

— Анна Горбачева, «Особенности ранозаживления у крыс со стрептозотоцин-индуцированным сахарным диабетом».

— Екатерина Лысикова, «Моделирование фронто-темпоральной дегенерации на линии мышей с экспрессией укороченной формы белка FUS человека».

8. Секция«Микробиология и вирусология»:

— Ирина Стародумова, «Филогеномный анализ актинобактерий рода Rathayibacter».

— Юлия Карташова, «Изучение некультивируемых бактерий глубинной породы мергеля».

— Валерия Романова, «Протеогеномное профилирование штамма углеводородокисляющей бактерии Tsukamurellatyrosinosolvens ps2».

— Анна Куфелкина, «Биологическая активность аммониевых солей функционально замещенных α-аминофосфонатов».

— Александр Коротаев, «Исследование симбиотических ассоциаций между парамециями и бактериями».

9. Секция «Молекулярная биология»:

— Ксения Дербикова, «Функциональная заменяемость третьего фактора инициации трансляции в дрожжевой митохондриальной и бактериальной системах».

— Анастасия Столяренко, «Подавление транспозонов в клетках зародышевой линии: взаимодействие piРНК-связывающего белка Piwi и белков гетерохроматина».

— Кристина Жур, «Анализ изменений экспрессии генов HIF1A, MTHFR и UCP2 у легкоатлетов в ответ на физическую нагрузку».

— Татьяна Бессонова, «Транскрипционный регулятор LgoR имеет два типа мишеней на хромосоме Escherichiacoli».

— Булат Фатхуллин, «Кристаллизация и определение структуры фактора запуска гибернации рибосомы Staphylococcusaureus».

10. Секция «Биохимия»:

— Ольга Кечко, «Наследственные мутации усиливают ингибирующее действие бета-амилоида на протеолитическую активность пути «n-концевого правила»».

— Любовь Трубицина, «Двухдоменная лакказа из бактерии Streptomycesanulatus Аc-728: получение и характеристика фермента».

— Вадим Чечехин, «Регуляция сигнальной активности мезенхимных стромальных клеток нейромедиаторами». 

21-ая Пущинская международная Школа-конференция молодых учёных «Биология — наука XXI века» состоялась в Пущино. В конференции приняли участие более 500 человек, более 250 ученых прослушали лекции заочно. Лекторы конференции – ведущие российские и мировые ученые, доктора наук и академики РАН.  

Конференция организована Пущинским научным центром РАН, Институтом теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Советом молодых ученых и специалистов ИТЭБ РАН, Межфакультетским научно-образовательным центром МГУ в г. Пущино при поддержке ФАНО России. На протяжении нескольких лет значительную поддержку по данному направлению оказывает Сколтех. 

Также ежегодное информационное и образовательное содействие оказывает «MERCK», ООО «Биолайн», BIOCAD, Окабиолаб, ООО «Bio-RadLaboratories», ООО «Сарториус Стедим РУС», ООО «Центр доклинических испытаний», Аксиома-БИО.  

Контакты: 

vk.com/biology21ru 

www.biology21.ru 

[email protected]

Пущино | «Биология – наука XXI века». Юбилейная школа-конференция открылась в наукограде Пущино

Фото: inpushchino.ru

«Биология – наука XXI века» – решили когда-то организаторы конференции для молодых учёных. И вот четверть века уже пролетели. 18 апреля 2022 года в наукограде Пущино открылась 25 школа-конференция с по-прежнему актуальным названием – «Биология–наука XXI века».

Фото Андрея Михайлина

С самого утра полны молодыми людьми, увлечёнными исследовательской работой и  поиском новых знаний, коридоры Института биофизики клетки Российской академии наук, в стенах которого по традиции проходит открытие. На мероприятие зарегистрировалось порядка 240 участников, утром приехали несколько десятков из них, и  молодые учёные ещё продолжают прибывать. Москва, Пущино, Орёл, Казань, Краснодар, Нижний Новгород, Улан-Удэ, Санкт-Петербург и другие – география как всегда обширна.

Фото Андрея Михайлина

Участников поприветствовали глава городского округа Пущино Алексей Воробьёв, директор Пущинского научного центра биологических исследований РАН Павел Грабарник, руководитель Института теоретической и экспериментальной биофизики, депутат пущинского Совета депутатов Ирина Селезнева, а также председатель Совета молодых учёных Московской области, заместитель председателя оргкомитета конференции Дарья Ветошкина.

— То, чем вы занимаетесь – это наш вектор развития. Пандемия показала, что за биологией будущее. Вы выбрали хорошее, благодарное направление в науке, и я уверен, у вас всё обязательно получится. Удачи вам в этом и хорошей, плодотворной работы!  – обратился к  участникам Алексей Воробьёв, поздравив с юбилеем конференции.

Фото Андрея Михайлина

«Наша школа-конференция – это возможность заявить о себе, найти научных партнёров и построить коллаборации, которые приведут к новым открытиям», – отметил Павел Грабарник.

Фото Андрея Михайлина

— Институт биофизики, где мы сейчас находимся, был первым биологическим институтом, построенным в Пущине. Потом лаборатория за лабораторией росли, отпочковывались, и образовалась целая линейка институтов, которая занимается всеми вопросами, связанными с биологией. Поэтому город Пущино – это место, где каждый может себя найти – и биолог, и физик, и химик, и медик, и инженер, – обратилась к собравшимся молодым учёным и.о.  директора Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Ирина Селезнева.

«Пущино – модернистский проект Академии наук, который возник во времена хрущёвской оттепели. Тогда наше правительство решило создать маленькие уютные поселения для того, чтобы в таких городках концентрация научного потенциала и энтузиазм молодых исследователей дал эффект, который сделал бы нашу страну стратегическим лидером в науке. Это отчасти получилось, на карте возникли новые академгородки, наукограды. Пущино, наверно, самый совершенный из них , – рассказал Павел Грабарник. – Мы находимся в здании института биофизики. Оно было построено в  том же году, когда увидела свет повесть, второе название которой «Сказка для научных сотрудников младшего возраста». Кто-нибудь знает?..»

Фото Андрея Михайлина

«Понедельник начинается в субботу» , – ответили из зала, когда вопрос ещё даже не успел прозвучать.

Фото Андрея Михайлина

«Совершенно верно! «Понедельник начинается в субботу», – подтвердил Павел Яковлевич. – Действительно, в то время это название теряло свою метафоричность и было достаточно актуальным, потому что научные сотрудники, молодёжь, которая тогда приехала в город, не разделяла неделю на выходные и будни, и понедельники начинались в субботу, и часто дискуссии продолжались до поздней ночи, а опыты длились сутками. Был очень активный период в жизни нашего города. И тогда возникли достижения, которые известны далеко за пределами страны».

Фото Андрея Михайлина

Каждый из выступавших рассказывал участникам конференции о городе, его истории, особенностях, перспективах. Так, кандидат биологических наук Дарья Ветошкина отметила, что Пущино превращается в  целую экосистему молодёжных проектов, среди которых не только конференции, но и студенческий биотурнир, и научные лектории, и  многое другое.

— В Подмосковье находится много наукоградов, и можно выбрать себе направление по  душе. Московской области есть большое количество программ, которые поддерживают молодых учёных. Это и региональные гранты, и областная программа «Социальная ипотека», которая позволяет приобрести жильё на территории Подмосковья, и премия губернатора Московской области, – рассказала Дарья Ветошкина. – То есть работа на территории Московской области имеет определённые преимущества.

Фото Андрея Михайлина

Фото Андрея Михайлина

    ​​​​​​

Однако «Биология – наука XXI века» – это не только место, где старшие товарищи читают лекции новичкам. Здесь пленарные доклады сменяются работой по секциям, в  ходе работы которых начинающие исследователи также могут представить свои результаты и  услышать мнение коллег.

Фото Андрея Михайлина

Третьекурсник Дмитрий Пантелеев работает на классическом объекте генетиков – дрозофиле. Недавно он начал изучать молекулярные механизмы, задействованные в  апоптозе, то есть программируемой гибели клетки.

Дмитрий Пантелеев, 3 курс, кафедра генетики биологического факультета МГУ им.  М.В.  Ломоносова:

–  Я всего на третьем курсе, но в начале этого года начал заниматься наукой. Пошёл в  лабораторию, где мне предложили проект по изучению энхансерной регуляции одного гена. У нас есть некоторые результаты, и мой научный руководитель посоветовал их доложить. Так я оказался здесь. Это будет устный доклад в рамках секции «Молекулярная биология».

Фото Андрея Михайлина

«Я студентка третьего курса, биолог. Узнала об этом мероприятии буквально вчера, меня одногруппница позвала. Первое впечатление – очень нравится, интересно. Книжек уже накупила,   – поделилась Ксения Тимофеева, третьекурсница кафедры зоологии факультета Зоотехния и биология Тимирязевской академии».

Магистрантка Санкт-Петербургского политехнического университета Наталья Румянцева в наукограде Пущино первый раз, о конференции узнала из социальных сетей. Приехала, чтобы послушать интересные лекции, познакомиться с новыми людьми, представить свою работу и получить обратную связь и новые идеи для исследований.

Наталья Румянцева, студентка магистратуры, Санкт-Петербургский политехнический университет:

– Заканчиваю магистратуру и в лаборатории работаю с бактериями с третьего курса, уже три года. Наша научная группа занимается бактериальным делением на модельных организмах, таких как кишечная палочка или микоплазмы различных видов, которые считаются минимальной бактериальной клеткой, способной к самовоспроизведению. Помимо научной части ценность этого исследования в том, что деление бактерии – это жизненно важный процесс, без которого она не может существовать. Соответственно, нарушая деление бактерий какими-то антибактериальными препаратами, мы можем бороться с болезнями.

Впереди у молодых учёных пять дней увлекательных лекций, дискуссий, экскурсий и  знакомств – с  новыми знаниями, технологиями, друг другом, наставниками. А у школы-конференции, скорее всего, впереди не только три четверти века, а гораздо больше, ведь биология, как показали последние годы, наука – на все времена.

Фото Андрея Михайлина

Ирина Масленникова

Читайте также  25 апреля 2022 г. в ИТЭБ РАН состоится конференция, посвящённая Дню ДНК

Источник: http://inpushchino.ru/novosti/nauka/biologiya-nauka-xxi-veka-yubileynaya-shkola-konferenciya-otkrylas-v-naukograde-pushchino

В Пущино пройдет школа-конференция молодых ученых «Биология — наука XXI века»

28. 02.2016 в 12:44

Наука

2480

Поделиться

18-22 апреля 2016 года состоится юбилейная, 20-я по счету, Пущинская международная школа-конференция молодых ученых “Биология – наука XXI века”.

Прием тезисов продолжится до 9 марта 2016 года, после чего начнется подготовка и редактирования сборника тезисов, формирование программы, организация работы секций конференции.

Формат работы конференции сложился за два десятилетия и сохранится в этот раз: торжественное открытие и ежедневные пленарные лекции в большом конференц-зале Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН; секции по различным направлениям биологии в различных институтах Пущино; ежедневные экскурсии в научные лаборатории и мастер-классы заполнят все свободное время в течение конференции.

Поскольку основная аудитория – это студенты, аспиранты и молодые ученые из всех регионов России, а экономические сложности существенно снизили мобильность молодежи, то до последнего моменты организаторы опасались снижения числа участников. Однако уже поступило около 600 заявок и регистрация продолжается.

Студенты из крупнейших вузов и научных центров России стараются увидеть и услышать все возможное. Случалось, что в последний день конференции, услышав, про уникальные радиотелескопы, которые не удалось увидеть из-за плотной программы, студенты уговаривали организаторов и устраивали отдельную экскурсию на рассвете до завтрака, чтобы создать полную картину впечатлений о Пущино.

Для категории самых увлеченных и благодарных слушателей за несколько месяцев начались переговоры с лекторами – учеными мирового уровня. Уже известно, что на открытии выступит профессор из Лондона Глеб Сухоруков, который в 2011 году вошел в число 10 самых известных в мире ученых русского происхождения по мнению Forbes, и известен работами по получению многослойных полимерных капсул из коллоидных систем, в том числе, с целью адресной доставки лекарств. Также приедут ученые из США, Швеции, Норвегии — ежедневно выступят два и более лекторов. Из пущинских ученых выступит Евгений Маевский – один из авторов «голубой крови» и Алексей Лупачев – молодой исследователь, который уже успел принять участие в 15 экспедициях в Арктику и Антарктику.

Следует отметить, что дни конференции – это возможно, единственная неделя в году, когда в Пущино собирается такое количество ученых мирового уровня по различным направлениям биологии. Все они доступны для общения, готовы поделиться опытом и ценными советами с молодыми учеными. Для многих эти лекции являются определяющими для выбора будущего направления научной карьеры.

Помимо научной программы, участникам предложены спортивные тренировки по фрисби (летающий диск), скидки на посещение Дворца спорта «Ока», культурные мероприятия. Соревновательную составляющую добавляют несколько конкурсов: на лучший доклад секции, лучшую научно-популярную статью, фото-конкурс «Стихии науки».

Конференция на протяжении многих лет выполняет очень важную функцию и является неформальным днем открытых дверей институтов Пущинского научного центра. По результатам ежегодных опросов абитуриентов Пущинского государственного естественно-научного института, основная часть поступающих на обучение приняли это решение именно во время участия в конференции.

И, несмотря на то, что официальными организаторами конференции являются все исследовательские институты и МГУ, вся ответственность и успешная реализация проекта держится исключительно на энтузиазме оргкомитета – молодых ученых – волонтерах, которые на протяжении нескольких месяцев рассылают приглашения, обрабатывают заявки, ведут переписку с десятками участников и, наконец, встречают и знакомят с городом Пущино участников из всех уголков нашей страны.

Сайт конференции: www. biology21.ru

Подписаться

МГУ
Россия
США
Арктика
Школа
Выборы
Спорт

• 30 авг

  Престиж и пополнение бюджета: названы плюсы коротких автомобильных номеров

• 22 авг

  Штраф за невыгул: назван способ перевоспитания российских собаководов

• 16 авг

  Названо лучшее средство от пробок на дорогах России

Что еще почитать

• День города в Серпухове отметили весело, шумно и ярко

  104

  Серпухов

• Трое серпуховичей вписали свои имена в славную историю Серпухова

  119

  Серпухов

• Украинский экс-депутат Царев рассказал, чем для США обернется поражение Украины

  19266

  Александр Лучкин

• Норкин раскрыл судьбу Украины после референдумов

  50367

  Эмма Грибова

• Лукашенко на встрече с Путиным говорил вчетверо больше него

  32821

  Елена Егорова

Что почитать:Ещё материалы

В регионах

• Путин объявил частичную мобилизацию в России: кого коснётся

  48153

  Рязань

  Анастасия Батищева

• В Магнитогорском драмтеатре рассказали о режиссере Сергее Пускепалисе, погибшем в ДТП

  13545

  Челябинск

  Альбина Хохлова

• Костромские проблемы: в наших лесах исчезли грибы

  13195

  Кострома

• В Петрозаводске идти в военкомат по мобилизационным предписаниям не надо

  10620

  Карелия

  Максим Берштейн

• Военком Приангарья рассказал об особенностях частичной мобилизации в регионе

  6147

  Иркутск

• Частичная мобилизация: кто подлежит призыву в первую очередь?

  Фото

  5894

  Чебоксары

В регионах:Ещё материалы

В Пущино пройдет школа-конференция «Биология-наука XXI века»

13. 12.2016 в 10:03

Наши открытия

2029

Поделиться

В Пущино при поддержке ПНЦ РАН 17-21 апреля 2017 года пройдет молодежная школа-конференция «Биология-наука XXI века». Зарегистрироваться на нее можно уже сейчас на сайте конференции.

Школа-конференция «Биология-наука XXI века» проходит уже 21-й раз. Она собирает молодых ученых, студентов и аспирантов со всей страны. С докладами выступают ведущие ученые, они проводят мастер-классы, конкурсы и презентации. Участники конференции посещают с экскурсиями лаборатории институтов ПНЦ РАН.

Организуют конференцию Пущинский научный центр РАН, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, МГУ им М.В. Ломоносова и Совет молодых ученых и специалистов ИТЭБ РАН.

Подписаться

МГУ
Пущино
Школа

• 30 авг

  Престиж и пополнение бюджета: названы плюсы коротких автомобильных номеров

• 22 авг

  Штраф за невыгул: назван способ перевоспитания российских собаководов

• 16 авг

  Названо лучшее средство от пробок на дорогах России

Что еще почитать

• День города в Серпухове отметили весело, шумно и ярко

  104

  Серпухов

• Трое серпуховичей вписали свои имена в славную историю Серпухова

  119

  Серпухов

• Украинский экс-депутат Царев рассказал, чем для США обернется поражение Украины

  19266

  Александр Лучкин

• Норкин раскрыл судьбу Украины после референдумов

  50367

  Эмма Грибова

• Лукашенко на встрече с Путиным говорил вчетверо больше него

  32821

  Елена Егорова

Что почитать:Ещё материалы

В регионах

• Путин объявил частичную мобилизацию в России: кого коснётся

  48153

  Рязань

  Анастасия Батищева

• В Магнитогорском драмтеатре рассказали о режиссере Сергее Пускепалисе, погибшем в ДТП

  13545

  Челябинск

  Альбина Хохлова

• Костромские проблемы: в наших лесах исчезли грибы

  13195

  Кострома

• В Петрозаводске идти в военкомат по мобилизационным предписаниям не надо

  10620

  Карелия

  Максим Берштейн

• Военком Приангарья рассказал об особенностях частичной мобилизации в регионе

  6147

  Иркутск

• Частичная мобилизация: кто подлежит призыву в первую очередь?

  Фото

  5894

  Чебоксары

В регионах:Ещё материалы

Биология — наука XXI века: 16-я Международная Пущинская школа — конференция молодых ученых (Пущино, 16

Статья

• формат pdf
• размер 5,19 МБ
• добавлен
  29 декабря 2012 г.

Пущино. — 2012. — 489 с.

Международная школа-конференция молодых ученых — ежегодное научное
мероприятие, организуемое и проводимое Пущинским научным центром
РАН, институтами ПНЦ, Пущинским государственным университетом на
базе Пущинского научного центра Российской академии наук.
Целью школы-конференции является ознакомление молодых ученых с
перспективами и новейшими достижениями в области физико-химической
биологии.
Работа школы-конференции проводится в форме пленарных и секционных
заседаний по следующим направлениям: молекулярная биология,
общая и функциональная биохимия, биофизика клетки, органов и
систем, биология и экология микроорганизмов, почвоведение и
биогеохимия, теоретическая и прикладная экология, математические
проблемы биологии, прикладная биотехнология, приборы и методы для
биологии, биотехнологии и медицины, радиобиология, физиология
животных и биомедицина, фотобиология и физиология растений,
социокультурная ниша биологии.
Пленарные заседания включают в себя лекции ведущих российских
ученых, охватывающие перспективные направления физико-химической
биологии; молодые исследователи имеют возможность доложить
результаты своей работы в форме устных сообщений и стендовых
докладов в ходе секционных заседаний.
Помимо научных мероприятий в программу работы школы-конференции
входят экскурсии по институтам ПНЦ РАН, выставки научного
оборудования, круглые столы-диспуты по актуальным проблемам
современной науки, культурная программа. В работе школы-конференции
ежегодно принимают участие более 500 молодых исследователей из
городов России, стран СНГ и дальнего зарубежья.

