Летняя школа по молекулярной и теоретической биологии. Лекции по биоинформатике: анализ данных, нейросети, и их применение в биологии и медицине Человек и его братья меньшие

С 1 по 18 августа 2017 года в в Калужской области в третий раз прошла Летняя биологическая школа «Пилигрим». Участниками стали школьники и преподаватели со всей России и из ближнего зарубежья (республики Беларусь и Казахстан).

Дети поучаствовали в практикумах по микробиологии, биохимии, физиологии растений, ботанике и зоологии, посещали лекции и семинары по вирусологии, молекулярной биологии, цитологии, генетике, химии, палеонтологии и множеству других естественнонаучных и околобиологических дисциплин, учились понимать англоязычные научные статьи и писать научно-популярные статьи на русском, слушали лекции приглашённых лекторов - ведущих учёных из известных научных организаций России и мира - от МГУ до Кембриджа.

Фонд «Эволюция» поддержал Школу трэвел-грантами - организаторы использовали их для частичной оплаты участия школьников из Великого Новгорода, Минска, Обнинска и других городов.

О том, как проходит школа, рассказывают участники, преподаватели и организаторы:

«Я узнала о БиоШколе благодаря Интернету и решила попробовать свои силы в отборе, - говорит Юля Сурганова из Алапаевска, получившая грант на бесплатное участие в 2017 году. Думала, что даже если я дальше не пройду, то всё равно попытаюсь решить эти задачки и интеллектуально отдохну на каникулах.
БиоШкола дала мне очень многое: я не только получила массу новых знаний, но и завела новых друзей по интересам. Обучение в школе дало мне утвердиться в том, что биология - это моё, и дало мощный стимул продолжать учиться дальше! Я хочу попробовать себя в олимпиадном движении, а что касается дальнейших перспектив, то поступить в медакадемию».

Вера Емельяненко, преподаватель, студентка 3 курса биофака МГУ, серебряный призёр Международной биологической олимпиады:

«Вообще, занятия в «Пилигриме» проходят очень интересно. Каждая пара длится полтора часа с одним пятиминутным перерывом; две пары после завтрака и одна - после обеда. По идее, между парами должен быть перерыв в полчаса. На деле же он почти всегда съедается до десяти-пятнадцати минут за счёт не вовремя заработавших проекторов, задержанного завтрака, недорезанных растений и недосказанных историй. Группы почти все маленькие, до девяти-десяти человек, и больше половины ребят выбирают тот курс, который они будут слушать, из нескольких альтернатив. Поэтому когда ты пытаешься что-то рассказать, тебя часто засыпают вопросами. Однажды после занятий, вечером, мои ДНК-2 попросили меня объяснить современную систематику эукариот и жизненные циклы водорослей ещё раз. Мы сели и начали это всё обсуждать, а через пятнадцать минут я с удивлением заметила, что почему-то рисую на доске принцип работы хоаноцита. И мне это очень нравится, потому что это значит, что человеку не просто хочется сдать зачёт, а действительно узнать что-то новое».

Приглашённый лектор Ильичева Дарья:

«11 августа наш старший инструктор Ильичева Дарья поехала в Калужскую область, где в этом году проходила летняя биошкола «Пилигрим». Что это за школа? Каждый год проводится отбор среди одаренных ребят по биологии, они проходят собеседование, чтобы приехать в биошколу. Ежедневно читаются лекции и проводятся практикумы по различным отраслям биологии, начиная от ботаники и вирусологии, заканчивая биохимией и биофизикой. Каждый выбирает себе занятия, которые ему наиболее интересны. Лекции читают лучшие педагоги популяризаторы из МГУ, МФТИ и других престижных ВУЗов. Дети получают новые знания, находятся в очень интересной научной среде, заводят новые знакомства. Вечером для них организуют просмотры фильмов, песни под гитару, чтение стихотворений, командные игры, что очень сплачивает учеников «Пилигрима».
Для нас стало честью принять участие в работе школы и прочесть лекцию «Генетика окрасов собак». Спасибо за бесценный опыт, теплую встречу и прекрасно проведенное время».

