Росток, линейка и приложение: как работа одной выпускницы может повлиять на науку и экологически-ответственное поведение

Анна Передня, Тамирис Тедеева, 11 июля 2022

Катя Иванова заканчивает четвертый курс факультета химической биотехнологии в Технологическом институте. Вместе с научным руководителем Григорием Владимировичем она проводит исследование: выращивает ростки помидоров и огурцов и измеряет флуктуирующую асимметрию. Это поможет создать базу для мобильного приложения для контроля экологической обстановки окружающей среды. Мы встречаемся в лабиринте корпусов Технологического института. Здесь проходит кропотливый эксперимент, важный для экологии в быту и в науке. Выпускница-биотехнолог Катя и кандидат биологических наук Григорий Владимирович помогут нам узнать, что такое флуктуирующая асимметрия, биоиндикация, при чём здесь научный спор и мобильное приложение.

Биоиндикация - сложное слово, но простое в деле

В чём суть биоиндикации нам объясняет Григорий Владимирович: «В экологии есть такой подход: мы берем точный прибор и измеряем им содержание тяжелых металлов, бензпирена, к примеру. Но мы понимаем, что все измерить не можем. Всегда есть что-то неизвестное. Вот это «неизвестное» в сумме своей влияет на состояние живых существ. Можно проводить биоиндикацию по самым разным вещам: размер листа, рост растения, количество лепестков. Все, что можно измерить или сосчитать, все это можно использовать в качестве биоиндикации. Биоиндикация – это оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию растений и животных в природных условиях. Вот Катя использует флуктуирующую асимметрию».

Флуктуирующая асимметрия – это билатеральные признаки. Например, рука правая и левая, зубы с одной и другой стороны, глаза, асимметрия лица. Но оказалось, что у идеи значимости флуктуирующей асимметрии в биоиндикации есть как сторонники, так и противники. Поэтому исследование во многом началось со спора: Двое ученых взялись за разрешение одного вопроса: так ли важна и показательна флуктуирующая асимметрия? Григорий Владимирович списался со своим коллегой из финского университета Турку Алексеем Козловым. Профессор предложил поставить эксперимент, доказывающий или опровергающий значимость флуктуирующей асимметрии в оценке экологической обстановки. Какое из двух соперничающих научных течений окажется правым – покажут результаты работы Кати.

Оказалось, что биологическую обстановку можно оценить при помощи линейки. К примеру, вы решились купить землю. Можно, конечно, собрать анализы и сделать исследования. Во-первых, это дорого. Во-вторых, свободно взять пробы на ещё чужом участке – проблематично. В-третьих, материал может быть не репрезентативен. Оценить экологическую обстановку проще по результатам измерения травинок, их распределения. Если все идеально, получится Гауссово распределение, то есть устойчивое, нормальное. Любой совершенный объект подчиняется закону распределения – красивым математическим законам. Вот что об этом говорит Григорий Владимирович: «Возьмите пропорцию у художников. Чем более совершенна система, тем более она подчиняется простым математическим законам. Если у нас имеется какое-то вредное воздействие, то асимметрия будет в ту или иную сторону смещаться. Чем хуже экологическая ситуация, тем больше отличия распределения от нормального. Это работает на всем: начиная с иголок сосны, заканчивая здоровьем матери ребенка. Мы можем собрать какое-то количество иголок или листочков, посмотреть их, построить распределение – это когда вы знаете биостатистику. Но если у вас есть смартфон, то совершенно спокойно можно сделать приложение и сфотографировать эти листочки и тут же получить кривую распределения».

В лаборатории

Несколько раз в неделю Катя приходит понаблюдать за тем, в каком состоянии находятся ростки записывает все имеющиеся показатели. Об этапах исследования, сложностях, возникающих в процессе работы, Катя рассказала следующее: «При посадке брали определенную концентрацию тяжёлых металлов. Также у нас был один ряд контрольных растений, которые были политы просто чистой водой. Мы брали дистиллированную воду и растворяли определённое количество тяжелых металлов. Мы выбрали именно медь и цинк – это регулярно встречающиеся металлы в почве в результате антропогенной деятельности. У нас ещё был опыт, связанный с сульфатами. В общем-то, что хлорид, что сульфат – это такие простые соли, которые активно везде используются, и на них более, наверное, показательно было бы изучать загрязнения почвы. Чтобы у нас плюс-минус все одинаково выросло, потому что в любом случае какие-то семена не взойдут, мы выбирали сорт, у которого будет гарантированная всхожесть. Изначально мы изучали на чашках Петри, то есть семечки заливали раствором и смотрели, как они прорастают. Потом мы перешли к разным видам грунта. Пытались их сажать в перлит и вот в почву. Перлит – это такой вспененный силикатный грунт, но, к сожалению, в перлите у нас ничего не выросло, потому что он очень плохо впитывает влагу. И таким образом мы перешли к почве. Четверть, одна шестнадцатая – это те концентрации, которые были выбраны в результате прошлых опытов, при которых флуктуирующую асимметрию отловить можно».