Похожие разделы

1. Абитуриентам и школьникам
2. Биология

1. Абитуриентам и школьникам
2. ВНО / ЗНО
3. ЗНО по биологии

1. Абитуриентам и школьникам
2. ЕГЭ
3. ЕГЭ по биологии

1. Абитуриентам и школьникам
2. ОГЭ / ГИА / ДПА
3. ОГЭ / ГИА / ДПА по биологии

1. Академическая и специальная литература
2. Антропология
3. Физическая (биологическая) антропология

1. Академическая и специальная литература
2. Междисциплинарные материалы
3. Бионика

1. Академическая и специальная литература
2. Науки о Земле

1. Академическая и специальная литература
2. Педагогика
3. Методики преподавания
4. Методика преподавания биологии

1. Академическая и специальная литература
2. Экологические дисциплины

1. Академическая и специальная литература
2. Языки и языкознание
3. Латинский язык
4. Для биологических специальностей

1. Аудиокниги
2. Аудиокниги на английском языке
3. Научно-популярная литература
4. Биология

1. Аудиокниги
2. Аудиокниги на русском языке
3. Научно-популярная литература
4. Биология

1. Стандарты
2. Межгосударственные стандарты (МС)
3. МС (ГОСТ) Биологические дисциплины

1. Учебные планы, программы и нормативная документация
2. Биологические дисциплины

1. Учебные планы, программы и нормативная документация
2. Для средней школы
3. Биология

Биология 21-го века – катализатор исследований на стыке вычислительной техники и биологии

Биология, как и любая наука, меняется, когда технологии вводят новые инструменты, которые расширяют область и тип исследования. Некоторые изменения, такие как использование микроскопа, принимаются быстро и легко, потому что они соответствуют существующим ценностям и практикам. Другие, такие как введение многомерной статистики, выполненной компьютерами в 1960-х годах, встречают сопротивление, потому что они идут вразрез с традициями интуиции, визуализации и концепций биологии, которые четко отделяют ее от математики.

В этой главе делается попытка описать проблемы и возможности, созданные введением вычислений в биологические науки. Он делает это, сначала кратко описывая существующие нити биологической культуры и практики, а затем показывая, как различные аспекты вычислительной науки и технологии могут поддерживать, расширять или бросать вызов существующей структуре биологии.

Информатика — лишь одна из многих областей, играющих роль в преобразовании биологии, от передовой химии к новым областям математики. И все же во многих отношениях компьютеры оказались самыми сложными и наиболее преобразующими, поскольку они уходят корнями в традиции дизайна и абстракции, столь отличные от биологии. Однако точно так же, как компьютеры продолжают радикально менять общество в целом, нет сомнений, что они изменят и биологию. Как и много раз раньше, биология изменится с этой новой технологией, примет новые методы, переопределит то, что делает хорошую науку и хорошее обучение, и изменит то, какие исследования важны, ценны или даже возможны.

2.1. КАКАЯ НАУКА?

2.1.1. Корни биологической культуры

Биология — наука с глубокой историей, которую можно связать с изобретением земледелия на самой заре цивилизации и еще раньше с первыми проблесками устной культуры: «Это безопасно есть? ” Как таковая, это широкая область, богатая культурой и традициями, которая охватывает множество нитей наблюдательных, эмпирических и теоретических исследований и охватывает масштабы от отдельных молекул до континентов. Такое широкое поле невозможно описать просто; тем не менее, в этом разделе делается попытка определить ряд основных направлений деятельности и философии биологии.

Во-первых, биология является эмпирической и описательной наукой. Он уходит своими корнями в традицию качественного наблюдения и описания, восходящую, по крайней мере, к Аристотелю. Исследователи-биологи давно стремились каталогизировать характеристики, поведение и вариации отдельных биологических организмов или популяций путем прямого наблюдения за организмами в их среде, а не пытаться определить общие принципы с помощью математического или абстрактного моделирования. По этой причине культура биологии одновременно сильно визуальна и специфична. Идентификация нового вида и адекватное описание его внешнего вида, окружающей среды и жизненного цикла остается важным вкладом в биологические знания.

Показательно сопоставить эту философию с философией современной физики, где зверинец новых субатомных частиц, открытых в 1960-х и 1970-х годах, был источником легкого смущения и дискомфорта для физиков. Только с введением кварков и последующим сокращением числа фундаментальных частиц физики снова почувствовали себя комфортно в состоянии своего поля. Биология, в противоположность этому, не только ценит и принимает огромное разнообразие жизни, но также считает такое разнообразие главным предметом изучения.

Во-вторых, биология — это онтологическая наука, занимающаяся таксономией и классификацией. Со времен Линнея биологи пытались поместить свои наблюдения в более широкую структуру знаний, связывая отдельные виды с установленным периодом жизни. Методология и основа для этого каталога сами по себе являются предметом изучения и споров, поэтому исследовательская деятельность такого типа происходит на двух уровнях: конкретные виды помещаются в древо жизни (или перемещаются более крупные таксоны), все еще публикуемое событие, совершенствуется и сама наука таксономии.

Биология — это историческая наука. Жизнь на Земле, по-видимому, возникла только один раз, и вся жизнь сегодня происходит от этого единственного экземпляра. Полная история жизни на Земле — из какой линии возникла и когда — является одной из великих, хотя, возможно, недостижимых целей биологии. Вместе с этим исследованием, но отдельно, идут вопросы: Как? и почему? Какие силы заставляют виды эволюционировать определенным образом? Существуют ли вековые тенденции в эволюции, например, как это часто утверждается, к возрастанию сложности? Происходит ли эволюция плавно или скачкообразно? Если бы нам пришлось «переиграть ленту» эволюции, возникли бы подобные формы? Как и в случае с таксономией (и тесно связанной с ней), здесь есть два уровня: что именно произошло и какие силы заставляют вещи происходить.

Эти три направления — эмпирические наблюдения за множеством форм жизни, исторические факты эволюции и упорядочивание биологических знаний в всеобъемлющую таксономию жизни — служили для определения основных практик биологии до 1950-х годов и до сих пор во многих отношениях влияют на отношение, обучение, философию и ценности биологических наук. Хотя биология значительно расширилась с появлением молекулярной биологии, эти три направления продолжают оставаться жизненно важными областями биологических исследований и интересов.

Эти три интеллектуальных направления находили отражение в биологических исследованиях, которые на протяжении большей части своей ранней истории носили качественный и описательный характер. Например, эмпирические и онтологические исследователи стремились каталогизировать характеристики, поведение и вариации отдельных биологических организмов или популяций посредством прямого наблюдения за организмами в их среде.

Тем не менее, какими бы важными и ценными ни были эти подходы для биологии, они не предоставили — и не могут предоставить — очень подробной информации об основных механизмах. Однако за последние полвека интеллектуальная перспектива, обеспечиваемая молекулярной биологией и биохимией, послужила основой для огромных скачков вперед.

2.1.2. Молекулярная биология и биохимические основы жизни

За последние 50 лет биохимические подходы к анализу биологических вопросов и общие подходы, теперь известные как молекулярная биология, привели к повышению осведомленности, идентификации и познанию центральной роли определенных механизмов, такие как цифровой код ДНК как механизм, лежащий в основе наследственности, использование аденозинтрифосфата (АТФ) для хранения энергии, общие протоколы передачи сигналов белков и многие консервативные генетические последовательности, некоторые из которых являются общими для таких разных видов, как люди, губки и даже отдельные виды. -клеточные организмы, такие как дрожжи.

Это новое знание формировалось и формировалось изменениями в практике биологии. Два важных направления биологических исследований, существовавшие задолго до появления молекулярной биологии, вышли на передний план во второй половине 20 века. Эти нити были биологическими экспериментами и поиском основной механики жизни.

Биологические эксперименты и сбор данных не новы, но они приобрели новое значение и центральное место в конце 20-го века. Идентификация генов и мутаций на примере экспериментов на Дрозофила стала иконой современной биологической науки, и вместе с этим возник новый акцент на сбор больших объемов количественных данных.

Биологов всегда интересовало, как живут организмы, вопрос, который в конечном счете сводится к самому определению жизни. Большой объем знаний об анатомии, кровообращении, дыхании и метаболизме был накоплен в 18 и 19 веках, но без доступа к инструментам и знаниям в области биохимии и молекулярной биологии был предел тому, что можно было открыть. С помощью молекулярной биологии некоторые из основных механизмов жизни были идентифицированы и проанализированы количественно.

Попытки раскрыть основные химические свойства биологических процессов и установить все аспекты компонентов путем планирования эксперимента будут по-прежнему оставаться основным аспектом фундаментальных биологических исследований, и большая часть современной биологии стремится свести биологические явления к поведение молекул.

Однако исследователи-биологи также все больше интересуются взглядом на системный уровень, в котором могут быть установлены совершенно новые отношения между системными компонентами и процессами. То есть детальное понимание компонентов биологического организма или явления неизбежно приводит к вопросу о том, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом и со средой, в которую погружен организм или явление.

2.1.3. Биологические компоненты и процессы в контексте и биологическая сложность

Существует давняя традиция изучения определенных биологических систем в контексте. Например, экология всегда была сосредоточена на экосистемах. Физиология — еще один пример науки о жизни, которая обычно рассматривает биологические системы как целые объекты. Наука о поведении и систематике животных также рассматривает биологические явления в контексте. Однако сегодня доступны технологии сбора данных, вычислительные инструменты и даже новые интеллектуальные парадигмы, которые обеспечивают значительно большую степень понимания в контексте многих биологических компонентов и процессов, чем это было возможно ранее, и сегодняшняя цель состоит в том, чтобы охватить пространство биологических объектов от генов и белков к сетям и путям, от органелл к клеткам и от отдельных организмов к популяциям и экосистемам.

Следуя Китано, ¹ , системное понимание биологического объекта основано на понимании четырех аспектов: (1) системных структур (например, сетей взаимодействий генов и биохимических путей и их связи с физическими свойствами внутриклеточных и многоклеточных структур). ), (2) динамика системы (например, как система ведет себя с течением времени в различных условиях и механизмы, лежащие в основе определенного поведения), (3) механизмы контроля (например, механизмы, которые систематически контролируют состояние клетки) и (4) принципы проектирования (например, принципы, лежащие в основе построения и эволюции биологических систем, обладающих определенными желательными свойствами). ²

В качестве примера рассмотрим достижения в секвенировании генома. Геномика последовательностей проложила путь для установления «списка частей» живых клеток, но общепризнано, что для перехода от отдельных молекулярных деталей к всестороннему пониманию феноменов от роста клеток до уровня гомеостаза требуется совсем другой подход. В высокоинтерактивных системах живых организмов макромолекулярные, клеточные и физиологические процессы, находящиеся на разных уровнях организационной сложности, имеют как временные, так и пространственные компоненты. Взаимодействия происходят между наборами похожих объектов, таких как два гена, и между разнородными объектами, такими как гены и их окружение.

Ключевым аспектом биологической сложности является роль случая. Одним из наиболее ярких примеров случайности в биологии является эволюция, в которой случайные события влияют на точность генетической передачи от одного поколения к другому. Рука случая видна и в развитии организма — случайные события влияют на многие детали развития, но, как правило, не на общую картину или тенденции. Но, возможно, наиболее ярким проявлением является то, что отдельные биологические организмы — даже такие близкородственные, как родственные клетки — вряд ли будут идентичны из-за стохастических событий, от влияния окружающей среды до теплового шума, которые влияют на процессы на молекулярном уровне. Если это так, никакие две клетки не будут иметь одинаковое содержание макромолекул, а динамическая структура и функция макромолекул в одной клетке никогда не будут такими же, как даже у родственной клетки. Этот факт является одним из самых больших различий между живыми системами и большинством кремниевых устройств или почти любым другим искусственным или созданным человеком артефактом.

Иными словами, цифровой «код жизни», заложенный в ДНК, далеко не прост. Например, биологический «список частей», который в принципе делает доступным геномная последовательность, может быть недоступен на практике, если все части не могут быть идентифицированы из последовательности. Сегменты генома, когда-то считавшиеся эволюционным «мусором», все чаще признаются источником новых типов молекул РНК, которые оказываются главными действующими лицами в клеточном поведении. Кроме того, даже полный список деталей дает гораздо меньше информации о биологической системе, чем о созданном инженерным путем артефакте, потому что человеческие условности для сборки обычно хорошо понятны, тогда как природные условности для сборки — нет.

Вторым примером сложности является то, что один ген может иногда производить многих белков. У эукариот, например, мРНК нельзя использовать в качестве схемы до тех пор, пока специальные ферменты сначала не вырезают интроны, или некодирующие области, и не соединяют вместе экзоны, фрагменты, содержащие полезный код. ³ Однако в некоторых случаях клетка может сплайсировать экзоны по-разному, продуцируя серию белков с добавлением или удалением различных частей, но с одинаковым линейным порядком (они известны как варианты сплайсинга). Процесс, известный как редактирование РНК, может изменить последовательность нуклеотидов в РНК после транскрипции ДНК, но до трансляции в белок, в результате чего получаются другие белки. Отдельный нуклеотид может быть изменен на другой («редактирование заменой»), или нуклеотиды могут быть вставлены или удалены из РНК («редактирование вставкой-удалением»). В некоторых случаях (пусть и редких) клеточный механизм трансляции может вносить еще более радикальные изменения, сдвигая свою «рамку считывания», что означает, что она начинает считывать генетический код из трех пар оснований в точке, смещенной на одно или два основания. пар из оригинала. В результате получится совсем другая последовательность аминокислот и, следовательно, совсем другой белок.

Кроме того, даже после того, как белки произведены на рибосоме, они подвергаются значительной постобработке, когда попадают в различные регуляторные сети. У одних форма и уровень активности могут быть изменены за счет присоединения, например, фосфатной группы, молекулы сахара или любых других придатков, в то время как другие могут объединяться, образуя многобелковую структуру. Короче говоря, знать полную последовательность пар оснований в геноме все равно, что знать полную последовательность 1 s и 0 s, которые составляют компьютерную программу: сама по себе эта информация не обязательно дает представление о том, что делает программа или как она может быть организована в функциональные блоки, такие как подпрограммы. ⁴

Третьим примером биологической сложности является то, что одному гену или одному белку можно присвоить очень мало биологических функций, если они вообще есть. Действительно, уникальная связь между молекулой гемоглобина и функцией транспорта кислорода в кровотоке является скорее исключением, чем правилом. Гораздо чаще встречается ситуация, когда биологическая функция зависит от взаимодействия многих биологических компонентов. Метаболизм клетки, ее реакция на химические и биологические сигналы извне, ее цикл роста и клеточного деления — все эти и многие другие функции обычно выполняются и контролируются сложными сетями взаимодействующих молекул.

Франсуа Жакоб и Жак Моно получили Нобелевскую премию по медицине 1965 года за открытие того, что ДНК содержит регуляторные области, управляющие экспрессией отдельных генов. ⁵ (Они далее подчеркнули важность регуляторной обратной связи и обсудили эти регуляторные процессы, используя язык цепей, что имеет отношение к разделу 5.4.3.3.) С тех пор стало понятно, что белки и другие продукты генома взаимодействуют друг с другом. с самой ДНК (и друг с другом) в регуляторной сети.

Например, молекулы РНК обладают широким спектром возможностей помимо их роли в качестве мессенджеров от ДНК к белку. Некоторые молекулы РНК могут избирательно подавлять или подавлять транскрипцию генов; другие действуют как комбинированный транскрипт гена хеморецептора («рибопереключатель»), который дает начало белку на одном конце молекулы, когда противоположный конец вступает в контакт с соответствующей химической мишенью. В самом деле, может быть даже так, что значительное увеличение числа регуляторных РНК в масштабе эволюционного времени в значительной степени ответственно за увеличение сложности эукариот без значительного увеличения числа кодирующих белок генов. Понимание роли РНК и других эпигенетических явлений, которые приводят к альтернативным состояниям экспрессии генов, молекулярной функции или организации — «системы, [которые] намного сложнее, чем любая проблема, с которой когда-либо сталкивались молекулярная биология, генетика или геномика» ⁶ имеет решающее значение для реализации перспектив геномики.

Четвертый пример биологической сложности иллюстрируется тем фактом, что уровни биологической сложности выходят за пределы сложностей генома и белковых структур через надмолекулярные комплексы и органеллы к клеточным подсистемам и их скоплениям, образуя часто функционально поляризованные клетки, которые вместе вносят свой вклад в форма и функция ткани и, тем самым, свойства организма. Хотя революция последней половины прошлого века в биохимии и молекулярной биологии внесла значительный вклад в наши знания о строительных кирпичиках жизни, мы только начали царапать поверхность насыщенной данными и подобной гордиеву узлу головоломки сложных процессов. и динамические молекулярные взаимодействия, которые приводят к сложному поведению организмов. Короче говоря, мало что известно о том, как сложные физиологические процессы регулируются молекулярными, клеточными и трансклеточными сигнальными системами и сетями. Доступная информация глубока только в ограниченных пространственных или временных областях и скудна в других ключевых областях, таких как средние пространственные масштабы (например, 10 Å-10 мкм), и не существует инструментов, которые бы устанавливали интеллектуальные связи между взаимосвязанными частями научных знаний в разных областях. эти весы.

Таким образом, сложность представляется существенным аспектом биологических явлений. Соответственно, требуется разработка последовательного интеллектуального подхода к биологической сложности для понимания взаимодействий на системном уровне — молекул, генов, клеток, организмов, популяций и даже экосистем. В этой интеллектуальной вселенной как «синтаксис генома» (буквы, слова и грамматика, связанные с кодом ДНК), так и «семантика генома» (то, что код ДНК может выражать и что делать) являются центральными объектами исследования. Во вставке 2.1 описаны некоторые вопросы, которые возникнут в клеточной биологии.

Вставка 2.1

Некоторые вопросы клеточной биологии в 21 веке. В недавно опубликованной программе исследований в постгеномную эпоху Института генома человека Фрэнсис Коллинз и его соавторы неоднократно подчеркивали, как мало биологи понимают в данных (подробнее…)

2.2. К БИОЛОГИИ 21-ГО ВЕКА

Биология 21-го века объединит ряд разнообразных интеллектуальных тем. ⁷ Одной из интеграций является редукционистский и системный подходы. Когда редукционистский подход, ориентированный на компоненты, основан на идентификации составных частей организма и понимании поведения организма с точки зрения поведения этих частей (в пределе, на полной характеристике рассматриваемых биологических явлений на молекулярном уровне). Системная биология стремится понять механизмы живого организма на всех соответствующих уровнях иерархии. ⁸ Эти разные фокусы — фокус на компонентах биологических систем и фокус на взаимодействиях между этими компонентами — дополняют друг друга, и оба будут необходимы для интеллектуального прогресса в будущем.