Мищенко Екатерина, соорганизатор школы, научный журналист:

«Мы очень хотим, чтобы доступ к знаниям был у каждого мотивированного ребёнка. Но оборудование, питание, проживание стоит денег, и хотя мы не делаем свой проект коммерческим (например, преподаватели не получают зарплату), деньги на участие и на дорогу есть далеко не в каждой семье. Именно поэтому для нас важны гранты - чтобы показать, что путь в науку для юных Ломоносовых должен быть открытым и доступным, чтобы дать им поверить в себя, понять, что для них интереснее и важнее - фундаментальная наука или фарма, биотехнологии для сельского хозяйства или систематика земноводных. Это может помочь ему не только выиграть в какой-то олимпиаде, но и сделать судьбоносный (по крайней мере, на первое время) выбор себя. Мы хотим сломать барьер преподавательского высокомерия, чтобы школьник не боялся к нам обратиться с самым «глупым» вопросом, но при этом не проиграть в качестве образования, поэтому большую часть преподавательской команды составляет молодёжь и студенты, хотя и настоящие учёные у нас тоже есть.
Это, конечно, отнимает много времени и сил, но потом просто замечательно наблюдать, как «поперечно-волосатые» мышцы наконец становятся поперечно-полосатыми, и как всё становится на свои места в головах многих детей».

1. Конец эпохи антибиотиков

2017 год показал, что эра антибиотиков, длившаяся почти столетие, подошла к концу. Бактерии научились вырабатывать устойчивость к известным препаратам, а на разработку новых нет ни времени, ни достаточных средств. Врачи и ученые рисуют мрачные прогнозы: если ничего не предпринять, микроорганизмы убьют человечество намного раньше, чем изменения климата. Однако эту угрозу все еще не воспринимают всерьез. Причина появления супербактерий — в скорости размножения микроорганизмов и их способности обмениваться генетической информацией. Единственная бактерия, у которой появился ген устойчивости к лекарствам, поделится им с сородичами. Чтобы позволить человечеству выжить, исследователи ищут замену привычным препаратам. Для борьбы с супербактериями предлагают использовать CRISPR, наночастицы и новые, более мощные антибиотики. Разработка этих и других методов возможна только благодаря исследованиям молекулярных механизмов появления устойчивости.

2. Уточнено время появления жизни

Вопрос о том, как появилась жизнь на Земле — один из важнейших в биологии. Точные даты и условия возникновения жизни остаются предметом дискуссий. В ушедшем году исследователи из Австралии изучили горные породы возрастом 3,48 млрд лет и выявили в них следы микроорганизмов. Это значит, что примитивные формы жизни могли появиться еще раньше — около 4 млрд лет назад. Интересно, что изученные горные породы принадлежат к сухопутным отложениям — а значит, колыбелью жизни мог быть не океан, а горячие источники на суше. Также в ушедшем году ученые исследовали молекулярные механизмы, которые сопровождали ранние этапы появления живых организмов. В частности, была поставлена под сомнение популярная гипотеза РНК-мира: согласно новым исследованиям, в возникновении жизни равное участие принимали РНК и белки.

3. Появление нового вида птиц

Обычно эволюция — очень долгий процесс, почти незаметный для человеческого взгляда. На то, чтобы какой-то признак закрепился в популяции, требуются сотни и тысячи лет. Поэтому ученые вынуждены иметь дело со свидетельствами эволюции, запечатленными в окаменелостях и ДНК, а обыватели сомневаются в реальности эволюции. Превращение одних видов в другие случается еще реже, и наблюдать за подобным — настоящая удача, которая проливает свет на многие загадки эволюции. В уходящем году исследователи объявили, что им удалось увидеть рождение нового вида птиц.

Открытие было сделано в культовом для всех биологов месте — на Галапагосских островах, вдохновивших Чарльза Дарвина на создание его теории. Супруги Розмари и Питер Грант, орнитологи из Принстонского университета, сорок лет изучали здесь дарвиновых вьюрков. Во время работы на островке Дафне они обнаружили, что к местным видам вьюрков присоединился пришелец с отдаленного острова Эспаньола, самец вида Geospiza conirostris, получивший прозвище Большая Птица. Из-за отсутствия самок своего вида, он спаривался с местными птицами. Потомки этих союзов настолько отличаются от других вьюрков по песне и внешнему облику, что могут быть признаны новым видом.

4. Эволюция признана бесконечной

В 2017 году отметил юбилей один из самых длительных эксперментов в истории биологии. Исследователи под руководством микробиолога Ричарда Ленски уже 30 лет наблюдают за развитием бактерий кишечной палочки Escherichia coli. За это время успело смениться 67 000 поколений, что соответствует миллиону лет человеческой эволюции. Несмотря на почтенный возраст, эксперимент продолжается и приносит новые открытия. Анализ его результатов, проведенный в прошедшем году, опроверг одну из популярных в современной биологии идей. По мнению многих экспертов, у адаптации есть предел: после того как вид идеально приспособится к стабильной среде обитания, его эволюция остановится. Однако десятилетия наблюдений за микроорганизмами доказали, что эволюция будет продолжаться даже в этом случае, а предела приспособляемости не существует. Это больше соответствует взглядам Чарльза Дарвина, нежели представлениям современных специалистов.

