Может ли биолог починить радио? 20 лет спустя
2002 в журнале Cancer Cell вышла весьма саркастическая статья Юрия Лазебника «Может ли биолог починить радиоприемник, или что я понял, изучая апоптоз».
За 20 лет много изменилось. Биологи создали графический язык SBGN (Systems Biology Graphical Notation) для представления структуры биохимических путей и XML формат SBML (Systems Biology Markup Language) для представления математических моделей.
Кроме самих стандартов, необходимо программное обеспечение, которое их поддерживает. Начиная с 2001 года наша команда разрабатывает программный комплекс BioUML для моделирования сложных биологических систем и анализа биомедицинских данных. UML в его названии — это отсылка к стандарту UML — Unified Modeling Language, языку графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Используя ПК BioUML, нашей группой были построены сложные компьютерные модели биологических систем (насколько я знаю, некоторые из них — наиболее сложные в мире для соответствующих систем).
Таким образом, современные стандарты SBGN и SBML и ПК BioUML позволяют биологам создавать схемы и модели биологических систем, вполне сопоставимые по уровню формализации с инженерными схемами.
Исходная статья
В 2002 в журнале Cancer Cell вышла весьма саркастическая статья Юрия Лазебника «Может ли биолог починить радиоприемник, или что я понял, изучая апоптоз»:
В 2004 году на конференции по системной биологии в Гейдельберге мне повезло послушать этот доклад вживую в исполнении автора. Был первый день конференции и этот доклад поставили на 18 часов, а сразу после него фуршет. Во время доклада зал взрывался приступами смеха, и после этого, в приподнятом настроении, все пошли на фуршет — очень удачное открытие конференции.
Автор решил провести мысленный эксперимент, сможет ли биолог починить сломанный радиоприемник, и как он это будет делать. Ниже я буду приводить фрагменты из статьи, но рекомендую прочитать вам статью на русском целиком и получить от этого удовольствие.
«Чтобы абстрагироваться от особенностей биологических экспериментальных систем, я решил найти задачу, которая бы содержала достаточно сложную, но в то же самое время хорошо характеризованную систему. В конечном счёте, я вспомнил о старом транзисторном приёмнике, который моя жена привезла из России. В целом, приёмник работает так же, как системы передачи сигнала в клетке, преобразуя сигнал из одной формы в другую (приёмник преобразует электромагнитные волны в звуковые). В моём приёмнике около ста компонентов, резисторов, конденсаторов и транзисторов, что соответствует числу молекул в достаточно сложном клеточном пути передачи сигнала. Я стал затем представлять, как биологи будут выяснять, почему мой приемник не работает и как они попробуют его починить.»
Радиоприёмник, который был использован в этой работе.
«С чего мы начнём? Сначала мы заручимся финансовой поддержкой, чтобы купить большое количество одинаковых работающих приёмников и сравнить их с тем, который сломан. После нескольких попыток мы научимся вскрывать приёмники и найдем там объекты разной формы, размера и цвета. Мы опишем и классифицируем их в семейства на основе их внешнего вида. Мы опишем семейство металлических прямоугольных объектов, семейство ярких круглых объектов с двумя ножками, семейство цилиндрических объектов с тремя ножками и так далее. Так как объекты окрашены в разные цвета, мы будем изучать влияние смены цвета на качество звука. Хотя перекраска объектов будет иметь слабый эффект (музыка слышна, но тренированное ухо некоторых исследователей заметит некоторые искажения), этот подход произведет много публикаций и приведет к оживленным дискуссиям.»
И так далее, в таком же издевательском стиле. В конце концов, после долгих исследований биолог нарисует примерно такую схему:
Схема радиоприемника с точки зрения биолога (рис. 3А., Лазебник, 2003).
И можно сравнить это со схемой (правда, другого приемника), которую использует инженер:
Схема радиоприемника с точки зрения инженера (рис. 3Б., Лазебник, 2003).
«В то же время, мы практически уверены, что инженер, или даже техник, с лёгкостью починит мой приёмник. В чём же разница? Я думаю разница в языках, которые биологи и инженеры используют. Биологи представляют их результаты с помощью до боли узнаваемых диаграмм, в которых их любимая молекула помещена в середину и соединена с остальным миром двусторонними стрелками. Даже если такая диаграмма в целом правильна (рис. 3, А), она обычно бесполезна для количественного анализа, что делает её возможности как инструмента для понимания изучаемой системы очень ограниченными. …
Так как язык инженеров (рис. 3, Б) стандартизирован (элементы и их соединения описаны в соответствии с установленными правилами), любой знающий электронику инженер однозначно поймет диаграмму, описывающую как приёмник, так и любое другое электронное устройство. Как следствие, инженеры могут обсуждать работу приёмника, используя термины, которые понимаются однозначно всеми участниками дискуссии. Более того, то, что язык стандартный, позволяет инженерам узнавать знакомые модули (триггер, усилитель) в диаграммах незнакомых устройств. Так как описание количественное (описание приёмника указывает ключевые параметры каждого компонента, скажем, ёмкость конденсатора, но может не включать такие параметры, как цвет, размер, или форму), оно может использоваться для количественного анализа, включая моделирование.»
Почему не подходит MATLAB/Simulink, SimInTech и т.п.?
Первая мысль, которая приходит в голову — биологам нужно использовать зарекомендовавшие себя программы, которые уже разработали инженеры, и будет им счастье.
Такие попытки предпринимались, и даже не раз.
Например, на Хабре была опубликована статья:
Ударим ТАУ по пандемии COVID-19. Численное моделирования распространения инфекции.
В ней рассматривается самая простая модель распространения инфекции в популяции — SIR, которая описывает 3 субпопуляции:
Susceptible — восприимчивые,
Infected — инфицированные,
Recovered — выздоровевшие
и переходы между ними:
заражение — его скорость пропорциональна числу восприимчивых, инфицированных и некоторой константе