Биология двадцать первого века объединит множество различных направлений биологических исследований: таксономические исследования многих видов, огромный прогресс в молекулярной генетике, шаги к пониманию молекулярных механизмов жизни и зарождающуюся системную биологию, которая будет рассматривать биологические объекты в отношение к своему большему окружению. Биология двадцать первого века стремится полностью понять механизмы живой клетки и все более сложную клеточную иерархию многоклеточных животных, вплоть до процессов, действующих на уровне организма и даже популяций и экосистем. Однако такое понимание фундаментально зависит от синергии между системным пониманием, как описано выше, и редукционистской традицией.

Биология двадцать первого века также объединяет эмпирическую работу в биологии с вычислительной работой. Эмпирическая работа проводится в лабораторных экспериментах или полевых наблюдениях и приводит как к проверке гипотез, так и к их выработке. Проверка гипотезы опирается на данные, полученные в результате эмпирической работы, чтобы принять или отклонить гипотезу-кандидат. Однако данные, собранные в ходе эмпирической работы, также могут предложить новые гипотезы, ведущие к работе, которая носит исследовательский характер. В биологии 21-го века вычислительная работа предоставляет множество инструментов, которые поддерживают эмпирическую работу, но также позволяет использовать большую часть системной биологии с помощью таких методов, как моделирование, интеллектуальный анализ данных и анализ микрочипов, и, таким образом, лежит в основе создания правдоподобных гипотез-кандидатов, которые должны быть проверены. пройти тестирование. Отметим также, что проверка гипотез имеет отношение как к редукционистской, так и к системной биологии в том смысле, что оба типа биологии формулируются вокруг гипотез (о компонентах или об отношениях между компонентами), которые могут — а могут и не согласовываться — с эмпирическими или экспериментальными результатами.

В этом отношении мнение, высказанное Уолтером Гилбертом в 1991 году, кажется пророческим. Гилберт отмечал, что «в нынешней парадигме [то есть в 1991 г.] атака на проблемы биологии рассматривается как исключительно экспериментальная. «Правильный» подход состоит в том, чтобы идентифицировать ген с помощью какой-либо прямой экспериментальной процедуры, определяемой каким-либо свойством его продукта или иным образом связанной с его фенотипом, клонировать его, секвенировать, производить его продукт и продолжать экспериментальную работу так, чтобы искать понимание его функции». Затем он утверждал, что «новая парадигма [для биологических исследований], возникающая сейчас [т.е. в 1991], заключается в том, что все гены будут известны (в том смысле, что они находятся в базах данных, доступных в электронном виде), и что отправная точка биологического исследования будет теоретической. Отдельный ученый начнет с теоретической гипотезы и только затем обратится к эксперименту, чтобы проследить или проверить эту гипотезу. Фактическая биология по-прежнему будет «малой наукой» — в зависимости от индивидуального понимания и вдохновения для получения новых знаний, но реагенты, которые использует ученый, будут включать знание первичной последовательности организма вместе со списком всех предыдущих выводы из этой последовательности». ⁹

Наконец, биология 21 века охватывает то, что часто называют наукой открытий. Наука открытий была описана как «перечисление элементов системы независимо от каких-либо гипотез о том, как система функционирует», и ее примером являются проекты секвенирования генома различных организмов. ¹⁰ Вторым примером научных открытий является попытка определить транскриптомы и протеомы отдельных типов клеток (например, количественные измерения всех видов мРНК и белков). ¹¹ Такие усилия можно охарактеризовать как предоставление строительных блоков или исходных материалов, из которых могут быть сформулированы гипотезы — метафорически слова биологического «языка» для выражения гипотез. Тем не менее, даже здесь проект «Геном человека», хотя и беспрецедентный по своим масштабам, удобно вписывается в давнюю традицию все более точного описания и каталогизации биологических данных.

В общем, биология 21-го века повлечет за собой широкий спектр исследований, от лабораторных работ, проводимых отдельными главными исследователями, до проектов в масштабе генома человека, которые генерируют большие объемы первичных данных, до «мезонауки» между этим включает в себя аналитическую или синтетическую работу, проводимую несколькими сотрудничающими лабораториями. По большей части эти новые исследовательские стратегии, включающие научные открытия и аналитическую работу, будут дополнять, а не заменять традиционную, относительно небольшую лабораторию, сосредоточенную на взаимодополняющих эмпирических и экспериментальных методах.

Большие вопросы, такие как вопросы о происхождении жизни, истории эволюции, архитектуре мозга и взаимодействии живых существ друг с другом в популяциях и экосистемах, находятся в центре внимания биологии 21-го века, и приложения здравоохранения, сельского хозяйства и промышленности не менее амбициозны. Например, биология 21-го века может позволить идентифицировать людей, у которых может развиться рак, болезнь Альцгеймера или другие заболевания, или которые будут реагировать или иметь побочный эффект от лечения определенного заболевания. Фармацевтические компании вкладывают значительные средства в транскриптомику для поиска вероятных мишеней для лекарств. Передовые компании хотят выращивать более питательные растения и животных, использовать клеточные механизмы для производства материалов и лекарств, а также создавать интерфейсы для взаимодействия с мозгом, чтобы корректировать нарушенные способности или развивать улучшенные способности. Агентства, заинтересованные в борьбе с биотерроризмом, хотят иметь возможность быстро определять происхождение и происхождение вспышек патогенов, а хранители природных систем хотели бы делать более точные прогнозы о воздействии интродуцированных видов или глобальных изменений.

2.3. РОЛИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В БИОЛОГИИ

Для управления биологическими данными биология 21-го века объединит научные открытия, системную биологию и эмпирическую традицию биологической науки и обеспечит количественную основу, в рамках которой результаты усилий в каждой из этих областей могут быть помещенным. Ожидается, что доступность больших объемов биологических данных позволит решать биологические вопросы в глобальном масштабе, например, изучать поведение всех генов в геноме, всех белков, продуцируемых клетками, или всех созданных метаболитов. в конкретных условиях окружающей среды. Однако дать ответы на биологические вопросы путем раскрытия необработанных данных — это не то же самое, что ответить на эти вопросы — данные должны быть проанализированы и использованы интеллектуально значимыми и значимыми способами.

2.3.1. Биология как информационная наука

Характер биологии 21 века, связанный с интенсивным использованием данных, лежит в основе зависимости биологии от информационных технологий (ИТ). Например, еще в 1990 году было признано, что ИТ будут играть центральную роль в Международном консорциуме по геному человека для хранения и поиска данных о последовательностях биологических генов — записи сигналов, хранения данных о последовательностях, обработки изображений флуоресцентных следов, характерных для каждого база и так далее. Кроме того, по мере развития биологии в 21 веке становится ясно, что скорость производства биологических данных не уменьшится. Возможности сбора данных появятся в большинстве или во всех дисциплинах и областях наук о жизни, и ученым-биологам придется справляться с грядущим потоком очень многомерных, в значительной степени не поддающихся обработке данных, включая изображения с высоким разрешением и данные временных рядов сложных динамических процессов.

Тем не менее, помимо вопросов управления данными, какими бы важными и сложными они ни были, также стало ясно, что компьютерные и информационные технологии будут играть решающую роль в идентификации значимых структур и паттернов в геноме (например, генах, элементах генетической регуляции), в понимании взаимосвязей между различными геномными элементами и в раскрытии функциональной биологической информации о генах, белках и их взаимодействиях. Этот акцент на информации — на получении, обработке, структурировании и представлении информации — ставит геномные исследования прямо в область вычислений и информатики.

Конечно, геномные исследования — это не вся современная биология. Для наук о жизни, начиная от экологии, ботаники, зоологии и биологии развития и заканчивая клеточной и молекулярной биологией, которые можно охарактеризовать как науки с разнообразными типами данных и высокой степенью разнородности и иерархии данных, ИТ необходимы для сбора ключевой информации и систематизации. биологические данные методичным образом, чтобы сделать значимые наблюдения. Огромная вычислительная мощность, новые подходы к моделированию, новые алгоритмы и математические или статистические методы, а также систематические инженерные подходы предоставят биологам жизненно важные и важные инструменты для управления разнородностью и объемом данных и для извлечения смысла из этих данных.

В конечном счете, чем исчисление является для языка физических наук, вычисления и информация будут теми же для языка биологии 21-го века или, по крайней мере, для ее системной биологии. ¹² Биологические процессы, деятельность живых организмов включают использование, сохранение, распространение, трансформацию или трансдукцию, репликацию и передачу информации из поколения в поколение. Биологические системы характеризуются индивидуальностью, случайностью, историчностью и высокой цифровой информативностью — каждое живое существо уникально. Кроме того, уникальность и историческая случайность жизни означают, что для задач в масштабе населения потенциальное пространство состояний, которое фактически населяет население, огромно. ¹³ В качестве информационных наук науки о жизни используют вычисления и информационные технологии в качестве языка и среды для управления дискретной, асимметричной, в значительной степени нередуцируемой, уникальной природой биологических систем и наблюдений.

В приведенных выше словах те, кто даже поверхностно знаком с историей биологии, узнают намеки на то, что когда-то называлось теоретической биологией или математической биологией, что раньше означало модели и компьютерные симуляции, основанные на таких модных в то время идеях, как кибернетика и общая биология. теория систем. ¹⁴ Первоначальный всплеск энтузиазма довольно быстро угас, поскольку стало ясно, что имеющихся экспериментальных данных недостаточно, чтобы математические абстракции были привязаны к реальности. Действительно, надежные модели невозможны, когда отсутствуют многие или большинство количественных значений. Более того, опыт того времени показал, что биологические системы гораздо сложнее и внутренне взаимосвязаны, чем предполагалось, — факт, который в значительной степени объясняет, почему модели той эпохи не были очень успешными в продуктивной генерации гипотез и исследованиях.

Сегодня история совершенно другая. Технологии сбора данных с высокой пропускной способностью (которые сами стали возможными и реализованными благодаря сегодняшним информационным технологиям) превращают скудость данных в их поток, о чем свидетельствует использование этих технологий для секвенирования многих эукариотических организмов. Это не означает, что больше данных не требуется, просто получение необходимых данных теперь кажется возможным в разумные сроки.

То же самое относится и к информационным технологиям, лежащим в основе биологии 21 века. В прошлом, даже если бы данные были доступны, доступных тогда ИТ было бы недостаточно, чтобы разобраться в этих данных. Но сегодняшние информационные технологии намного мощнее и обещают многообещающие возможности управления данными и аналитические возможности, которые необходимы для системного подхода. Более того, информационная технология как базовая среда имеет то преимущество, что со временем она становится все более функциональной с экспоненциальной скоростью. По мере того, как информационная технология становится все более функциональной, биологические приложения будут иметь все более мощную технологическую основу, на которую можно опереться.

Короче говоря, внедрение компьютеров в биологию изменило и продолжает изменять практику биологии. Самый простой, хотя и часто интеллектуально сложный, способ включает в себя компьютерные инструменты, с помощью которых можно собирать, хранить, обрабатывать и интерпретировать огромные объемы биологических данных. Но вычисления (при разумном использовании и в сочетании с инструментами математики и физики) также предоставят биологам альтернативный и, возможно, более подходящий язык и набор абстракций для создания моделей и представления данных о взаимодействиях более высокого порядка, описания биологических явлений и концептуализация некоторых характеристик биологических систем.

Наконец, следует отметить, что хотя компьютерные и информационные технологии будут становиться все более важной частью исследований в области наук о жизни, исследователи в различных разделах биологии, вероятно, по-разному понимают роль вычислений. Например, исследователи в области молекулярной биологии или биофизики могут сосредоточиться на способности вычислений делать более точные количественные прогнозы поведения ферментов, в то время как исследователи в области экологии могут быть более заинтересованы в использовании вычислений для изучения взаимосвязей между поведением экосистемы и возмущениями окружающей среды. Окружающая среда. Эти перспективы станут особенно очевидными в главах настоящего отчета, посвященных влиянию вычислительной техники и информационных технологий на биологию (см. главу 4 об инструментах и ​​главу 5 о моделях).

В этом отчете проводится различие между вычислительными инструментами, вычислительными моделями, информационными абстракциями и вычислительной точки зрения на биологию, а также киберинфраструктурой и технологиями сбора данных. Каждый из них обсуждается в главах с 4 по 7 соответственно, которым предшествует короткая глава о природе биологических данных (глава 3).

2.3.2. Вычислительные инструменты

В лексиконе этого отчета вычислительные инструменты — это артефакты, обычно реализованные в виде программного обеспечения, но иногда и в виде аппаратных средств, которые позволяют биологам решать очень специфические и точно определенные проблемы. Например, алгоритм поиска генов или база данных геномных последовательностей — это вычислительный инструмент. Как правило, эти инструменты подкрепляют и укрепляют биологические исследования, такие как запись, управление, анализ и представление крайне разнородных биологических данных в огромном количестве. Глава 4 посвящена вычислительным инструментам.

2.3.3. Вычислительные модели

Вычислительные модели применяются к конкретным биологическим явлениям (например, организмам, процессам) и используются для нескольких целей. Они используются для проверки понимания; обеспечить структурную основу, в которую можно последовательно вставить наблюдения и экспериментальные данные; сделать гипотезы более строгими, измеримыми и проверяемыми; чтобы помочь определить ключевые или отсутствующие элементы или важные отношения; помочь интерпретировать экспериментальные данные; обучать или представлять системное поведение; и прогнозировать динамическое поведение сложных систем. Прогностические модели обеспечивают некоторую уверенность в том, что определенные аспекты данной биологической системы или явления понятны, когда их предсказания подтверждаются эмпирически. Глава 5 посвящена вычислительным моделям и имитациям.

2.3.4. Вычислительный взгляд на биологию

Чтобы справиться со сложностью биологических явлений, требуется набор интеллектуальных инструментов, помогающих управлять сложностью и облегчающих понимание перед лицом такой сложности. В последние годы становится все более очевидным, что многие биологические явления можно понимать как выполнение обработки информации в той или иной степени; таким образом, вычислительная перспектива, которая фокусируется на информационных абстракциях и функциональном поведении, потенциально может принести большую пользу в этом начинании. Глава 6 посвящена рассмотрению биологических явлений через призму вычислений.

2.3.5. Киберинфраструктура и сбор данных

Киберинфраструктура для науки и техники — это термин, введенный Национальным научным фондом для обозначения распределенных компьютерных, информационных и коммуникационных технологий и связанных с ними организационных средств для поддержки современных научных и инженерных исследований, проводимых в глобальном масштабе. Киберинфраструктура для наук о жизни все чаще становится механизмом, позволяющим проводить крупномасштабные биологические исследования с интенсивным использованием данных, изначально распределенные между несколькими лабораториями и исследователями по всему миру, что облегчает интеграцию экспериментальных данных, обеспечивает сотрудничество и способствует общению между задействованы различные актеры.

Получение первичных биологических данных — отдельный вопрос. Как отмечалось ранее, биология 21-го века все больше требует больших объемов данных. Таким образом, инструменты, облегчающие получение необходимых типов данных в необходимом количестве, станут еще более важными в будущем. Хотя это далеко не все, достижения в области ИТ и вычислений будут играть ключевую роль в разработке новых технологий сбора данных, которые можно будет использовать по-новому.

Глава 7 посвящена роли киберинфраструктуры и сбора данных для биологии 21-го века.

2.4. ВЫЗОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭПИСТЕМОЛОГИИ

Предстоящая интеграция вычислений в биологические исследования поднимает глубокие эпистемологические вопросы о природе самой биологии. На протяжении многих тысячелетий доктрина, известная как витализм, утверждала, что живое вещество качественно отличается от вещества неживого и, следовательно, что живые организмы состоят из другого вещества, чем неживое, или что существует некая отдельная жизненная сила, оживляющая неживое. материалы, из которых состоит жизнь.

Хотя сегодня это убеждение уже не имеет силы (за исключением разве что плохих научно-фантастических фильмов), вопрос о том, как можно понять биологические явления, до конца не решен. Одна точка зрения основана на представлении о том, что поведение данной системы полностью объясняется поведением компонентов, составляющих эту систему, — точка зрения, известная в философии науки как редукционизм. Противоположная позиция, известная как автономия в философии науки, утверждает, что помимо понимания ее отдельных компонентов, понимание биологической системы должно также включать понимание конкретной архитектуры и расположения компонентов системы и взаимодействия между ними.

Если автономия принимается в качестве руководящего мировоззрения, то введение основы вычислений в ткань биологии создает дополнительные возможности для интеллектуальных исследований. Точно так же, как изобретение микроскопа расширило биологические исследования на новые области и расширило круг вопросов, которые было разумно задавать при проведении биологических исследований, то же самое произойдет и с компьютером. Вычислительные и информационные технологии позволят исследователям-биологам рассмотреть ранее недоступные вопросы, и по мере увеличения возможностей лежащих в их основе информационных технологий такие возможности будут продолжать открываться.

Также возникнут новые эпистемологические вопросы. Например, по мере того как моделирование становится все более распространенным и распространенным в биологии, можно задаться вопросом: эквивалентны ли результаты моделирования выходным данным эксперимента? Могут ли когда-либо биологические знания возникнуть в результате компьютерной симуляции? (Практический пример следующий: по мере того, как крупномасштабные клинические испытания лекарств становятся все более и более дорогими, при каких обстоятельствах и в какой степени моделирование, основанное на подробных геномных и фармакологических знаниях, может заменить крупномасштабное испытание при утверждении лекарственного средства. процесс?) По мере того, как симуляции становятся все более и более изощренными, в них загружается все больше и больше биологических данных, эти вопросы будут становиться все более насущными, и на них будет все труднее дать окончательный ответ.

Сноски

1

H. Kitano, «Системная биология: краткий обзор», Science 295 (5560): 1662-1664, 2002.

2

2

2

2

2

2

2

9019, 2002. происходят в результате конвергентной эволюции, то есть эволюции видов с разным происхождением к сходным формам или характеристикам, а также понимания возможных путей, по которым эволюция может решить определенные проблемы. В качестве альтернативы можно определить принципы, которые могут объяснить функциональное поведение некоторой конкретной биологической системы в широком диапазоне обстоятельств, не обязательно являясь точным отражением того, что происходит внутри системы. Такие принципы могут оказаться полезными с точки зрения возможности манипулировать поведением более крупной системы, в которую встроена меньшая система, хотя они могут оказаться бесполезными для обеспечения подлинного понимания системы, с которой они связаны.

3

Практически все интроны отбрасываются клеткой, но в нескольких случаях было обнаружено, что интрон сам по себе кодирует другой белок.

4

Можно провести значимую аналогию с различием между объектным кодом и исходным кодом в компьютере. Объектный код, состоящий из двоичных цифр, — это то, что работает на компьютере. Исходный код, обычно написанный на языке программирования высокого уровня, компилируется в объектный код, чтобы программа могла работать, но исходный код — и, следовательно, структура и логика программы — гораздо более понятны людям. Исходный код также намного легче изменить.

5

F. Jacob и J. Monod, «Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins», Journal of Molecular Biology 3:318-356, 1961. Коллинз и др., «Видение будущего геномных исследований», Nature 422:835-847, 2003. жизнь», преднамеренная биология, интегративная биология, синтетическая биология, новая биология или даже следующая новая биология, Биология 21, за пределами генома, постгеномная биология, наука с поддержкой генома и индустриальная биология.