5. Новые признаки кризиса биоразнообразия

Многие исследователи склоняются к тому, что мы живем в эпоху Шестого массового вымирания — крупнейшего со времен исчезновения динозавров 65 млн лет назад. Скорость вымирания видов в настоящее время намного выше, чем когда-либо за последние миллионы лет — процесс уже называют «биологической аннигиляцией», и в нем виноват человек, уничтожающий животных, растения и среду их обитания. Одним из самых тревожных фактов, ставших известными науке в уходящем году, стал результат исследования голландских экологов, которые изучали численность летающих насекомых в Германии. Они обнаружили, что всего за 28 лет она сократилась на 76%, причем для летних месяцев эта цифра достигает 82%.

Ученые по всему миру и раньше подозревали, что насекомых становится меньше, но такая строгая и пугающая оценка дана впервые. Особенно неприятно, что исследование проводилось на территории заповедников, где вмешательство людей в природу ограничено. Авторы обнаружили, что вымирание насекомых нельзя объяснить ни погодными условиями, ни особенностями ландшафта. Возможно, виноваты изменения климата или использование пестицидов. Исчезновение насекомых — очень тревожный сигнал, ведь они служат кормом для многих других видов и являются важными опылителями, без которых погибнут не только дикие растения, но и сельское хозяйство.

6. Ученые научились выборочно стирать воспоминания

Нейробиология развивается быстрее, чем какая-либо другая отрасль биологии. В 2017 году было сделано множество удивительных открытий о том, как работает мозг: ученые выяснили, какое действие на него оказывают смартфоны, открыли в нем систему самоочищения и узнали, что люди, как и ИИ, способны к глубокому обучению. Среди этих новостей трудно выделить главную, но, возможно, таковой следует назвать новый шаг к управлению памятью. Экспериментируя с морским моллюском аплизией — классическим модельным объектом для изучения памяти — ученые научились выключать записанные в нейронах воспоминания. Для этого нужно было блокировать в нужных клетках фермент протеинкиназу М. В будущем исследование может помочь людям, страдающим от болезненных воспоминаний. Особенно эффективным этот прием может быть в борьбе с посттравматическим синдромом.

7. Диета способна вылечить диабет

Распространение диабета приняло характер настоящей эпидемии: по некоторым прогнозам, к середине века от него будут страдать до трети жителей США. Основной прирост составляет диабет 2-го типа, который связывают с излишним весом и неправильным питанием. На ранних стадиях врачи рекомендуют контролировать его с помощью диеты. Однако, как показало исследование ученых из Йельского университета, жесткие ограничения в питании могут даже полностью излечить диабет 2-го типа.

Свидетельства этому появлялись и ранее, но тщательное исследование было проведено впервые. Как оказалось, диета делала печень более восприимчивой к инсулину за счет снижения количества жира и препятствовала выработке глюкозы из других веществ. В эксперименте с грызунами положительные изменения начинались всего через 3 дня после введения ограничений в питании. Эти выводы подтверждаются работой ученых из Университета Глазго. Исследование с участием 300 пациентов показало, что сокращение числа потребляемых в день калорий до 800 на срок от 3 до 5 месяцев может полностью вылечить диабет без лекарств.
8. Разработан эффективный мужской контрацептив

Ученые давно пытались создать эффективный и удобный контрацептив для мужчин, подобный женским противозачаточным таблеткам. Презервативы, распространенное сегодня решение, кажутся многим неудобными и снижающими качество секса, а вазэктомия слишком радикальна. В результате в большинстве пар забота о предохранении ложится на женские плечи, либо используются ненадежные методы типа прерванного полового акта. В 2017 году, похоже, на этом направлении удалось достичь прорыва.

Команда ученых применила для контрацепции гель, который вводится в семявыносящие протоки и блокирует их, в результате чего сперма остается в организме и рассасывается. Двухлетние испытания на макаках показали 100-процентную эффективность препарата, а также отсутствие побочных эффектов вроде воспаления. Действие геля обратимо: «пробки» можно удалить, подействовав на них ультразвуком. Альтернативное решение использует гормоны, как в женских контрацептивах. Гель, содержащий прогестин и тестостерон, необходимо втирать в плечи, в результате чего число сперматозоидов падает до значений, при которых беременность невозможна. Масштабные испытания препарата начнутся в 2018 году. Исследователи надеются, что, в отличие от предыдущих гормональных мужских контрацептивов, их разработка не будет вызывать перепады настроения и другие неприятные последствия.