Экологически-ответственный пользователь

Исследование Кати – это база для будущего мобильного приложения. Трудоемкий и кропотливый эксперимент с линейкой, микроскопом и математической формулой переносится в смартфон. Всё, что нам остаётся, когда нужно узнать, хороша ли экологическая обстановка в какой-нибудь местности – загрузить в специальное приложение фотографии нескольких листьев или иголок и получить результат. Это такое сокращение дистанции между фундаментальной наукой и бытовой практикой.

Кто-то может задаться вопросом, какую реальную пользу могут принести исследования Кати? Дело в том, что данный эксперимент закладывает научную основу для прикладных программ и приложений, которые помогут мониторить экологическую обстановку как простым гражданам, так и ученым. Катя и её научный руководитель объяснили это так: «Люди могут внести посильный вклад в дело контроля экологического состояния окружающей среды. Как? Делаете выборку листьев, сканируете или фотографируете. Приложение обрабатывает данные и строит распределение. Если добавить туда еще объём выборки, оно это распределение достраивает. Мы смотрим, каково значение флуктуирующей асимметрии, какова площадь листа, каков его, допустим, цвет. Он тоже может быть распознан. На самом деле, уже есть готовые очень серьезные блоки распознавания. К примеру, видовой принадлежности. Таким образом, можно делать биоиндикацию по какому-то месту. Важно понимать: чем больше вы собрали, тем лучше. Екатерина создает биометрическую основу для будущих приложений. Есть такой сервис, который распознает вид: наводишь камеру на сосну, и тебе выдается точное название дерева. У такого ресурса есть ещё вторая вещь: он собирает базу данных распознанных видов. Это все – основа для еще более сложного перспективного проекта. Фактически, с помощью смартфона экологические активисты смогут выявлять очаги загрязнения с тем, чтобы там делали исследования Роспотребнадзор. Цветущая зелень далеко не всегда говорит о том, что там все хорошо».

О научном интересе

«За любым научным исследованием всегда стоит личный интерес. Этот человеческий фактор, в свою очередь, – уже объект нашего исследования», – размышляет Григорий Владимирович. О том, как зарождался интерес Кати к серьезному научному исследованию и какие шаги были сделаны за два года в университете, девушка рассказывает так: «На втором курсе, когда у нас была биологическая статистика с Григорием Владимировичем, я изучала жёлуди – взвешивала, но ничего не выращивала. На третьем курсе появился предмет «экологическая биотехнология», и по нему мы делали курсовые работы. Григорий Владимирович предложил исследовать все интересные моменты, связанные с биотестированием, флуктуирующей асимметрией, только уже на культурных растениях. Мы выбрали огурец и томат. Эти культуры важны как для сельского хозяйства. Мы все потребляем огурцы и томаты, и нам очень важно знать, что всё это росло в нормальной почве. Тяжёлые металлы, как известно, негативно влияют на здоровье человека. Причём мизерные концентрации накапливаются в организме. Это вызывает не какие-то легко улавливаемые проблемы со здоровьем, а такие, которые могут годами не проявляться. Изначально мы проводили опыт на чашках Петри: подбирали концентрацию, от которой, грубо говоря, всё сразу не помрет, но эффект будет. У нас был огромный диапазон концентраций и большая выборка».

В дальнейшем Катя планирует углубиться в тему биоиндикации и работу с культурными растениями. Причина проста: как биотехнологу и потребителю Кате важно, чтобы больше продуктов были экологически чистыми. «Я как человек, который множество раз пытался выращивать дома разные растения, могу сказать так: гораздо проще закинуть удобрениями и знать, что тот же помидор от них вырастет и даст урожай. В промышленных масштабах мы понимаем – это деньги. Насколько продукт будет отравлен, насколько людям будет от него плохо – это уже дело десятое».