8

В философском плане понятие редукционистского объяснения имеет долгую историю в философии науки. Жизнь состоит из материи, а материя управляется законами физики. Таким образом, окончательное редукционистское объяснение предполагает, что жизнь можно объяснить свойствами уравнения Шредингера.

9

В. Гилберт, «К смене парадигмы в биологии», Nature 349(6305):99, 1991.

10

Р. Эберсолд, Л.Э. Худ и Дж. Д. Уоттс, «Оборудование ученых для новой биологии», Nature Biotechnology 18:359, 2000.

11

«Новый подход к расшифровке жизни: системная биология», Annual Review of Genomics and Human Genetics 2:343-372, 2001. Транскриптом — это полная коллекция расшифрованных элементов генома, включая все генетические элементы, кодирующие для белков — все мРНК и все некодирующие РНК, используемые для структурных и регуляторных целей. Протеом — это полная коллекция всех белков, участвующих в определенном пути, органелле, клетке, ткани, органе или организме, которые можно изучать совместно, чтобы получить точные и исчерпывающие данные об этой системе.

12

Консультативный комитет по киберинфраструктуре биологических наук по биологическим наукам, Building a Cyberinfrastructure for the Biological Sciences (CIBIO): 2005 and Beyond: A Roadmap for Consolidation and Exponentiation , июль 2003 г. Доступно по адресу http:/ /research ​.calit2 ​.net/cibio/archived/CIBIO_FINAL.pdf. Это не отрицает того, что исчисление также имеет применение в системной биологии (в основном благодаря его связи с биохимией и термодинамикой), но исчисление не так важно для системной биологии, как для физических наук, и не так важно, как вычислительная техника и информационные технологии. к системной биологии.

13

Число возможных различных геномов из 3 миллиардов пар оснований, при условии наличия только простых мутаций с заменой оснований, равно 4 в 3-миллиардной степени. Это большое число. На самом деле оно настолько велико, что отношение этого числа (большое) к количеству частиц в известной Вселенной (маленькое) намного больше, чем отношение диаметра Вселенной к диаметру атома углерода. Таким образом, исчерпывающее компьютерное моделирование этого пространства состояний эффективно исключается. Даже более податливые пространства состояний, такие как количество различных возможных гаплоидных генотипов человека, по-прежнему дают гигантские числа. Например, если мы предположим, что вся человеческая популяция гетерозиготна всего в 500 участках генома (глубокая недооценка существующего разнообразия), причем каждый участок имеет только два состояния, то число возможных человеческих гаплотипов равно 2 в 500-й степени. , что также превышает количество электронов в известной Вселенной. Эти приблизительные расчеты также показывают, что пространство состояний существующих человеческих генотипов не может существовать в чем-либо, приближающемся к равновесию по сцеплению.

14

Н. Винер, Кибернетика, или управление и связь в животном и машине , 2-е изд., MIT Press, Кембридж, Массачусетс, 1961; L. von Bertalanffy, General Systems Theory: Foundations, Development, Applications , George Braziller, New York, 1968. Эта история была недавно кратко изложена в O. Wolkenhauer, «Systems Biology: The Reincarnation of Systems Theory Applied in Biology?» Брифинги по биоинформатике 2(3):258-270, 2001.

Биология 21-го века – катализатор исследований на стыке вычислительной техники и биологии

Биология, как и любая наука, меняется, когда технологии вводят новые инструменты, которые расширяют область и тип исследования. Некоторые изменения, такие как использование микроскопа, принимаются быстро и легко, потому что они соответствуют существующим ценностям и практикам. Другие, такие как введение многомерной статистики, выполненной компьютерами в 1960-х годах, встречают сопротивление, потому что они идут вразрез с традициями интуиции, визуализации и концепций биологии, которые четко отделяют ее от математики.

В этой главе делается попытка описать проблемы и возможности, созданные введением вычислений в биологические науки. Он делает это, сначала кратко описывая существующие нити биологической культуры и практики, а затем показывая, как различные аспекты вычислительной науки и технологии могут поддерживать, расширять или бросать вызов существующей структуре биологии.

Информатика — лишь одна из многих областей, играющих роль в преобразовании биологии, от передовой химии к новым областям математики. И все же во многих отношениях компьютеры оказались самыми сложными и наиболее преобразующими, поскольку они уходят корнями в традиции дизайна и абстракции, столь отличные от биологии. Однако точно так же, как компьютеры продолжают радикально менять общество в целом, нет сомнений, что они изменят и биологию. Как и много раз раньше, биология изменится с этой новой технологией, примет новые методы, переопределит то, что делает хорошую науку и хорошее обучение, и изменит то, какие исследования важны, ценны или даже возможны.

2.1. КАКАЯ НАУКА?

2.1.1. Корни биологической культуры

Биология — наука с глубокой историей, которую можно связать с изобретением земледелия на самой заре цивилизации и еще раньше с первыми проблесками устной культуры: «Это безопасно есть? ” Как таковая, это широкая область, богатая культурой и традициями, которая охватывает множество нитей наблюдательных, эмпирических и теоретических исследований и охватывает масштабы от отдельных молекул до континентов. Такое широкое поле невозможно описать просто; тем не менее, в этом разделе делается попытка определить ряд основных направлений деятельности и философии биологии.

Во-первых, биология является эмпирической и описательной наукой. Он уходит своими корнями в традицию качественного наблюдения и описания, восходящую, по крайней мере, к Аристотелю. Исследователи-биологи давно стремились каталогизировать характеристики, поведение и вариации отдельных биологических организмов или популяций путем прямого наблюдения за организмами в их среде, а не пытаться определить общие принципы с помощью математического или абстрактного моделирования. По этой причине культура биологии одновременно сильно визуальна и специфична. Идентификация нового вида и адекватное описание его внешнего вида, окружающей среды и жизненного цикла остается важным вкладом в биологические знания.

Показательно сопоставить эту философию с философией современной физики, где зверинец новых субатомных частиц, открытых в 1960-х и 1970-х годах, был источником легкого смущения и дискомфорта для физиков. Только с введением кварков и последующим сокращением числа фундаментальных частиц физики снова почувствовали себя комфортно в состоянии своего поля. Биология, в противоположность этому, не только ценит и принимает огромное разнообразие жизни, но также считает такое разнообразие главным предметом изучения.

Во-вторых, биология — это онтологическая наука, занимающаяся таксономией и классификацией. Со времен Линнея биологи пытались поместить свои наблюдения в более широкую структуру знаний, связывая отдельные виды с установленным периодом жизни. Методология и основа для этого каталога сами по себе являются предметом изучения и споров, поэтому исследовательская деятельность такого типа происходит на двух уровнях: конкретные виды помещаются в древо жизни (или перемещаются более крупные таксоны), все еще публикуемое событие, совершенствуется и сама наука таксономии.

Биология — это историческая наука. Жизнь на Земле, по-видимому, возникла только один раз, и вся жизнь сегодня происходит от этого единственного экземпляра. Полная история жизни на Земле — из какой линии возникла и когда — является одной из великих, хотя, возможно, недостижимых целей биологии. Вместе с этим исследованием, но отдельно, идут вопросы: Как? и почему? Какие силы заставляют виды эволюционировать определенным образом? Существуют ли вековые тенденции в эволюции, например, как это часто утверждается, к возрастанию сложности? Происходит ли эволюция плавно или скачкообразно? Если бы нам пришлось «переиграть ленту» эволюции, возникли бы подобные формы? Как и в случае с таксономией (и тесно связанной с ней), здесь есть два уровня: что именно произошло и какие силы заставляют вещи происходить.

Эти три направления — эмпирические наблюдения за множеством форм жизни, исторические факты эволюции и упорядочивание биологических знаний в всеобъемлющую таксономию жизни — служили для определения основных практик биологии до 1950-х годов и до сих пор во многих отношениях влияют на отношение, обучение, философию и ценности биологических наук. Хотя биология значительно расширилась с появлением молекулярной биологии, эти три направления продолжают оставаться жизненно важными областями биологических исследований и интересов.

Эти три интеллектуальных направления находили отражение в биологических исследованиях, которые на протяжении большей части своей ранней истории носили качественный и описательный характер. Например, эмпирические и онтологические исследователи стремились каталогизировать характеристики, поведение и вариации отдельных биологических организмов или популяций посредством прямого наблюдения за организмами в их среде.

Тем не менее, какими бы важными и ценными ни были эти подходы для биологии, они не предоставили — и не могут предоставить — очень подробной информации об основных механизмах. Однако за последние полвека интеллектуальная перспектива, обеспечиваемая молекулярной биологией и биохимией, послужила основой для огромных скачков вперед.

2.1.2. Молекулярная биология и биохимические основы жизни

За последние 50 лет биохимические подходы к анализу биологических вопросов и общие подходы, теперь известные как молекулярная биология, привели к повышению осведомленности, идентификации и познанию центральной роли определенных механизмов, такие как цифровой код ДНК как механизм, лежащий в основе наследственности, использование аденозинтрифосфата (АТФ) для хранения энергии, общие протоколы передачи сигналов белков и многие консервативные генетические последовательности, некоторые из которых являются общими для таких разных видов, как люди, губки и даже отдельные виды. -клеточные организмы, такие как дрожжи.

Это новое знание формировалось и формировалось изменениями в практике биологии. Два важных направления биологических исследований, существовавшие задолго до появления молекулярной биологии, вышли на передний план во второй половине 20 века. Эти нити были биологическими экспериментами и поиском основной механики жизни.

Биологические эксперименты и сбор данных не новы, но они приобрели новое значение и центральное место в конце 20-го века. Идентификация генов и мутаций на примере экспериментов на Дрозофила стала иконой современной биологической науки, и вместе с этим возник новый акцент на сбор больших объемов количественных данных.

Биологов всегда интересовало, как живут организмы, вопрос, который в конечном счете сводится к самому определению жизни. Большой объем знаний об анатомии, кровообращении, дыхании и метаболизме был накоплен в 18 и 19 веках, но без доступа к инструментам и знаниям в области биохимии и молекулярной биологии был предел тому, что можно было открыть. С помощью молекулярной биологии некоторые из основных механизмов жизни были идентифицированы и проанализированы количественно.

Попытки раскрыть основные химические свойства биологических процессов и установить все аспекты компонентов путем планирования эксперимента будут по-прежнему оставаться основным аспектом фундаментальных биологических исследований, и большая часть современной биологии стремится свести биологические явления к поведение молекул.

Однако исследователи-биологи также все больше интересуются взглядом на системный уровень, в котором могут быть установлены совершенно новые отношения между системными компонентами и процессами. То есть детальное понимание компонентов биологического организма или явления неизбежно приводит к вопросу о том, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом и со средой, в которую погружен организм или явление.

2.1.3. Биологические компоненты и процессы в контексте и биологическая сложность

Существует давняя традиция изучения определенных биологических систем в контексте. Например, экология всегда была сосредоточена на экосистемах. Физиология — еще один пример науки о жизни, которая обычно рассматривает биологические системы как целые объекты. Наука о поведении и систематике животных также рассматривает биологические явления в контексте. Однако сегодня доступны технологии сбора данных, вычислительные инструменты и даже новые интеллектуальные парадигмы, которые обеспечивают значительно большую степень понимания в контексте многих биологических компонентов и процессов, чем это было возможно ранее, и сегодняшняя цель состоит в том, чтобы охватить пространство биологических объектов от генов и белков к сетям и путям, от органелл к клеткам и от отдельных организмов к популяциям и экосистемам.

Следуя Китано, ¹ , системное понимание биологического объекта основано на понимании четырех аспектов: (1) системных структур (например, сетей взаимодействий генов и биохимических путей и их связи с физическими свойствами внутриклеточных и многоклеточных структур). ), (2) динамика системы (например, как система ведет себя с течением времени в различных условиях и механизмы, лежащие в основе определенного поведения), (3) механизмы контроля (например, механизмы, которые систематически контролируют состояние клетки) и (4) принципы проектирования (например, принципы, лежащие в основе построения и эволюции биологических систем, обладающих определенными желательными свойствами). ²

В качестве примера рассмотрим достижения в секвенировании генома. Геномика последовательностей проложила путь для установления «списка частей» живых клеток, но общепризнано, что для перехода от отдельных молекулярных деталей к всестороннему пониманию феноменов от роста клеток до уровня гомеостаза требуется совсем другой подход. В высокоинтерактивных системах живых организмов макромолекулярные, клеточные и физиологические процессы, находящиеся на разных уровнях организационной сложности, имеют как временные, так и пространственные компоненты. Взаимодействия происходят между наборами похожих объектов, таких как два гена, и между разнородными объектами, такими как гены и их окружение.

Ключевым аспектом биологической сложности является роль случая. Одним из наиболее ярких примеров случайности в биологии является эволюция, в которой случайные события влияют на точность генетической передачи от одного поколения к другому. Рука случая видна и в развитии организма — случайные события влияют на многие детали развития, но, как правило, не на общую картину или тенденции. Но, возможно, наиболее ярким проявлением является то, что отдельные биологические организмы — даже такие близкородственные, как родственные клетки — вряд ли будут идентичны из-за стохастических событий, от влияния окружающей среды до теплового шума, которые влияют на процессы на молекулярном уровне. Если это так, никакие две клетки не будут иметь одинаковое содержание макромолекул, а динамическая структура и функция макромолекул в одной клетке никогда не будут такими же, как даже у родственной клетки. Этот факт является одним из самых больших различий между живыми системами и большинством кремниевых устройств или почти любым другим искусственным или созданным человеком артефактом.

Иными словами, цифровой «код жизни», заложенный в ДНК, далеко не прост. Например, биологический «список частей», который в принципе делает доступным геномная последовательность, может быть недоступен на практике, если все части не могут быть идентифицированы из последовательности. Сегменты генома, когда-то считавшиеся эволюционным «мусором», все чаще признаются источником новых типов молекул РНК, которые оказываются главными действующими лицами в клеточном поведении. Кроме того, даже полный список деталей дает гораздо меньше информации о биологической системе, чем о созданном инженерным путем артефакте, потому что человеческие условности для сборки обычно хорошо понятны, тогда как природные условности для сборки — нет.

Вторым примером сложности является то, что один ген может иногда производить многих белков. У эукариот, например, мРНК нельзя использовать в качестве схемы до тех пор, пока специальные ферменты сначала не вырезают интроны, или некодирующие области, и не соединяют вместе экзоны, фрагменты, содержащие полезный код. ³ Однако в некоторых случаях клетка может сплайсировать экзоны по-разному, продуцируя серию белков с добавлением или удалением различных частей, но с одинаковым линейным порядком (они известны как варианты сплайсинга). Процесс, известный как редактирование РНК, может изменить последовательность нуклеотидов в РНК после транскрипции ДНК, но до трансляции в белок, в результате чего получаются другие белки. Отдельный нуклеотид может быть изменен на другой («редактирование заменой»), или нуклеотиды могут быть вставлены или удалены из РНК («редактирование вставкой-удалением»). В некоторых случаях (пусть и редких) клеточный механизм трансляции может вносить еще более радикальные изменения, сдвигая свою «рамку считывания», что означает, что она начинает считывать генетический код из трех пар оснований в точке, смещенной на одно или два основания. пар из оригинала. В результате получится совсем другая последовательность аминокислот и, следовательно, совсем другой белок.

Кроме того, даже после того, как белки произведены на рибосоме, они подвергаются значительной постобработке, когда попадают в различные регуляторные сети. У одних форма и уровень активности могут быть изменены за счет присоединения, например, фосфатной группы, молекулы сахара или любых других придатков, в то время как другие могут объединяться, образуя многобелковую структуру. Короче говоря, знать полную последовательность пар оснований в геноме все равно, что знать полную последовательность 1 s и 0 s, которые составляют компьютерную программу: сама по себе эта информация не обязательно дает представление о том, что делает программа или как она может быть организована в функциональные блоки, такие как подпрограммы. ⁴

Третьим примером биологической сложности является то, что одному гену или одному белку можно присвоить очень мало биологических функций, если они вообще есть. Действительно, уникальная связь между молекулой гемоглобина и функцией транспорта кислорода в кровотоке является скорее исключением, чем правилом. Гораздо чаще встречается ситуация, когда биологическая функция зависит от взаимодействия многих биологических компонентов. Метаболизм клетки, ее реакция на химические и биологические сигналы извне, ее цикл роста и клеточного деления — все эти и многие другие функции обычно выполняются и контролируются сложными сетями взаимодействующих молекул.

Франсуа Жакоб и Жак Моно получили Нобелевскую премию по медицине 1965 года за открытие того, что ДНК содержит регуляторные области, управляющие экспрессией отдельных генов. ⁵ (Они далее подчеркнули важность регуляторной обратной связи и обсудили эти регуляторные процессы, используя язык цепей, что имеет отношение к разделу 5.4.3.3.) С тех пор стало понятно, что белки и другие продукты генома взаимодействуют друг с другом. с самой ДНК (и друг с другом) в регуляторной сети.

Например, молекулы РНК обладают широким спектром возможностей помимо их роли в качестве мессенджеров от ДНК к белку. Некоторые молекулы РНК могут избирательно подавлять или подавлять транскрипцию генов; другие действуют как комбинированный транскрипт гена хеморецептора («рибопереключатель»), который дает начало белку на одном конце молекулы, когда противоположный конец вступает в контакт с соответствующей химической мишенью. В самом деле, может быть даже так, что значительное увеличение числа регуляторных РНК в масштабе эволюционного времени в значительной степени ответственно за увеличение сложности эукариот без значительного увеличения числа кодирующих белок генов. Понимание роли РНК и других эпигенетических явлений, которые приводят к альтернативным состояниям экспрессии генов, молекулярной функции или организации — «системы, [которые] намного сложнее, чем любая проблема, с которой когда-либо сталкивались молекулярная биология, генетика или геномика» ⁶ имеет решающее значение для реализации перспектив геномики.

Четвертый пример биологической сложности иллюстрируется тем фактом, что уровни биологической сложности выходят за пределы сложностей генома и белковых структур через надмолекулярные комплексы и органеллы к клеточным подсистемам и их скоплениям, образуя часто функционально поляризованные клетки, которые вместе вносят свой вклад в форма и функция ткани и, тем самым, свойства организма. Хотя революция последней половины прошлого века в биохимии и молекулярной биологии внесла значительный вклад в наши знания о строительных кирпичиках жизни, мы только начали царапать поверхность насыщенной данными и подобной гордиеву узлу головоломки сложных процессов. и динамические молекулярные взаимодействия, которые приводят к сложному поведению организмов. Короче говоря, мало что известно о том, как сложные физиологические процессы регулируются молекулярными, клеточными и трансклеточными сигнальными системами и сетями. Доступная информация глубока только в ограниченных пространственных или временных областях и скудна в других ключевых областях, таких как средние пространственные масштабы (например, 10 Å-10 мкм), и не существует инструментов, которые бы устанавливали интеллектуальные связи между взаимосвязанными частями научных знаний в разных областях. эти весы.

Таким образом, сложность представляется существенным аспектом биологических явлений. Соответственно, требуется разработка последовательного интеллектуального подхода к биологической сложности для понимания взаимодействий на системном уровне — молекул, генов, клеток, организмов, популяций и даже экосистем. В этой интеллектуальной вселенной как «синтаксис генома» (буквы, слова и грамматика, связанные с кодом ДНК), так и «семантика генома» (то, что код ДНК может выражать и что делать) являются центральными объектами исследования. Во вставке 2.1 описаны некоторые вопросы, которые возникнут в клеточной биологии.