9. Более совершенные протезы

Создание сложных современных протезов — область, где медицина и биология встречаются с искусственным интеллектом и высокими технологиями. Разработчики искусственных конечностей уже не удовлетворяются созданием удобных и легких протезов, теперь их цель — сделать протезы столь же функциональными и ловкими, как настоящие человеческие руки. В 2017 году ученым и инженерам удалось приблизиться к решению этой задачи. Роборука, созданная сотрудникам Технологического института штата Джорджия, позволяет владельцу двигать каждым пальцем по отдельности. Эта возможность достигается за счет взаимодействия между протезом и мышцами в оставшейся части руки. Внедренный в руку ультразвуковой зонд определяет, какие из них движутся, и с помощью особого алгоритма переводит эту информацию в движения пальцев. Устройство достаточно совершенно, чтобы с его помощью можно было сыграть на пианино.

10. Поиски жизни в космосе

Интерес к космосу в последние годы стабильно растет, и вопрос «Одиноки ли мы во Вселенной?» вспыхнул с новой силой. Каждая пресс-конференция NASA 2017 года сопровождалась ожиданиями, что нам вот-вот объявят о находке внеземной жизни. Увы, в уходящем году этого так и не произошло. Однако ученые усовершенствовали способы поиска признаков жизни в космосе с помощью биомаркеров и разработали новые проекты миссий к потенциально обитаемым мирам, например, спутнику Сатурна Энцеладу.

Одной из главных надежд года стало открытие семи землеподобных планет в системе TRAPPIST-1, из которых шесть находятся в потенциально обитаемой «зоне Златовласки» (позже была обнаружена еще одна, у красного карлика Росс 128). Однако некоторые исследователи считают, что жизнь там невозможна: степень УФ-излучения звезды слишком велика и не оставляет возможности для существования атмосферы и углеродной жизни. Другим разочарованием стало открытие шотландских ученых, которые доказали, что поверхность Марса токсична для бактериальной жизни. Тем не менее, астрономы и биологи считают, что внеземная жизнь будет обнаружена уже через 10-15 лет.

Летняя школа по биоинформатике проводится ежегодно с 2013 года для 100 студентов, начинающих аспирантов и молодых специалистов биологических и технических специальностей, интересующихся биоинформатикой и желающих развиваться в этой области.

Место и даты проведения

Летняя школа пройдет с 31 июля по 5 августа 2017 на базе Московского физико-технического института (Долгопрудный, Московская область).

Программа

Основная тема школы этого года - интеллектуальный анализ данных . Программа будет включать лекции и интенсивные занятия по основным предметам, необходимым для успешного освоения биоинформатики и анализа данных.

Занятия пройдут в формате лекций, семинаров и работы над научными проектами. Рабочий язык - русский.

Программа школы поделена на два основных потока:

• информатики и математики
• биологи и медики

Программа состоит как из общих лекций для всех участников, так и более специализированных занятий по потокам.

Расписание | | Лекторы |

Уровень подготовки

Школа рассчитана на начальный уровень знаний и будет полезна студентам бакалавриата или первого года магистратуры. Если вы уже давно занимаетесь биоинформатикой, школа покажется вам слишком легкой.

Однако для понимания большинства лекций требуются базовые знания биологии и генетики. Информатикам овладеть ими можно с помощью бесплатного онлайн-курса «Молекулярная биология и генетика ». А для биологов и медиков для работы на семинарах обязательно прохождение вводного курса по программированию на R и Python .

Научные проекты

Для желающих полноценно погрузиться в биоинформатику будет организована командная работа над реальным проектом по анализу данных в биоинформатике. Информация о проектах будет доступна всем прошедшим отбор участникам. .

Выступление с докладом

На школе будет проходить однодневная конференция для тех, кто уже начал заниматься биоинформатическими проектами. Тезисы необходимо прикрепить к заявке, проводится конкурсный отбор. Тезисы будут опубликованы в сборнике летней школы. .

Условия участия

Проводится конкурсный отбор, всего на школу будет отобрано 100 человек (по 50 на каждый поток) .

Подавать заявки могут участники из любых стран, если для вашего приезда не требуется виза или вы можете оформить её самостоятельно.

Стоимость (включая проживание, трехразовое питание и кофе-брейки, все материалы, все мероприятия в рамках школы) составляет 18 тысяч рублей. Авторы лучших заявок получат гранты от организаторов и спонсоров школы, полностью покрывающие участие, проживание и питание на школе.

Школа будет проходить в корпусах МФТИ в Долгопрудном, Московская область.

Трансфер до/от места проведения предоставлен организаторами. Транспортные расходы до/от города проведения все участники оплачивают самостоятельно. Мы призываем вас обращаться за грантовой поддержкой в ваши университеты и научные институты!

Как подать заявку

Сотрудничество

Летняя школа - некоммерческий проект, направленный на развитие российской биоинформатики. Мы стремимся сделать школу доступной для лучших студентов и аспирантов России и СНГ и будем рады найти новых партнеров, неравнодушных к биоинформатике и развитию талантливой молодежи!

Ваша поддержка поможет сделать участие возможным для как можно большего числа студентов. Наша цель - сделать участие бесплатным для всех участников.

По вопросам партнерства пишите, пожалуйста, Наталье Машьяновой: [email protected] .

Сотрудники лаборатории гидрометеорологии Арктики Гидрометцентра РФ вместе с зарубежными коллегами изучили процессы сокращения площади морского льда Северного Ледовитого океана и спрогнозировали их климатические последствия. Погодные аномалии, в частности холодное и дождливое лето 2017 года на европейской территории России, скорее всего, являются следствием сокращения площади ледяного покрова Северного Ледовитого океана. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале Environmental Research Letters.

Процессы таяния льдов Арктики в наши дни значительно ускорились. За последнее десятилетие площадь морского льда (оцениваемая в конце летнего периода) сократилась примерно на 40%. Исчезновение арктических льдов чревато серьезными экологическими последствиями, в частности вымиранием редких видов животных. С другой стороны, освобождение вод Северного Ледовитого океана из-подо льда открывает новые возможности в разработке полезных ископаемых на арктических шельфах, расширяет зону промышленного рыболовства, улучшает условия для навигации.

Сотрудники Гидрометцентра РФ вместе с коллегами изучили процессы таяния льдов в приатлантической части Северного Ледовитого океана и описали последствия этих процессов для всего Арктического региона. В результате работы получена целостная картина гидрометеорологических изменений в Арктике.

Теплые океанические течения приносят прогретые воды из Атлантического океана в Арктический бассейн и Баренцево море, обеспечивая ускоренное таяние льдов. Свободные ото льда акватории эффективно поглощают солнечную энергию и быстро прогреваются, отдавая излишек тепла и влаги в атмосферу. Затем воздушные потоки и крупные штормы перераспределяют тепло и влагу почти по всей территории Арктики, что приводит к изменениям энергетического баланса между океаном и атмосферой. В частности, ученые установили, что значительно возрастает нисходящее длинноволновое излучение (НДИ). Это инфракрасное (тепловое) излучение, испускаемое в первую очередь водяным паром и облаками и направленное к земной поверхности. Возрастание НДИ способствует нагреванию и таянию арктического морского льда.

Российские ученые обратили внимание на существенное влияние крупных штормов и режима атмосферной циркуляции на состояние ледяного покрова. Например, шторм Фрэнк, произошедший в декабре 2015 года, принес в высокие широты Арктики аномально высокую температуру (отклонение от средней климатической температуры составило 16°С), а поток НДИ увеличился на 60 Вт/ кв. м (по сравнению с климатической нормой). В результате уменьшение толщины льда в некоторых регионах Северного Ледовитого океана достигло 10 см.

Данные о площади морского льда ученые получали со спутников, а поля распределений температуры, давления, влажности и излучения из так называемого продукта реанализа (ERA-Interim). Реанализ представляет собой компьютерную модель, усваивающую многолетние данные наблюдений (радиозондовых, авиационных и др.) за различными характеристиками атмосферы.

«Новые знания, полученные в результате нашей работы, позволяют более точно анализировать причины и последствия процессов, происходящих в Северном Ледовитом океане. Если достаточно большая область Арктики оказывается не покрыта льдом, возможны вторжения холодного и влажного воздуха на европейскую территорию России. В последнее время такая ситуация наблюдается все чаще и чаще и становится причиной погодных аномалий, таких как нетипично холодное лето 2017 года», — рассказал заведующий лабораторией гидрометеорологии Арктики, доктор физико-математических наук .

Метеорологам необходимо разработать новые алгоритмы, включающие в себя информацию о природных процессах, происходящих в Арктике. Это позволит сделать прогнозы погоды более надежными и учитывающими современные климатические изменения.