Вставка 2.1

Некоторые вопросы клеточной биологии в 21 веке. В недавно опубликованной программе исследований в постгеномную эпоху Института генома человека Фрэнсис Коллинз и его соавторы неоднократно подчеркивали, как мало биологи понимают в данных (подробнее…)

2.2. К БИОЛОГИИ 21-ГО ВЕКА

Биология 21-го века объединит ряд разнообразных интеллектуальных тем. ⁷ Одной из интеграций является редукционистский и системный подходы. Когда редукционистский подход, ориентированный на компоненты, основан на идентификации составных частей организма и понимании поведения организма с точки зрения поведения этих частей (в пределе, на полной характеристике рассматриваемых биологических явлений на молекулярном уровне). Системная биология стремится понять механизмы живого организма на всех соответствующих уровнях иерархии. ⁸ Эти разные фокусы — фокус на компонентах биологических систем и фокус на взаимодействиях между этими компонентами — дополняют друг друга, и оба будут необходимы для интеллектуального прогресса в будущем.

Биология двадцать первого века объединит множество различных направлений биологических исследований: таксономические исследования многих видов, огромный прогресс в молекулярной генетике, шаги к пониманию молекулярных механизмов жизни и зарождающуюся системную биологию, которая будет рассматривать биологические объекты в отношение к своему большему окружению. Биология двадцать первого века стремится полностью понять механизмы живой клетки и все более сложную клеточную иерархию многоклеточных животных, вплоть до процессов, действующих на уровне организма и даже популяций и экосистем. Однако такое понимание фундаментально зависит от синергии между системным пониманием, как описано выше, и редукционистской традицией.

Биология двадцать первого века также объединяет эмпирическую работу в биологии с вычислительной работой. Эмпирическая работа проводится в лабораторных экспериментах или полевых наблюдениях и приводит как к проверке гипотез, так и к их выработке. Проверка гипотезы опирается на данные, полученные в результате эмпирической работы, чтобы принять или отклонить гипотезу-кандидат. Однако данные, собранные в ходе эмпирической работы, также могут предложить новые гипотезы, ведущие к работе, которая носит исследовательский характер. В биологии 21-го века вычислительная работа предоставляет множество инструментов, которые поддерживают эмпирическую работу, но также позволяет использовать большую часть системной биологии с помощью таких методов, как моделирование, интеллектуальный анализ данных и анализ микрочипов, и, таким образом, лежит в основе создания правдоподобных гипотез-кандидатов, которые должны быть проверены. пройти тестирование. Отметим также, что проверка гипотез имеет отношение как к редукционистской, так и к системной биологии в том смысле, что оба типа биологии формулируются вокруг гипотез (о компонентах или об отношениях между компонентами), которые могут — а могут и не согласовываться — с эмпирическими или экспериментальными результатами.

В этом отношении мнение, высказанное Уолтером Гилбертом в 1991 году, кажется пророческим. Гилберт отмечал, что «в нынешней парадигме [то есть в 1991 г.] атака на проблемы биологии рассматривается как исключительно экспериментальная. «Правильный» подход состоит в том, чтобы идентифицировать ген с помощью какой-либо прямой экспериментальной процедуры, определяемой каким-либо свойством его продукта или иным образом связанной с его фенотипом, клонировать его, секвенировать, производить его продукт и продолжать экспериментальную работу так, чтобы искать понимание его функции». Затем он утверждал, что «новая парадигма [для биологических исследований], возникающая сейчас [т.е. в 1991], заключается в том, что все гены будут известны (в том смысле, что они находятся в базах данных, доступных в электронном виде), и что отправная точка биологического исследования будет теоретической. Отдельный ученый начнет с теоретической гипотезы и только затем обратится к эксперименту, чтобы проследить или проверить эту гипотезу. Фактическая биология по-прежнему будет «малой наукой» — в зависимости от индивидуального понимания и вдохновения для получения новых знаний, но реагенты, которые использует ученый, будут включать знание первичной последовательности организма вместе со списком всех предыдущих выводы из этой последовательности». ⁹

Наконец, биология 21 века охватывает то, что часто называют наукой открытий. Наука открытий была описана как «перечисление элементов системы независимо от каких-либо гипотез о том, как система функционирует», и ее примером являются проекты секвенирования генома различных организмов. ¹⁰ Вторым примером научных открытий является попытка определить транскриптомы и протеомы отдельных типов клеток (например, количественные измерения всех видов мРНК и белков). ¹¹ Такие усилия можно охарактеризовать как предоставление строительных блоков или исходных материалов, из которых могут быть сформулированы гипотезы — метафорически слова биологического «языка» для выражения гипотез. Тем не менее, даже здесь проект «Геном человека», хотя и беспрецедентный по своим масштабам, удобно вписывается в давнюю традицию все более точного описания и каталогизации биологических данных.

В общем, биология 21-го века повлечет за собой широкий спектр исследований, от лабораторных работ, проводимых отдельными главными исследователями, до проектов в масштабе генома человека, которые генерируют большие объемы первичных данных, до «мезонауки» между этим включает в себя аналитическую или синтетическую работу, проводимую несколькими сотрудничающими лабораториями. По большей части эти новые исследовательские стратегии, включающие научные открытия и аналитическую работу, будут дополнять, а не заменять традиционную, относительно небольшую лабораторию, сосредоточенную на взаимодополняющих эмпирических и экспериментальных методах.

Большие вопросы, такие как вопросы о происхождении жизни, истории эволюции, архитектуре мозга и взаимодействии живых существ друг с другом в популяциях и экосистемах, находятся в центре внимания биологии 21-го века, и приложения здравоохранения, сельского хозяйства и промышленности не менее амбициозны. Например, биология 21-го века может позволить идентифицировать людей, у которых может развиться рак, болезнь Альцгеймера или другие заболевания, или которые будут реагировать или иметь побочный эффект от лечения определенного заболевания. Фармацевтические компании вкладывают значительные средства в транскриптомику для поиска вероятных мишеней для лекарств. Передовые компании хотят выращивать более питательные растения и животных, использовать клеточные механизмы для производства материалов и лекарств, а также создавать интерфейсы для взаимодействия с мозгом, чтобы корректировать нарушенные способности или развивать улучшенные способности. Агентства, заинтересованные в борьбе с биотерроризмом, хотят иметь возможность быстро определять происхождение и происхождение вспышек патогенов, а хранители природных систем хотели бы делать более точные прогнозы о воздействии интродуцированных видов или глобальных изменений.

2.3. РОЛИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В БИОЛОГИИ

Для управления биологическими данными биология 21-го века объединит научные открытия, системную биологию и эмпирическую традицию биологической науки и обеспечит количественную основу, в рамках которой результаты усилий в каждой из этих областей могут быть помещенным. Ожидается, что доступность больших объемов биологических данных позволит решать биологические вопросы в глобальном масштабе, например, изучать поведение всех генов в геноме, всех белков, продуцируемых клетками, или всех созданных метаболитов. в конкретных условиях окружающей среды. Однако дать ответы на биологические вопросы путем раскрытия необработанных данных — это не то же самое, что ответить на эти вопросы — данные должны быть проанализированы и использованы интеллектуально значимыми и значимыми способами.

2.3.1. Биология как информационная наука

Характер биологии 21 века, связанный с интенсивным использованием данных, лежит в основе зависимости биологии от информационных технологий (ИТ). Например, еще в 1990 году было признано, что ИТ будут играть центральную роль в Международном консорциуме по геному человека для хранения и поиска данных о последовательностях биологических генов — записи сигналов, хранения данных о последовательностях, обработки изображений флуоресцентных следов, характерных для каждого база и так далее. Кроме того, по мере развития биологии в 21 веке становится ясно, что скорость производства биологических данных не уменьшится. Возможности сбора данных появятся в большинстве или во всех дисциплинах и областях наук о жизни, и ученым-биологам придется справляться с грядущим потоком очень многомерных, в значительной степени не поддающихся обработке данных, включая изображения с высоким разрешением и данные временных рядов сложных динамических процессов.

Тем не менее, помимо вопросов управления данными, какими бы важными и сложными они ни были, также стало ясно, что компьютерные и информационные технологии будут играть решающую роль в идентификации значимых структур и паттернов в геноме (например, генах, элементах генетической регуляции), в понимании взаимосвязей между различными геномными элементами и в раскрытии функциональной биологической информации о генах, белках и их взаимодействиях. Этот акцент на информации — на получении, обработке, структурировании и представлении информации — ставит геномные исследования прямо в область вычислений и информатики.

Конечно, геномные исследования — это не вся современная биология. Для наук о жизни, начиная от экологии, ботаники, зоологии и биологии развития и заканчивая клеточной и молекулярной биологией, которые можно охарактеризовать как науки с разнообразными типами данных и высокой степенью разнородности и иерархии данных, ИТ необходимы для сбора ключевой информации и систематизации. биологические данные методичным образом, чтобы сделать значимые наблюдения. Огромная вычислительная мощность, новые подходы к моделированию, новые алгоритмы и математические или статистические методы, а также систематические инженерные подходы предоставят биологам жизненно важные и важные инструменты для управления разнородностью и объемом данных и для извлечения смысла из этих данных.

В конечном счете, чем исчисление является для языка физических наук, вычисления и информация будут теми же для языка биологии 21-го века или, по крайней мере, для ее системной биологии. ¹² Биологические процессы, деятельность живых организмов включают использование, сохранение, распространение, трансформацию или трансдукцию, репликацию и передачу информации из поколения в поколение. Биологические системы характеризуются индивидуальностью, случайностью, историчностью и высокой цифровой информативностью — каждое живое существо уникально. Кроме того, уникальность и историческая случайность жизни означают, что для задач в масштабе населения потенциальное пространство состояний, которое фактически населяет население, огромно. ¹³ В качестве информационных наук науки о жизни используют вычисления и информационные технологии в качестве языка и среды для управления дискретной, асимметричной, в значительной степени нередуцируемой, уникальной природой биологических систем и наблюдений.

В приведенных выше словах те, кто даже поверхностно знаком с историей биологии, узнают намеки на то, что когда-то называлось теоретической биологией или математической биологией, что раньше означало модели и компьютерные симуляции, основанные на таких модных в то время идеях, как кибернетика и общая биология. теория систем. ¹⁴ Первоначальный всплеск энтузиазма довольно быстро угас, поскольку стало ясно, что имеющихся экспериментальных данных недостаточно, чтобы математические абстракции были привязаны к реальности. Действительно, надежные модели невозможны, когда отсутствуют многие или большинство количественных значений. Более того, опыт того времени показал, что биологические системы гораздо сложнее и внутренне взаимосвязаны, чем предполагалось, — факт, который в значительной степени объясняет, почему модели той эпохи не были очень успешными в продуктивной генерации гипотез и исследованиях.

Сегодня история совершенно другая. Технологии сбора данных с высокой пропускной способностью (которые сами стали возможными и реализованными благодаря сегодняшним информационным технологиям) превращают скудость данных в их поток, о чем свидетельствует использование этих технологий для секвенирования многих эукариотических организмов. Это не означает, что больше данных не требуется, просто получение необходимых данных теперь кажется возможным в разумные сроки.

То же самое относится и к информационным технологиям, лежащим в основе биологии 21 века. В прошлом, даже если бы данные были доступны, доступных тогда ИТ было бы недостаточно, чтобы разобраться в этих данных. Но сегодняшние информационные технологии намного мощнее и обещают многообещающие возможности управления данными и аналитические возможности, которые необходимы для системного подхода. Более того, информационная технология как базовая среда имеет то преимущество, что со временем она становится все более функциональной с экспоненциальной скоростью. По мере того, как информационная технология становится все более функциональной, биологические приложения будут иметь все более мощную технологическую основу, на которую можно опереться.

Короче говоря, внедрение компьютеров в биологию изменило и продолжает изменять практику биологии. Самый простой, хотя и часто интеллектуально сложный, способ включает в себя компьютерные инструменты, с помощью которых можно собирать, хранить, обрабатывать и интерпретировать огромные объемы биологических данных. Но вычисления (при разумном использовании и в сочетании с инструментами математики и физики) также предоставят биологам альтернативный и, возможно, более подходящий язык и набор абстракций для создания моделей и представления данных о взаимодействиях более высокого порядка, описания биологических явлений и концептуализация некоторых характеристик биологических систем.

Наконец, следует отметить, что хотя компьютерные и информационные технологии будут становиться все более важной частью исследований в области наук о жизни, исследователи в различных разделах биологии, вероятно, по-разному понимают роль вычислений. Например, исследователи в области молекулярной биологии или биофизики могут сосредоточиться на способности вычислений делать более точные количественные прогнозы поведения ферментов, в то время как исследователи в области экологии могут быть более заинтересованы в использовании вычислений для изучения взаимосвязей между поведением экосистемы и возмущениями окружающей среды. Окружающая среда. Эти перспективы станут особенно очевидными в главах настоящего отчета, посвященных влиянию вычислительной техники и информационных технологий на биологию (см. главу 4 об инструментах и ​​главу 5 о моделях).

В этом отчете проводится различие между вычислительными инструментами, вычислительными моделями, информационными абстракциями и вычислительной точки зрения на биологию, а также киберинфраструктурой и технологиями сбора данных. Каждый из них обсуждается в главах с 4 по 7 соответственно, которым предшествует короткая глава о природе биологических данных (глава 3).

2.3.2. Вычислительные инструменты

В лексиконе этого отчета вычислительные инструменты — это артефакты, обычно реализованные в виде программного обеспечения, но иногда и в виде аппаратных средств, которые позволяют биологам решать очень специфические и точно определенные проблемы. Например, алгоритм поиска генов или база данных геномных последовательностей — это вычислительный инструмент. Как правило, эти инструменты подкрепляют и укрепляют биологические исследования, такие как запись, управление, анализ и представление крайне разнородных биологических данных в огромном количестве. Глава 4 посвящена вычислительным инструментам.

2.3.3. Вычислительные модели

Вычислительные модели применяются к конкретным биологическим явлениям (например, организмам, процессам) и используются для нескольких целей. Они используются для проверки понимания; обеспечить структурную основу, в которую можно последовательно вставить наблюдения и экспериментальные данные; сделать гипотезы более строгими, измеримыми и проверяемыми; чтобы помочь определить ключевые или отсутствующие элементы или важные отношения; помочь интерпретировать экспериментальные данные; обучать или представлять системное поведение; и прогнозировать динамическое поведение сложных систем. Прогностические модели обеспечивают некоторую уверенность в том, что определенные аспекты данной биологической системы или явления понятны, когда их предсказания подтверждаются эмпирически. Глава 5 посвящена вычислительным моделям и имитациям.

2.3.4. Вычислительный взгляд на биологию

Чтобы справиться со сложностью биологических явлений, требуется набор интеллектуальных инструментов, помогающих управлять сложностью и облегчающих понимание перед лицом такой сложности. В последние годы становится все более очевидным, что многие биологические явления можно понимать как выполнение обработки информации в той или иной степени; таким образом, вычислительная перспектива, которая фокусируется на информационных абстракциях и функциональном поведении, потенциально может принести большую пользу в этом начинании. Глава 6 посвящена рассмотрению биологических явлений через призму вычислений.

2.3.5. Киберинфраструктура и сбор данных

Киберинфраструктура для науки и техники — это термин, введенный Национальным научным фондом для обозначения распределенных компьютерных, информационных и коммуникационных технологий и связанных с ними организационных средств для поддержки современных научных и инженерных исследований, проводимых в глобальном масштабе. Киберинфраструктура для наук о жизни все чаще становится механизмом, позволяющим проводить крупномасштабные биологические исследования с интенсивным использованием данных, изначально распределенные между несколькими лабораториями и исследователями по всему миру, что облегчает интеграцию экспериментальных данных, обеспечивает сотрудничество и способствует общению между задействованы различные актеры.

Получение первичных биологических данных — отдельный вопрос. Как отмечалось ранее, биология 21-го века все больше требует больших объемов данных. Таким образом, инструменты, облегчающие получение необходимых типов данных в необходимом количестве, станут еще более важными в будущем. Хотя это далеко не все, достижения в области ИТ и вычислений будут играть ключевую роль в разработке новых технологий сбора данных, которые можно будет использовать по-новому.

Глава 7 посвящена роли киберинфраструктуры и сбора данных для биологии 21-го века.

2.4. ВЫЗОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭПИСТЕМОЛОГИИ

Предстоящая интеграция вычислений в биологические исследования поднимает глубокие эпистемологические вопросы о природе самой биологии. На протяжении многих тысячелетий доктрина, известная как витализм, утверждала, что живое вещество качественно отличается от вещества неживого и, следовательно, что живые организмы состоят из другого вещества, чем неживое, или что существует некая отдельная жизненная сила, оживляющая неживое. материалы, из которых состоит жизнь.

Хотя сегодня это убеждение уже не имеет силы (за исключением разве что плохих научно-фантастических фильмов), вопрос о том, как можно понять биологические явления, до конца не решен. Одна точка зрения основана на представлении о том, что поведение данной системы полностью объясняется поведением компонентов, составляющих эту систему, — точка зрения, известная в философии науки как редукционизм. Противоположная позиция, известная как автономия в философии науки, утверждает, что помимо понимания ее отдельных компонентов, понимание биологической системы должно также включать понимание конкретной архитектуры и расположения компонентов системы и взаимодействия между ними.

Если автономия принимается в качестве руководящего мировоззрения, то введение основы вычислений в ткань биологии создает дополнительные возможности для интеллектуальных исследований. Точно так же, как изобретение микроскопа расширило биологические исследования на новые области и расширило круг вопросов, которые было разумно задавать при проведении биологических исследований, то же самое произойдет и с компьютером. Вычислительные и информационные технологии позволят исследователям-биологам рассмотреть ранее недоступные вопросы, и по мере увеличения возможностей лежащих в их основе информационных технологий такие возможности будут продолжать открываться.

Также возникнут новые эпистемологические вопросы. Например, по мере того как моделирование становится все более распространенным и распространенным в биологии, можно задаться вопросом: эквивалентны ли результаты моделирования выходным данным эксперимента? Могут ли когда-либо биологические знания возникнуть в результате компьютерной симуляции? (Практический пример следующий: по мере того, как крупномасштабные клинические испытания лекарств становятся все более и более дорогими, при каких обстоятельствах и в какой степени моделирование, основанное на подробных геномных и фармакологических знаниях, может заменить крупномасштабное испытание при утверждении лекарственного средства. процесс?) По мере того, как симуляции становятся все более и более изощренными, в них загружается все больше и больше биологических данных, эти вопросы будут становиться все более насущными, и на них будет все труднее дать окончательный ответ.

Сноски

1

H. Kitano, «Системная биология: краткий обзор», Science 295 (5560): 1662-1664, 2002.

2

2

2

2

2

2

2

9019, 2002. происходят в результате конвергентной эволюции, то есть эволюции видов с разным происхождением к сходным формам или характеристикам, а также понимания возможных путей, по которым эволюция может решить определенные проблемы. В качестве альтернативы можно определить принципы, которые могут объяснить функциональное поведение некоторой конкретной биологической системы в широком диапазоне обстоятельств, не обязательно являясь точным отражением того, что происходит внутри системы. Такие принципы могут оказаться полезными с точки зрения возможности манипулировать поведением более крупной системы, в которую встроена меньшая система, хотя они могут оказаться бесполезными для обеспечения подлинного понимания системы, с которой они связаны.

3

Практически все интроны отбрасываются клеткой, но в нескольких случаях было обнаружено, что интрон сам по себе кодирует другой белок.

4

Можно провести значимую аналогию с различием между объектным кодом и исходным кодом в компьютере. Объектный код, состоящий из двоичных цифр, — это то, что работает на компьютере. Исходный код, обычно написанный на языке программирования высокого уровня, компилируется в объектный код, чтобы программа могла работать, но исходный код — и, следовательно, структура и логика программы — гораздо более понятны людям. Исходный код также намного легче изменить.

5

F. Jacob и J. Monod, «Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins», Journal of Molecular Biology 3:318-356, 1961. Коллинз и др., «Видение будущего геномных исследований», Nature 422:835-847, 2003. жизнь», преднамеренная биология, интегративная биология, синтетическая биология, новая биология или даже следующая новая биология, Биология 21, за пределами генома, постгеномная биология, наука с поддержкой генома и индустриальная биология.

8

В философском плане понятие редукционистского объяснения имеет долгую историю в философии науки. Жизнь состоит из материи, а материя управляется законами физики. Таким образом, окончательное редукционистское объяснение предполагает, что жизнь можно объяснить свойствами уравнения Шредингера.

9

В. Гилберт, «К смене парадигмы в биологии», Nature 349(6305):99, 1991.

10

Р. Эберсолд, Л.Э. Худ и Дж. Д. Уоттс, «Оборудование ученых для новой биологии», Nature Biotechnology 18:359, 2000.

11

«Новый подход к расшифровке жизни: системная биология», Annual Review of Genomics and Human Genetics 2:343-372, 2001. Транскриптом — это полная коллекция расшифрованных элементов генома, включая все генетические элементы, кодирующие для белков — все мРНК и все некодирующие РНК, используемые для структурных и регуляторных целей. Протеом — это полная коллекция всех белков, участвующих в определенном пути, органелле, клетке, ткани, органе или организме, которые можно изучать совместно, чтобы получить точные и исчерпывающие данные об этой системе.

12

Консультативный комитет по киберинфраструктуре биологических наук по биологическим наукам, Building a Cyberinfrastructure for the Biological Sciences (CIBIO): 2005 and Beyond: A Roadmap for Consolidation and Exponentiation , июль 2003 г. Доступно по адресу http:/ /research ​.calit2 ​.net/cibio/archived/CIBIO_FINAL.pdf. Это не отрицает того, что исчисление также имеет применение в системной биологии (в основном благодаря его связи с биохимией и термодинамикой), но исчисление не так важно для системной биологии, как для физических наук, и не так важно, как вычислительная техника и информационные технологии. к системной биологии.

13

Число возможных различных геномов из 3 миллиардов пар оснований, при условии наличия только простых мутаций с заменой оснований, равно 4 в 3-миллиардной степени. Это большое число. На самом деле оно настолько велико, что отношение этого числа (большое) к количеству частиц в известной Вселенной (маленькое) намного больше, чем отношение диаметра Вселенной к диаметру атома углерода. Таким образом, исчерпывающее компьютерное моделирование этого пространства состояний эффективно исключается. Даже более податливые пространства состояний, такие как количество различных возможных гаплоидных генотипов человека, по-прежнему дают гигантские числа. Например, если мы предположим, что вся человеческая популяция гетерозиготна всего в 500 участках генома (глубокая недооценка существующего разнообразия), причем каждый участок имеет только два состояния, то число возможных человеческих гаплотипов равно 2 в 500-й степени. , что также превышает количество электронов в известной Вселенной. Эти приблизительные расчеты также показывают, что пространство состояний существующих человеческих генотипов не может существовать в чем-либо, приближающемся к равновесию по сцеплению.

14

Н. Винер, Кибернетика, или управление и связь в животном и машине , 2-е изд., MIT Press, Кембридж, Массачусетс, 1961; L. von Bertalanffy, General Systems Theory: Foundations, Development, Applications , George Braziller, New York, 1968. Эта история была недавно кратко изложена в O. Wolkenhauer, «Systems Biology: The Reincarnation of Systems Theory Applied in Biology?» Брифинги по биоинформатике 2(3):258-270, 2001.

Умы эпохи Возрождения в науке 21 века | Биология генома

• Редакция
• Открытый доступ
• Опубликовано: 13 марта 2020 г.

• Итай Янаи ¹ и
• Мартин Лерхер ²  

Биология генома
том 21 , Номер статьи: 67 (2020)
Процитировать эту статью

• 6118 доступов

• 7 цитирований

• 62 Альтметрика

• Сведения о показателях

Метод проверки гипотез в науке, который Франсуа Жакоб назвал «дневной наукой», действует в рамках конкретной научной области. Как узкоспециализированные эксперты, мы уверенно и безопасно следуем протоколам наших парадигм и исследовательских программ [1, 2]. Но есть и другая сторона науки, которую Джейкоб назвал «ночной наукой»: гораздо менее структурированный процесс, посредством которого возникают новые идеи и генерируются вопросы и гипотезы [3, 4]. В то время как дневная наука разделена на части, ночная наука действительно междисциплинарна. Вы можете принести ответ из своей родной области в другую дисциплину, или, наоборот, рискнув в другой области, вы можете найти путь к ответу на исследовательский вопрос в вашей основной дисциплине. Чтобы быть максимально творческими, нам лучше всего развивать интересы во многих областях, как мыслители эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи или Галилео Галилей. Но эта междисциплинарность, способствующая творчеству, имеет свою цену, которую мы можем назвать «дилеммой эксперта»: с потерей вами статуса узкоспециализированного эксперта вы теряете доверие, что затрудняет признание вашей работы коллегами. Чтобы решить эту дилемму, мы должны найти собственный баланс между дисциплинарным дневным научным опытом и междисциплинарным ночным научным творчеством.

Возвращение домой

Всего через 3 года после выхода на сцену Боб Дилан уже был легендой фолк-музыки. Его песни протеста были саундтреком к антивоенному движению, которое поставило под сомнение военное участие Америки во Вьетнаме. Лирика Дилана, в частности, привлекала людей; в конце концов, вы не получаете Нобелевскую премию по литературе за свою музыку [5]. Но затем, в марте 1965 года, Дилан вызвал споры своим пятым альбомом «Возвращение всего домой». У альбома была одна сторона с более мгновенными классическими народными песнями, такими как «Mr. Тамбуриновый человек». Но с другой стороны альбома Дилан выпрыгнул прямо из фолк-жанра. Если раньше его пение сопровождалось только акустической гитарой и губной гармошкой, то это были рок-песни, обрамленные барабанами, электрогитарами и электробасом. Это «подключение» вызвало споры со стороны его поклонников и критиков. Многие из его самых больших поклонников в фолк-тусовке ненавидели это.

Современная наука, вероятно, еще более категорично структурирована, чем музыка, и в ней дисциплины вместо жанров. Подобно тому, как многие поклонники фолк-музыки считали, что Дилан должен был оставаться в фолке, ученые, как правило, должны сосредоточить свою карьеру на одной из областей своей дисциплины. Если вы занимаетесь биологией генома, ваша группа, скорее всего, является подразделением кафедры биологии Школы естественных наук. Такие ограниченные игровые поля будут определять почти все в нашей профессиональной жизни: специализированные конференции, которые мы посещаем, тематические журналы, в которых мы публикуемся, учебные секции, которые мы выбираем в нашем финансирующем агентстве, курсы, которые мы преподаем, и отделы, в которые нас нанимают. 6].

Есть хороший пример того, почему тесно связанные дисциплины способствуют научному прогрессу. Прежде всего, его структура делает дневную науку более эффективной. Сообщество, разделяющее общие установленные знания, может двигаться вперед к новым знаниям. Когда ваша статья рецензируется для журнала или представлена ​​на конференции, полезно, если вы можете положиться на основной набор устоявшихся идей, чтобы вы могли сосредоточиться на новых аспектах. Но если преимущества структурированных дисциплин заставляют вас думать, что следующая большая идея в вашей области придет только изнутри этой области, вы можете ошибаться.

Ночная наука междисциплинарна

Для Боба Дилана ощущение определенного жанра — будь то кантри, рок или блюз — вдохновляло его идеи, которые искали выражение за пределами границ. Именно безрассудство и изменчивость рока позволили ему выразить неохотный гимн «Like a Rolling Stone», а кантри-среда позволила «Lay Lady Lay». Границы определенного жанра ограничили бы возможности написания песен Дилана. Возможно, Дилан пишет и исполняет свои лучшие произведения именно потому, что он способен преодолевать ограничения определенных музыкальных стилей. Таким образом, Дилан — яркий пример «ума эпохи Возрождения», но явление это общее: у музыки есть жанры, но сами музыканты могут быть наиболее творческими, когда они исследуют всю сферу возможностей в пределах своей досягаемости.

Точно так же границы между научными областями и дисциплинами не являются естественными границами; на самом деле нет никаких границ. Дисциплины, области и подполя — это лишь один из способов кластеризации знаний и методологии на все более мелких уровнях, но эта кластеризация не уникальна, и для кластеров нет даже очевидного критерия оптимальности. Многие границы могут просто отражать способ исторического развития области. Работа в рамках поля может помочь нам структурировать понимание и идеи, но — подобно фиксации музыканта на определенном жанре — границы могут препятствовать нашему творчеству и ограничивать наше продвижение в определенных направлениях. В наши самые творческие ночные научные моменты, когда мы придумываем потенциальные решения проблем и придумываем гипотезы, когда нам нужно установить новые и неожиданные связи, нам лучше, если наш разум свободен для выхода за пределы областей и дисциплин. В конце концов, если бы не было коробок, нам не пришлось бы мыслить вне их. Такой тип мышления также можно назвать горизонтальным [7] или латеральным мышлением [8].

Чтобы выйти за границы области, очень полезно иметь представление о нескольких дисциплинах, будь то в одиночку или в команде, так как это дает больше возможностей для установления связей. В современной научной практике междисциплинарный аспект часто трактуется как сотрудничество между учеными, работающими бок о бок в разных дисциплинах. Но настоящая междисциплинарность — даже в рамках сотрудничества — требует, чтобы мы думали в разных областях. В какой-то момент кому-то в команде понадобится эта идея, и этот кто-то, скорее всего, будет иметь доступ к нескольким полям. Таким образом, в то время как рамки науки являются дисциплинарными, творчество ученого выигрывает от междисциплинарности. Это может объяснить, почему так много выдающихся биологов изначально получили образование в другой области: достаточно вспомнить Макса Дельбрюка, Мэри-Клер Кинг или Фрэнсиса Крика. Но есть также важная роль для больших и разнообразных команд: если более разнообразные способы мышления, более разнообразные идеи объединяются у фонтана, они создают благодатную почву для установления связей через границы — современное рабочее место, заменяющее традиционное кафе, где традиционно встречались творческие люди для обмена идеями [9].

Значительное меньшинство ученых чувствует себя комфортно вдали от своей первоначальной области знаний. Они могут специализироваться на определенном подходе и быть привлечены к новой области, потому что она генерирует захватывающие новые данные, к которым можно применить их подход, или они могут сначала коснуться чужой области как побочного аспекта в одном из своих исследовательских проектов, а затем почувствовать притяжение. внутрь. Многие такие ученые становятся «кочевниками», меняя сферу деятельности каждые несколько лет в течение своей карьеры. Одним из истинных умов эпохи Возрождения, который часто прыгал между областями математики, был Пауль Эрдёш. Легенда гласит, что большую часть своей жизни он путешествовал от сотрудника к сотруднику, оставаясь в доме сотрудника, пока работа не была завершена, а затем спрашивая, с кем ему следует работать дальше [10]. Вместе с каждым новым сотрудником он выявлял проблему, которая больше всего интересовала их обоих. К концу своей жизни он написал рукописи в соавторстве с таким количеством других математиков, что стало модным указывать свое «число Эрдёша» — степень отделения, которую вы имеете от него по соавторству (научный эквивалент « шесть степеней Кевина Бэкона» и, вероятно, его происхождение). У Эрдёша была крылатая фраза, которую он произносил, когда его следующий соратник впервые открывал дверь, — прекрасное обобщение отношения разума эпохи Возрождения: «Мой мозг открыт».

Дилемма эксперта

Действительно ли усиление междисциплинарности приводит к большему пониманию? Мета-исследование — исследование исследований — исследовало это с использованием библиометрических подходов: влияние статьи можно приблизительно оценить по количеству цитирований, которые она получает, а ее междисциплинарность отражается в разнообразии работ, на которые она ссылается. Результаты противоречивы. Некоторые исследования показали, что добавление областей исследования к работе было связано с увеличением воздействия, в то время как другие исследования показали, что большая междисциплинарность не обязательно лучше [11,12,13,14,15,16]. Более глубокое изучение связи между влиянием и междисциплинарностью выявило ее преимущества, но также и издержки. Особенно полезным является различие между различными формами междисциплинарности. Выявлена ​​положительная корреляция между воздействием и дисперсией эталонных полей; однако, если разные поля в ссылках были слишком сбалансированы или если поля были слишком удалены друг от друга, вместо этого это было связано с меньшим количеством цитирований [15]. Таким образом, ночные научные исследования могут быть наиболее плодотворными, если они исследуют соседние возможные [9].] — неоткрытое знание, которое все еще находится в пределах досягаемости данной дисциплины, даже если нам придется выйти за искусственные границы поля. Однако рассмотрение этих отношений с точки зрения отдельных ученых раскрывает непростую истину: те, кто занимается междисциплинарными исследованиями, как правило, менее продуктивны, чем эксперты [17]. По крайней мере частично, это может быть отражением трудностей, связанных с публикацией междисциплинарной работы.

Такое мета-исследование количественно оценило то, что многие из нас испытали на собственном опыте: противоречие между дисциплинарными и междисциплинарными аспектами науки. Поскольку мы знаем больше о других областях, наше творчество может двигаться дальше и в других направлениях. Это расширяет возможности нашей ночной науки. Но, с другой стороны, междисциплинарному ученому, скорее всего, не хватает некоторых глубоких знаний, ожидаемых от экспертов в его или ее основной области, и многие коллеги увидят в этом указание на то, что этому человеку нельзя доверять. Есть несколько эрудитов, настоящих экспертов во многих областях, но для большинства из нас существенные знания во второй области могут быть получены только за счет снижения знаний в нашей основной области. Это то, что мы называем «дилеммой эксперта»: чем более междисциплинарным вы становитесь, тем меньше доверия к вам со стороны коллег (рис.  1). Таким образом, хотя у междисциплинарного специалиста может быть хорошая идея, она может быть отклонена, потому что он или она не знает всех тонкостей этой области, и когда пришло время для оценки работы грантовой группой или редактором журнала. , зачем относиться к этому серьезно? Таким образом, хотя ученые восхваляют междисциплинарность, на самом деле работа в междисциплинарной манере может быть профессиональной ответственностью. Междисциплинарность, безусловно, способствует нашему творчеству в ночной науке, но в то же время может задушить нашу дневную карьеру.

Рис. 1

Дилемма эксперта. Повышение способности ученого к творческому междисциплинарному мышлению почти неизбежно связано с потерей опыта и, следовательно, доверия в своей родной области, что снижает приемлемость работы для коллег

Полноразмерное изображение

В ответ на дилемму эксперта, разные ученые заняли разные позиции в этом спектре. Некоторые ученые чувствуют себя комфортно, работая на левом краю графика, как узкоспециализированные специалисты в определенной области. Они потратят много лет, а часто и десятилетий, чтобы прийти к глубокому пониманию той или иной системы. Открытие молекулярного пути запрограммированной гибели клеток [18] и деградации белков [19] является примером этой стратегии. И, конечно же, всегда есть Эрдё в мире, которые постоянно меняют поля — настоящие научные кочевники. Но, как всегда, золотая середина может обеспечить наилучший компромисс и может стать ответом на дилемму эксперта.

Бизнес по импорту/экспорту идей

Междисциплинарное творчество – улица с двусторонним движением. Вы можете понять, что концепция или методология, или, может быть, даже просто аналогия из другой области могут помочь в разработке ответа на вопрос в вашей родной области. И наоборот, концепция или методология из вашей родной области может помочь ответить на открытый вопрос в другой области; связь, которую вы обнаружите, может даже привести к новому вопросу в этой области. В таблице 1 перечислены несколько примеров в обоих направлениях. Во всех этих примерах обнаруженная связь между областями не была очевидной и не могла быть установлена ​​путем мышления исключительно в рамках одной дисциплины. Скорее, творческий акт поиска связи стал возможен благодаря междисциплинарному мышлению ученого.

Таблица 1 Примеры импорта и экспорта идей из разных областей науки

Полноразмерная таблица

Классический пример импорта идей из другой области — применение теории естественного отбора в области рака. Вильгельм Ру, немецкий зоолог, родившийся в 1850 году, наиболее известен своей новаторской работой в области экспериментальной эмбриологии и созданием первой культуры тканей. Но помимо основной работы по эмбриологии, Ру был очарован книгами Чарльза Дарвина о роли естественного отбора в эволюции видов. В момент, который можно считать лишь великим событием ночной науки, Ру осознал, что естественный отбор является настолько общим принципом, что его следует применять и к конкуренции между клетками внутри тела. Ру опубликовал свои идеи в своей книге 1881 года 9.0015 Борьба частей в организме ; большая часть его более поздней науки была посвящена проверке общих идей, впервые изложенных в книге [33]. Потребовалось более ста лет, чтобы усвоить эту идею основным направлениям исследований рака, но по мере того, как мы продвигаемся дальше в двадцать первый век, немногие исследователи рака сомневаются в том, что распространение раковых клеток регулируется взаимодействием между мутацией и отбором. Принципы естественного отбора применялись и за пределами биологии. Еще в 1873 году журнал Harper’s New Monthly Magazine писал: «По принципу, который Дарвин описывает как естественный отбор, короткие слова получают преимущество перед длинными […] и местные идиомы повсюду находятся в невыгодном положении» — происхождение идея мемов [32], идеи, которые распространяются путем манипулирования человеческим мозгом.

После того как идея возникла в одной области, она может оказаться настолько широко применимой, что приведет людей из этой области знаний к разным областям — см. правую часть Таблицы 1. Хорошим примером является применение набора сетевых анализов. по дисциплинам под руководством Альберта-Ласло Барабаши. В 1999 году Барабаси и его тогдашний аспирант Река Альберт сообщили, что многие сети — Интернет, шаблоны цитирования в науке или график сотрудничества киноактеров — имеют специфическое общее свойство. Эти сети «свободны от масштаба»: на любом уровне увеличения они содержат несколько чрезвычайно популярных узлов с множеством соединений, в то время как большинство других узлов имеют только одно соединение [34]. В поисках средств для финансирования этой работы Барабаси исследовал различные призвания, выходящие далеко за рамки тех областей, в которых он когда-либо работал. В своей книге Linked [21], он описывает звонки от агентства DARPA о «технологиях, которые позволят компьютерным сетям будущего быть устойчивыми к атакам и продолжать предоставлять сетевые услуги». Связь между этим звонком и его работой была в лучшем случае слабой, но применив свои подходы к теме надежности, команда Барабаши, не знакомая с областью интернет-безопасности, пришла к важному выводу: такие сети очень устойчивы к ошибкам, но в то же время чрезвычайно уязвимы к ошибкам. атака [35].

Эксперт днем, разум эпохи Возрождения ночью

Как мы можем увеличить нашу ночную научную креативность, думая о разных дисциплинах? Первый шаг — просто осознать различия между дневной и ночной наукой, а также между дисциплинами и учеными. Дисциплины — это структурированные рамки, которые направляют повседневную науку, но которые нам, возможно, придется пройти в наши творческие периоды. Ночная наука занимается открытием неизвестного и неожиданного, и поэтому не может быть никаких установленных карт, которым можно было бы следовать. Чтобы расширить наши междисциплинарные умы, может быть хорошей идеей читать о многих вещах — и делать это поверхностно, в этом нет ничего постыдного; напротив, часто это может быть необходимостью. Хотя мы не можем стать экспертами во всем, культивирование широких интересов — например, с помощью научно-популярных книг — дает приблизительную карту вопросов, которыми интересуются люди в других областях, используемых ими методологий, а также концепций и аналогий, которыми они руководствуются. мышление. Посещение лекций, которые лишь незначительно пересекаются с вашей работой, также может вдохновлять. Соединяя их данные и их вопросы со своим собственным опытом, вы можете прийти к новым идеям: как использовать их данные, чтобы пролить свет на вопрос в вашей области, или как ответить на их вопросы с помощью знакомых вам методологий. Таким образом, вы по-прежнему сможете умело ориентироваться в своей конкретной области, и в то же время вы познакомитесь с другими областями для вдохновения: думайте как эксперт днем, но с умом эпохи Возрождения ночью.

Эксперты по-прежнему будут иметь решающее значение для научного прогресса и университетов, которые создали сложную дисциплинарную структуру по уважительным причинам. Днем правят специалисты. Но научное творчество — ночная наука — усиливается нашей способностью перемещаться между дисциплинами. Маятник качается взад и вперед на протяжении многих лет, делая акцент на междисциплинарности в науке. Даже когда это требуется, междисциплинарность часто рассматривается с точки зрения чисто повседневной науки, подчеркивая роль больших групп различных, но узкоспециализированных экспертов [36]. Напротив, междисциплинарное творчество, по-видимому, процветает в «командах» только из одного или двух ученых, и часто происходит, когда ученый без формального образования в данной области отваживается заниматься ею во время ночных научных экскурсий (а во многих случаях впоследствии даже в дневное время). наука). Поэтому, если вы всегда хотели исследовать другие области, но чувствовали, что это может быть пустой тратой времени: «Не думайте дважды, все в порядке».

Ссылки

1. Kuhn TS. Структура научных революций. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 1970.

2. Лакатос И. Фальсификация и методология научно-исследовательских программ. Можно ли опровергнуть теории? 1976. с. 205–59. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1007/978-94-010-1863-0_14.

   Книга

   Google ученый

3. Янаи И., Лерхер М. Ночная наука. Геном биол. 2019;20:179.

   Артикул

   Google ученый

4. Янаи И., Лерхер М. В чем вопрос? Геном биол. 2019;20:289.

   Артикул

   Google ученый

5. Малакофф Д. Боб Дилан, автор песен, которого любят цитировать ученые, только что получил Нобелевскую премию [Интернет]. Наука. 2016; Доступно по адресу: https://doi.org/10.1126/science.aal0258.

6. Эббот А. Хаос дисциплин. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 2001.

7. Гарднер Х. Необыкновенные умы: портреты 4 выдающихся личностей и исследование нашей собственной необычности. Нью-Йорк: Основные книги; 2008.

8. Де Боно Э. Латеральное мышление: творчество шаг за шагом. Нью-Йорк: Харпер Коллинз; 2010.

9. Джонсон С. Откуда берутся хорошие идеи. Книги Риверхеда. Нью-Йорк. 2010.

10. Шехтер Б. Мой мозг открыт: математические путешествия Пола Эрдоса. Нью-Йорк: Саймон и Шустер; 2000.

11. Риния Э.Дж., ван Леувен Т.Н., ван Вурен Х.Г., ван Раан А.Ф.Дж. Влияние междисциплинарности на рецензирование и библиометрические оценки в физических исследованиях. Политика исследований. 2001. с. 357–61. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1016/s0048-7333(00)00082-2.

12. Левитт Дж. М., Телвалл М. Цитируются ли междисциплинарные исследования чаще? Исследование макроуровня. J Am Soc Информационные технологии. 2008. с. 1973–84. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1002/asi.20914.

13. Ларивьер В., Жинграс Ю. О взаимосвязи между междисциплинарностью и научным влиянием. J Am Soc Информационные технологии. 2010 126–31. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1002/asi.21226.

14. Steele TW, Stier JC. Влияние междисциплинарных исследований в науках об окружающей среде: тематическое исследование лесного хозяйства. J Am Soc Информационная наука. 2000 476–84. Доступно по адресу: 3.0.co;2-g»>https://doi.org/10.1002/(sici)1097-4571(2000)51:5<476::aid-asi8>3.0.co;2-g.

15. Йегрос-Егрос А., Рафолс И., Д’Эсте П. Приводят ли междисциплинарные исследования к более высокому цитируемости? Различный эффект проксимальной и дистальной междисциплинарности. ПЛОС Один. 2015;10:e0135095.

    Артикул

    Google ученый

16. Окамура К. Новый взгляд на междисциплинарность: доказательства влияния и динамизма исследований. Пэлгрейв Коммуникейшнс. 2019; Доступно по адресу: https://doi.org/10.1057/s41599-019-0352-4.

17. Лихи Э., Бекман К.М., Станко Т.Л. Выдающийся, но менее продуктивный. Adm Sci Q. 2017 105–39. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1177/0001839216665364.

18. Horvitz HR. Черви, жизнь и смерть (Нобелевская лекция). Химбиохим. 2003; 4: 697–711.

    КАС
    Статья

    Google ученый

19. Гершко А., Чехановер А. Система убиквитина для деградации белка. Анну Рев Биохим. 1992; 61: 761–807.

    КАС
    Статья

    Google ученый

20. Ноуэлл П. Клональная эволюция популяций опухолевых клеток. Наука. 1976. с. 23–8. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1126/science.959840.

21. Барабаси А-Л. Связано: как все связано со всем остальным и что это значит для бизнеса, науки и повседневной жизни. Нью-Йорк: Плюм; 2014.

22. Дэвидсон Э.Х. Регуляторный геном: генные регуляторные сети в развитии и эволюции. Берлингтон: Эльзевир; 2010.

23. Алон У. Сетевые мотивы: теория и экспериментальные подходы. Нат Рев Жене. 2007; 8: 450–61.

    КАС
    Статья

    Google ученый

24. Бениофф П. Компьютер как физическая система: микроскопическая квантово-механическая гамильтонова модель компьютеров, представленная машинами Тьюринга. J Стат Физика. 1980. с. 563–91. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1007/bf01011339.

25. Needleman SB, Wunsch CD. Общий метод, применимый для поиска сходства в аминокислотной последовательности двух белков. Дж Мол Биол. 1970;48:443–53.

    КАС
    Статья

    Google ученый

26. Джинек М., Чилински К., Фонфара И., Хауэр М., Дудна Дж.А., Шарпантье Е. Программируемая ДНК-эндонуклеаза с двойным РНК-управлением в адаптивном бактериальном иммунитете. Наука. 2012; 337:816–21.

    КАС
    Статья

    Google ученый

27. «>

    Конг Л., Ран Ф.А., Кокс Д., Лин С., Барретто Р., Хабиб Н. и др. Мультиплексная инженерия генома с использованием систем CRISPR/Cas. Наука. 2013;339: 819–23.

    КАС
    Статья

    Google ученый

28. Брангвинн С.П., Митчисон Т.Дж., Хайман А.А. Активное жидкоподобное поведение ядрышек определяет их размер и форму в ооцитах Xenopus laevis. Proc National Acad Sci. 2011 г.; 4334–9. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1073/pnas.1017150108.

29. Паабо С. Молекулярное клонирование ДНК древнеегипетской мумии. Природа. 1985; 314: 644–5.

    Артикул

    Google ученый

30. Гёдель К. Über формальный unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme I. Monatshefte für Mathematik. 2006 г.; 1–29. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1007/s00605-006-0423-7.

31. «>

    Гор Дж., Юк Х., ван Ауденарден А. Динамика игры Snowdrift и факультативный читинг в дрожжах. Природа. 2009; 459: 253–6.

    КАС
    Статья

    Google ученый

32. Докинз Р. Эгоистичный ген. Издательство Оксфордского университета. 1976.

33. Roux W. Der Kampf der Theile im Organismus. Ein Beitrag zur vervollständigung der mechanischen Zweckmässigkeitslehre, фон Вильгельм Ру. 1881 г. Доступно по адресу: https://doi.org/10.5962/bhl.title.1491.

34. Барабаси А.Л., Альберт Р. Возникновение масштабирования в случайных сетях. Наука. 1999; 286: 509–12.

    КАС
    Статья

    Google ученый

35. Альберт Р., Чон Х., Барабаси А.Л. Устойчивость к ошибкам и атакам сложных сетей. Природа. 2000;406:378–82.

    КАС
    Статья

    Google ученый

36. «>

    О’Нил С. Откройте для себя междисциплинарные исследования. Новый ученый. 2011 г.; 52–5. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1016/s0262-4079(11)60404-1.

Скачать ссылки

Благодарности

Мы благодарим Далию Баркли, Бо Ся, Анджали Рао и Веронику Маурино за критические комментарии. Мы также благодарим ночной научный клуб Нью-Йоркского университета за вдохновляющие обсуждения.

Информация об авторе

Авторы и филиалы

1. Институт вычислительной медицины, NYU Langone Health, New York, NY, 10016, USA

   Itai Yanai

2. Институт вычислительной техники Herichine & University Herichine & Science University , 40225, Дюссельдорф, Германия

   Martin Lercher

Авторы

1. Itai Yanai

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

2. Martin Lercher

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Contributions

IY и MJL совместно разработали идеи и написали рукопись. Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Авторы переписки

Переписка с
Итай Янаи или Мартин Лерхер.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Отказ Creative Commons от права на общественное достояние (http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) применяется к данным, представленным в этой статье, если иное не указано в кредитной линии данных.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Науки о Земле в 21 веке – Nova Science Publishers

Сортировать по популярностиСортировать по последнимСортировать по цене: от низкой к высокойСортировать по цене: от высокой к низкойСортировать по В продаже

Показано 1–16 из 46 результатов

• Основы подземных вод

  160,00 $ – 192,00 $ Выберите опции

• Геоинформационные технологии в мониторинге и управлении земными ресурсами

  230,00 $ Выберите опции

• Последние разработки в области геоморфологических исследований

  $82,00 Выберите опции

• Узкий путь науки: Зависа Янич

  $95,00 Выберите опции

• Редкие земли: их происхождение, химия и технология

  230,00 $ Выберите опции

• Сейсмология

  230,00 $ Выберите опции

• Ледяные пещеры Франции и Швейцарии

  195,00 $ Выберите опции

• Мегаэкотон Тихого океана Северной Евразии: эволюционная модель континентальной биосферы

  310,00 $ Выберите опции

• Стратиграфия раннего неогена и палеоокеанография Тринидада, Вест-Индия: свежий взгляд

  $82,00 Выберите опции

• Радон: обнаружение, воздействие и контроль

  230,00 $ Выберите опции

• Комплексный мониторинг вулканической активности: методы и результаты

  209,00 $ Выберите опции

• Перенос наносов: мониторинг, моделирование и управление

  45,00 $ – 285,00 $ Выберите опции

• Проблемы происхождения и эволюции биосферы.

  Том 1

  325,00 $ Выберите опции

• Проблемы происхождения и эволюции биосферы. Том 2

  295,00 $ Выберите опции

• Динамическая фрикционная полировка поликристаллических алмазных композитов

  $0,00 Выберите опции

• Наблюдения за тропическими циклонами с помощью приборов дистанционного зондирования и их применение

  $0,00 Выберите опции

Сортировать по популярностиСортировать по последнимСортировать по цене: от низкой к высокойСортировать по цене: от высокой к низкойСортировать по В продаже

Показано 1–16 из 46 результатов

КНИГИ ПО КАТЕГОРИЯМ

• Книги (11371)
• Выбор редакции (261)
• Выходные данные (4322)
• Журналы (31)
• Журналы — Заголовки, снятые с производства (1)
• Журналы — отдельные выпуски (401)
• Недавно изданные книги (917)
• Старая серия (69)

Серия

• (10626)
  • Улучшения в обучении и инструкциях (3)
  • Достижения в области зоологии и зоологии (пронумерованные серии) (14)
  • Достижения в области прикладных наук и техники (3)
  • Достижения в области астрономии и астрофизики (4)
  • Достижения в области биологии (нумерованные серии) *** Новое в 2022 г. *** (1)
  • Достижения в области бизнеса и управления (пронумерованные серии) (16)
  • Достижения в области химических исследований (пронумерованные серии) (60)
  • Достижения в области коммуникаций и исследований в области средств массовой информации (пронумерованные серии) (4)
  • Достижения в науке о данных и вычислительных технологиях (отредактированная серия) (1)
  • Достижения в области распределенных вычислений и интеллектуального анализа данных (отредактированная серия) (2)
  • Достижения в области исследований в области энергетики (пронумерованные серии) (23)
  • Достижения в области инженерных исследований (пронумерованные серии) (46)
  • Достижения в области экологических исследований (пронумерованные серии) (64)
  • Достижения в уравнениях эволюции (отредактированная серия) (1)
  • Достижения в области генетических исследований (пронумерованные серии) (12)
  • Достижения в области здравоохранения и болезней (пронумерованные серии) (57)
  • Достижения в области морской биологии (пронумерованные серии) (5)
  • Достижения в области материаловедения (пронумерованные серии) (41)
  • Достижения в области математических исследований (пронумерованные серии) (15)
  • Достижения в области медицины и биологии (пронумерованные серии) (139)
  • Достижения в области нанотехнологий (пронумерованные серии) (18)
  • Достижения в области психологических исследований (пронумерованные серии) (55)
  • Достижения в области респираторной медицины и интенсивной терапии (1)
  • Достижения в области социологических исследований (пронумерованные серии) (27)
  • Достижения в области искусства (3)
  • Афроамериканки (отредактированная серия) (3)
  • Африканистика (11)
  • Обновления сельскохозяйственных исследований (нумерованные серии) (43)
  • Вопросы и политика сельского хозяйства (150)
  • Наука и технологии о загрязнении воздуха, воды и почвы (24)
  • Исследования и технологии в области авиации и авионики (3)
  • Злоупотребление алкоголем и наркотиками (19)
  • Альтернативная медицина, здоровье и благополучие (отредактированная серия) (7)
  • Американская история, культура и литература (41)
  • Американские политические, экономические вопросы и вопросы безопасности (104)
  • Аналитическая химия и микрохимия (22)
  • Анестезиология и периоперационная медицина (5)
  • Зоотехника, проблемы и исследования (83)
  • Антропологические исследования и разработки (9)
  • Прикладные социальные исследования — последние разработки, международные и сравнительные перспективы (отредактированная серия) (2)
  • Прикладная статистическая наука (отредактированная серия) (3)
  • Археология — Открытия прошлого (3)
  • Вопросы и исследования Арктики и Антарктики (9)
  • Азиатские политические, экономические и социальные вопросы (57)
  • Достижения в области аудиологии и исследований слуха (7)
  • Исследования в области бактериологии (44)
  • Банки и банковское развитие (23)
  • Биохимия и молекулярная биология в постгеномную эру (24)
  • Тенденции биохимических исследований (206)
  • Биоматериалы – свойства, производство и устройства (8)
  • Биомедицинские устройства и их применение (12)
  • Птицы — эволюция, поведение и экология (5)
  • Ботанические исследования и практика (25)
  • Запугивание и виктимизация (16)
  • Вопросы бизнеса, конкуренции и предпринимательства (193)
  • Бизнес, технологии и финансы (29)
  • Этиология рака, диагностика и лечение (167)
  • Кардиологические исследования и клинические разработки (80)
  • Кавказ и Центральная Азия Политические, социальные и экономические вопросы (3)
  • Прогресс исследований в области клеточной биологии (93)
  • Центральная Америка и Карибский бассейн (6)
  • Химические методы и технологии (64)
  • Химические исследования и приложения (266)
  • Резюме химических исследований (пронумерованные серии) (18)
  • Китай в переходный период (13)
  • Гражданское строительство и архитектура (4)
  • Изменение климата, его причины, последствия и прогнозирование (53)
  • Прибрежные и океанические рельефы, развитие и управление (7)
  • Вычислительная математика и анализ (19)
  • Компьютерные науки, технологии и приложения (175)
  • Политика, практика и процедуры Конгресса (126)
  • Сохранение биологии и биоразнообразия (3)
  • Строительные материалы и техника (23)
  • Современные культурные исследования (отредактированная серия) (15)
  • Страны и культуры мира (14)
  • Уголовное правосудие, правоохранительные органы и исправительные учреждения (58)
  • Культурология в третьем тысячелетии (13)
  • Исследование киберпреступности и кибербезопасности (8)
  • Оборона, безопасность и стратегии (108)
  • Стоматология и стоматология (20)
  • Дерматология – лабораторные и клинические исследования (46)
  • Диалоги между цивилизациями и культурами (6)
  • Болезни органов пищеварения – исследования и клинические разработки (27)
  • Инвалидность и инвалиды – вопросы, законы и программы (34)
  • Исследования инвалидности (отредактированная серия) (28)
  • Заслуженные деятели науки, медицины и искусства (14)
  • Домашнее насилие и жестокое обращение (2)
  • Транзит и распространение наркотиков, перехват и контроль (16)
  • Науки о Земле в 21 веке (46)
  • Расстройства пищевого поведения в 21 веке (6)
  • Экономические вопросы, проблемы и перспективы (211)
  • Образование в конкурентном и глобализирующемся мире (330)
  • Электротехнические разработки (46)
  • Исследования в области электроники и телекоммуникаций (27)
  • Неотложная и интенсивная терапия (19)
  • Эндокринологические исследования и клинические разработки (63)
  • Энергетическая политика, политика и цены (88)
  • Энергетика, инженерия и технологии (164)
  • Резюме экологических и сельскохозяйственных исследований (13)
  • Технологии восстановления окружающей среды, правила и безопасность (122)
  • Достижения в области экологических исследований (102)
  • Науки об окружающей среде, инженерия и технологии (163)
  • Этические проблемы в 21 веке (31)
  • Европа: прошлое, настоящее и будущее (9)
  • Европейские политические, экономические вопросы и вопросы безопасности (64)
  • Изучение городов и стран мира (3)
  • Терапия выразительными искусствами (5)
  • Исследования глаз и зрения (30)
  • Проблемы семьи в 21 веке (37)
  • Ферментированные продукты и напитки в глобальную эпоху (4)
  • Финансовые учреждения и услуги (50)
  • Изобразительное искусство, музыка и литература (48)
  • Первые люди, президенты Америки (отредактированная серия) (43)
  • Рыба, рыболовство и рыболовство (29)
  • В центре внимания цивилизации и культуры (43)
  • В центре внимания цивилизации и культуры — Музыка (3)
  • В центре внимания цивилизации и культуры — картины и скульптуры (1)
  • Потребление продуктов питания и напитков и здоровье (69)
  • Пищевые науки и технологии (137)
  • Функциональная неврология (отредактированная серия) (6)
  • Гастроэнтерологические исследования и клинические разработки (3)
  • Гендерные вопросы и вызовы (3)
  • Генетика – исследования и вопросы (55)
  • География и история мира (4)
  • Геолого-минералогические исследования (43)
  • Грузинская классика — Отредактированная серия (5)
  • Гериатрия, геронтология и проблемы пожилых людей (24)
  • Одаренность: выявление, оценка, воспитание и лечение (5)
  • Глобальные политические исследования (51)
  • Глобальная рецессия – причины, последствия и меры по устранению (5)
  • Государственные процедуры и операции (150)
  • Зеленые исследования, разработки и программы (8)
  • Здоровье и развитие человека (отредактированная серия) (88)
  • Здравоохранение в переходный период (94)
  • Исследования в области психологии здоровья (30)
  • Гепатологические исследования и клинические разработки (16)
  • Травы и травничество (9)
  • Исторические личности (59)
  • Исторические рукописи (11)
  • ВИЧ/СПИД – медицинские, социальные и психологические аспекты (3)
  • Национальная безопасность и безопасность (отредактированная серия) (10)
  • Horizons in Cancer Research (нумерованные серии) (39)
  • Horizons in Computer Science Research (пронумерованные серии) (13)
  • Horizons in Earth Science Research (пронумерованные серии) (16)
  • Horizons in Neuroscience Research (пронумерованные серии) (38)
  • Горизонты мировых исследований сердечно-сосудистой системы (пронумерованные серии) (20)
  • Горизонты в мировой физике (нумерованные серии) (27)
  • Садоводство, виноградарство и виноградарство (2)
  • Гостиничный бизнес, туризм и маркетинговые исследования (19)
  • Анатомия и физиология человека (41)
  • Эволюция человека, биологические и культурные области (6)
  • Репродуктивная система человека – анатомия, роль и нарушения (11)
  • Права человека: современные проблемы и перспективы (15)
  • Человеческая сексуальность (8)
  • Голод и нищета: причины, последствия и искоренение (21)
  • Иммиграция в 21 веке: политические, социальные и экономические проблемы (48)
  • Иммунология и заболевания иммунной системы (49)
  • Индия: экономические, политические и социальные вопросы (6)
  • Инфекционные болезни и микробиология (17)
  • Насекомые и другие наземные членистоногие: биология, химия и поведение (25)
  • Взгляд на биологическую и культурную эволюцию (2)
  • Интеллектуальная собственность в 21 веке (15)
  • Интернет вещей и машинное обучение (отредактированная серия) (6)
  • Интернет-политики и проблемы (16)
  • Интернет-теория, технологии и приложения (21)
  • Выпуски серии «Заболевания почек» (4)
  • Ключевые правительственные отчеты (44)
  • KJ Lee Essential Medicine Series (1)
  • Языки и лингвистика (56)
  • Латиноамериканские политические и экономические вопросы и вопросы безопасности (39)
  • Право, преступность и правоохранительные органы (62)
  • Законы и законодательство (44)
  • Лидерство в меняющемся мире (5)
  • Исследования и разработки в области наук о жизни (10)
  • Жизнь и время выдающихся художников (4)
  • Наука управления — теория и приложения (39)
  • Исследование производственных технологий (27)
  • Морская и пресноводная биология (13)
  • Морские науки и технологии (9)
  • Исследования в области маркетинга и управления операциями (13)
  • Материаловедение и технологии (179)
  • Резюме математических исследований (пронумерованные серии) (3)
  • Математические исследования (189)
  • Теория и приложения машиностроения (64)
  • СМИ и коммуникации – технологии, политика и вызовы (46)
  • Медицинские процедуры, испытания и технологии (42)
  • Резюме медицинских исследований (пронумерованные серии) (17)
  • Мужские выпуски (1)
  • Психические заболевания и лечение (26)
  • Метаболические заболевания – лабораторные и клинические исследования (13)
  • Метеорология и климатология (2)
  • Микробиологическая гигиена (отредактированная серия) (3)
  • Достижения в области микробиологических исследований (63)
  • Вопросы военных и ветеранов (71)
  • Обзор за месяц (нумерованные серии) (22)
  • Мышечная система – анатомия, функции и травмы (17)
  • Нанотехнологии Наука и технологии (102)
  • Исследования, прогнозирование и смягчение последствий стихийных бедствий (58)
  • Натуральные продукты и терапевтические средства (9)
  • Неонатологические исследования (3)
  • Нефрологические исследования и клинические разработки (21)
  • Нейроанатомические исследования на переднем крае (9)
  • Неврология — Лабораторные и клинические исследования (77)
  • Неврологические исследования (165)
  • Прогресс исследований в области нейрохирургии (6)
  • Новые разработки в области медицинских исследований (120)
  • Новые разработки в области исследований в области нанотехнологий ***Новинка 2022 г. *** (1)
  • Выдержки Новы (2)
  • Ядерные материалы и исследования катастроф (37)
  • Сестринское дело – вопросы, проблемы и вызовы (13)
  • Исследования в области питания и рациона питания (119)
  • Достижения в области акушерства и гинекологии (51)
  • Океанография и океанотехника (15)
  • Организация, бизнес и управление (2)
  • Происхождение, эволюция и геологическая история Земли (5)
  • Ортопедические исследования и терапия (16)
  • Достижения в области отоларингологии (22)
  • Лечение боли — исследования и технологии (отредактированная серия) (16)
  • Паразиты и паразитарные болезни (11)
  • Патология и лабораторная медицина (4)
  • Педиатрия – лабораторные и клинические исследования (23)
  • Педиатрия, здоровье детей и подростков (отредактированная серия) (95)
  • Перспективы когнитивной психологии (28)
  • Нефтяная наука и технология (7)
  • Фармакология – исследования, проверка безопасности и регулирование (120)
  • Физическая культура, диета и упражнения (9)
  • Физическая медицина и реабилитация (8)
  • Физические исследования и технологии (237)
  • Исследования и практика в области растениеводства (98)
  • Пластическая и реконструктивная хирургия (2)
  • Политические лидеры и их оценка (13)
  • Политология и история (95)
  • Политические, экономические вопросы и вопросы безопасности Африки (7)
  • Политика и экономика Ближнего Востока (65)
  • Наука, технология и борьба с загрязнением окружающей среды (17)
  • Наука и технология полимеров (37)
  • Постгражданство на востоке и севере Европейского союза (отредактированная серия) (5)
  • Беременность и младенцы: медицинские, психологические и социальные проблемы (14)
  • Президентство в США (10)
  • Президентские жены (1)
  • Защита конфиденциальности и личных данных (17)
  • Прогресс в области экономических исследований (нумерованные серии) (22)
  • Успехи в образовании (пронумерованные серии) (45)
  • Психиатрия – теория, применение и лечение (67)
  • Психология эмоций, мотивации и действий (133)
  • Прогресс исследований в области психологии (151)
  • Общественное здравоохранение в 21 веке (163)
  • Общественное здравоохранение: практика, методы и политика (отредактированная серия) (39)
  • Легочные и респираторные заболевания и расстройства (17)
  • Расовая справедливость и социальное равенство (1)
  • Радиационная онкология: клинические, трансляционные и лабораторные исследования (2)
  • Ход исследования редких заболеваний (5)
  • Последние достижения в области гематологических исследований (29)
  • Последние достижения в микробиологии (3)
  • Последние тенденции в биотехнологии (17)
  • Религия и общество (46)
  • Религия и духовность (38)
  • Почечные, метаболические и урологические нарушения (26)
  • Возобновляемые источники энергии: исследования, разработки и политика (43)
  • Научные достижения в области коммуникативных исследований (4)
  • Методология исследований и анализ данных (12)
  • Исследования по латиноамериканской психологии (2)
  • Прогресс исследований в области болезни Альцгеймера и деменции (2)
  • Пенсионные вопросы, планы и образ жизни (25)
  • Ревматизм и заболевания опорно-двигательного аппарата (10)
  • Исследования и технологии в области робототехники (17)
  • Россия Вопросы политики, экономики и безопасности (15)
  • Безопасность и риск в обществе (74)
  • Наука, эволюция и креационизм (10)
  • Сексологические исследования и вопросы (3)
  • Сон – физиология, функции, сновидения и расстройства (14)
  • Вопросы малого бизнеса, экономика и исследования (10)
  • Курение и употребление табака (4)
  • Социальные вопросы, правосудие и статус (156)
  • Социальные перспективы в 21 веке (отредактированная серия) (28)
  • Социальные перспективы старения (6)
  • Прогресс исследований в области социальной психологии (6)
  • Политика и программы социального обеспечения – модели, последствия и перспективы (6)
  • Политические, экономические и социальные вопросы Южной Азии (2)
  • Космическая наука, исследования и политика (52)
  • Речевые и языковые расстройства (8)
  • Подготовка к спорту и легкой атлетике, работоспособность и психология (45)
  • Стволовые клетки – лабораторные и клинические исследования (15)
  • Оценка злоупотребления психоактивными веществами, вмешательства и лечение (35)
  • Хирургия – процедуры, осложнения и результаты (76)
  • Системная биология – теория, методы и приложения (12)
  • Методы системной инженерии, разработки и технологии (18)
  • Технологии в глобализирующемся мире (7)
  • Терроризм, горячие точки и проблемы, связанные с конфликтами (37)
  • Мир психологии: терапия, отношения, обучение (отредактированная серия) (6)
  • Теоретическая и прикладная математика (12)
  • Терапевтические подходы при распространенных акушерских и гинекологических заболеваниях (2)
  • Торговые вопросы, политика и законы (37)
  • Вопросы транспорта, политики и НИОКР (98)
  • Травма и восстановление (2)
  • Университетское преподавание и повышение квалификации (6)
  • Городское развитие и инфраструктура (27)
  • Прогресс исследований в области урологии (4)
  • Сосудистые исследования (2)
  • Ветераны: льготы, вопросы, политика и программы (10)
  • Ветеринария и медицина (12)
  • Успехи вирусологических исследований (22)
  • Отходы и управление отходами (39)
  • Планирование, развитие и управление водными ресурсами (52)
  • Исследования Белого дома (отредактированная серия) (8)
  • Защита дикой природы, уничтожение и вымирание (13)
  • Женские проблемы (40)
  • Мировая философия (43)
• Сортировка по году (4500)
• Предстоящие публикации (93)

Прокрутите вверх

SCIRP Открытый доступ

Издательство научных исследований

Журналы от A до Z

Журналы по темам

• Биомедицинские и медико-биологические науки.
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение.
• Информатика. и общ.
• Науки о Земле и окружающей среде.
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные науки. и гуманитарные науки

Журналы по тематике  

• Биомедицина и науки о жизни
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение
• Информатика и связь
• Науки о Земле и окружающей среде
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные и гуманитарные науки

Публикация у нас

• Подача статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Публикуйте у нас  

• Представление статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766
	Публикация бумаги WeChat

• Исследование привычек образа жизни, вызванных стрессом()

  Фумихиро Омасу, Ай Кавано, Майко Нагаясу, Аска Ниси

  Открытый журнал профилактической медицины Том 12 № 9, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojpm.2022.129014
  5 загрузок  45 просмотров

• Выбор нового регулирующего права для траста с преимущественно английскими элементами: насколько вместительна комната для маневра с точки зрения его применения в английском суде? ()

  Зинат Бибиджон

  Beijing Law Review Vol.13 No.3, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/blr.2022.133042
  4 загрузки  47 просмотров

• Субпараневральная подмышечная блокада под ультразвуковым контролем в странах Африки к югу от Сахары: проспективное многоцентровое исследование и обзор литературы ()

  Гислен Эджо Нкилли, Амилкар Гомбако, Николя Сомье, Рафаэль Окуэ Ондо, Стефан Оливейра, Ричард Обаме, Ромен Чуа

  Открытый журнал анестезиологии Том 12 № 9, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojanes.2022.129025
  2 загрузки  34 просмотра

• Защитный эффект пероральной премедикации стероидами: побочные реакции на неионогенные йодсодержащие контрастные вещества для компьютерной томографии ()

  Нориказу Коори, Акико Маэда, Маюми Ясуи, Хироки Камекава, Юсуке Ёсида, Акари Нода, Юта Шираки, Казуя Ёкои, Юдай Судзуки, Казума Курата, Хироко Нисикава

  Открытый журнал радиологии Том 12 № 3, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojrad.2022.123012
  5 загрузок  31 просмотр

• Стратиграфия бассейна MSGBC в западной части Тиеса с помощью пикселизации и веб-моделирования (Сенегал, Западная Африка)()

  Мохамаду Мустафа Тиам, Мумар Дийе, Адама Дионе, Абдул Азиз Ндиайе, Мапате Ндиайе, Салимата Нгом, Рафаэль Сарр

  Открытый геологический журнал Том 12 № 9, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojg.2022.129032
  7 загрузок  40 просмотров

• Микрохирургическая резекция медуллобластомы мостомозжечкового угла, клинический случай и обзор литературы()

  Фадаль Алретими, Хешам Бен Хаял, Абдуссалам Абограра Саид, Лубна Аззуз, Амани Масуд

  Открытый журнал современной нейрохирургии Том 12 № 4, 27 сентября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojmn.2022.124020
  7 загрузок  39 просмотров

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

г.

Бесплатные информационные бюллетени SCIRP

Copyright © 2006-2022 Scientific Research Publishing Inc. Все права защищены.

верхний

Биология в этом веке | Гарвардский журнал

Особенности | Гарвард @375

Древняя наука становится новой технологией.

Памела А. Сильвер

сентябрь-октябрь 2011 г.

Памела Сильвер

Фотография Джима Харрисона

Биология станет технологией этого молодого века. За последние 50 лет биология превратилась из гуманитарной науки, описывающей макроскопические явления, в редукционистскую дисциплину, целью которой является объяснение жизни с точки зрения химии и физики. Появление молекулярной биологии в 1950-х годах и технологии рекомбинантных ДНК в 1970-х привело к излиянию информации о том, как устроена жизнь. Конечным результатом является то, что биология находится там, где 30 лет назад была химия — достаточно понятная, чтобы многие основные процессы были известны в некоторых деталях, и с огромным потенциалом для создания широкого спектра преимуществ для человечества.

Гарвард играл центральную роль в этой эволюции. Когда я пришел в качестве постдока, эра рекомбинантной ДНК была в самом разгаре. Здесь были инициированы многие ранние приложения молекулярной биологии, и только что сформировалось первое поколение биотехнологических компаний, в том числе несколько дочерних компаний Гарварда. Рекомбинантная ДНК произвела революцию в нашем понимании основных биохимических и клеточных биологических процессов. За эти годы в том, как мы изучаем фундаментальные биологические процессы, произошел серьезный сдвиг, кульминацией которого стали секвенирование геномов человека, знание многих клеточных процессов и четкий путь к выяснению роли отдельных молекул.

Конечно, многие детали молекулярно-биологических процессов еще предстоит разработать — они будут важны для понимания роста и развития, патогенеза, болезней и многих других аспектов фундаментальной и прикладной биологии. Но добавление дополнительных деталей вряд ли изменит наши представления о биологии. Действительно, масса уже имеющихся подробностей настолько ошеломляет, что может показаться, что большая часть тайны жизни утеряна.

У нас остались тайны, на которые нельзя ответить одними подробностями. Несколько лет назад мне посчастливилось участвовать в создании нового отделения системной биологии в Гарвардской медицинской школе и выпускной программы по системной биологии. Гарвард снова опередил всех в создании этих программ, нацеленных на новый уровень понимания биологии. Эта новая дисциплина стремится создать картину биологической функции и поведения, охватывающую шкалу размеров от атомарной до макроскопической. Какие ключевые события на молекулярном уровне вызывают изменения на эволюционном и экологическом уровнях? Как генетические различия между людьми в совокупности определяют реакцию на окружающую среду и чувствительность к болезням? Основное внимание в этой области уделяется количественному измерению динамического поведения отдельных компонентов системы и моделированию для интеграции поведения многих компонентов для объяснения поведения системы.

Важной областью применения является разработка лекарств. Великим стремлением молекулярной биологии и геномики было определить, что не так при болезни: каковы молекулярные различия между больным организмом и здоровым? Мы все больше понимаем, что для многих болезней нет простого ответа. Даже когда одна мутация доминирует в предрасположенности организма к болезни, часто далеко не ясно, как использовать эту информацию для создания лекарства. Мы представляем себе новый подход к фармакологии, который вместо того, чтобы рассматривать отдельные мишени, задается вопросом, как лекарство или комбинация лекарств влияет на целые пути. Цель состоит в том, чтобы помочь повысить предсказуемость эффективности и токсичности лекарств, а также нашу способность определять, какие подгруппы пациентов получат пользу от препарата. Наша нынешняя способность предсказывать действие того или иного лекарства настолько мала, что даже небольшой шаг вперед мог бы стать большим вкладом в уменьшение человеческих страданий от болезней.

Естественным следствием способности предсказывать поведение биологических систем является способность проектировать новых биологических систем. Синтетическая биология, еще более новая дисциплина, естественным образом выросшая из системной биологии, стремится сконструировать целые организмы для выполнения полезных задач. Биологические системы, рассматриваемые как технология, обладают необычайной мощью: они могут использовать воздух и воду для производства строительных материалов, осуществлять химический синтез, вызывающий зависть у химиков-людей, и точно моделировать атомы для формирования наноразмерных структур. Можем ли мы использовать эту технологию для решения реальных проблем? Для этого нам нужно уметь проектировать сложные новые биологические системы и знать, как они будут себя вести. Это можно сделать только с большой дозой математики — количественных оценок и вычислений — и, следовательно, необходимо использовать многие инструменты системной биологии. Мы представляем себе время, когда разработка биологической системы аналогична разработке компьютерного чипа. Мы далеки от этой цели, но с чего-то надо начинать.

С биологическим углеродом в качестве «кремния» этого века возможности безграничны. Возьмем, к примеру, энергию. Солнечная энергия является нашим величайшим природным ресурсом, и в настоящее время мы используем лишь часть ее. Повышение эффективности фотосинтеза — революция в «зеленом производстве» — может предложить биологическое решение многих текущих проблем, стоящих перед Землей, и нашей зависимости от ископаемого топлива. DARPA (Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов), сторонник развития Интернета, объявило быстрое проектирование биологии одним из самых высоких национальных приоритетов, но достижение этой цели потребует другого мышления по мере того, как мы переходим от открытия на основе прикладной биологии.

Но есть еще много больших вопросов без ответа, ожидающих фундаментальных биологических исследователей. Я вижу большую область роста в интеграции биологии с психологией, социологией и экономикой.