Эксперты рассказали о практиках использования инструментов citizen science в биологии, биотехнологиях и нейронауках. Александра Борисова, исполнительный директор АКСОН и директор проекта «Люди науки», рассказала об истоках гражданской науки и наиболее значимых проектах, которые реализуются сейчас. Александра Хлопотова, заместитель директора по научно-исследовательской работе и экологическому просвещению Висимского государственного заповедника, рассказала, как инструменты гражданской науки используют в своей работе биологи.
Директор Института когнитивных нейронаук Высшей школы экономики Василий Ключарев объяснил, как простые люди могут помочь ученым в исследованиях мозга, а декан факультета биотехнологий ИТМО Михаил Курушкин поделился подробностями нового проекта химико-биологического кластера, в котором ученые обращаются за помощью к школьникам.
Публикуем краткий пересказ выступлений экспертов.
Citizen Science в России и в мире
Термин «Гражданская наука» пришел в русский язык как калька с английского. По определению из Оксфордского словаря, «Citizen Science» буквально означает научную работу, которую проводят люди без специального образования — вместе с учеными или под их руководством. В России еще используется термин «научное волонтерство» — это подчеркивает, что люди занимаются научными исследованиями для собственного удовольствия, а не в качестве работы.
В широком смысле к этому понятию относится любое взаимодействие с научным исследованием: например, участие в испытаниях и экспериментах, заполнение опросников и анкет, участие в интервью, ведение дневников наблюдений и так далее. В узком смысле гражданская наука предполагает гораздо более сильное вовлечение в процесс, когда человек является не только ценным информатором или объектом исследования, но и самим исследователем: он собирает информацию в поле, участвует в анализе массивов данных, помогает решать какие-то научные задачи.
Если углубиться в историю, можно отметить, что неспециалисты помогали ученым собирать научные данные еще на заре становления науки. Например, в 19 веке американский морской офицер, океанограф и метеоролог задумал составить наиболее подробную карту морских течений и ветров. Для этого он попросил обычных мореплавателей вести наблюдения за погодой во время своих перемещений. В итоге благодаря множеству моряков из 13 стран мира удалось составить первую в мире метеорологическую карту морей и океанов — что стало большим подспорьем для самих мореплавателей.
Виды деятельности, которыми могут заниматься научные волонтеры, можно разделить на несколько направлений: сбор и анализ данных. Самый живой и активный тип гражданской науки — это именно сбор данных, той информации, которую невозможно получить, сидя за компьютером. Сюда можно отнести привычные виды волонтерства, например, участие в археологических экспедициях, помощь в работе в заповедниках, интервьюирование людей для этнографических и социологических исследований и так далее.
Однако для помощи науки не обязательно ехать куда-то далеко: часто большее значение имеют те данные, которые можно собрать именно из той конкретной точки, где находится человек. Сейчас большую популярность набирают проекты по наблюдению за флорой и фауной — например, в приложении iNaturalist зарегистрировано уже больше трех с половиной миллионов пользователей, которые зафиксировали 57 миллионов наблюдений.
Другой вид научной деятельности, который очень нуждается в помощи волонтеров, ― анализ данных. Дело в том, что сейчас ученым приходится работать с колоссальным объемом сырых данных — далеко не все из них можно обрабатывать в автоматическом режиме. Прежде чем отдать массив данных алгоритму машинного обучения, его нужно аккуратно и внимательно разметить — иначе алгоритм обучится неправильно и выдаст нерелевантный результат. Поэтому все данные должны быть тщательно рассортированы вручную, а затем проверены после обработки алгоритмом — для этого требуется очень и очень много человеческого труда.
Наиболее известные примеры проектов гражданской науки: Galaxy Zoo, в котором волонтеры изучают космические снимки, Rodent little brother — коллективный дневник наблюдений за поведением лабораторных мышей, Penguin watch — распознавание пингвинов на снимках со спутников. Популярность набирает новый формат — игры в жанре головоломки, в которые на самом деле упакован процесс анализа данных. Например, красочная игра Eyewire помогает ученым построить подробную трехмерную карту мозга, проект EteRNA позволяет лучше понять сложный процесс фолдинга молекул, а головоломки от Crystal crop fever решают задачи квантовой физики.
Множество проектов научного волонтерства можно найти на портале Люди науки, который был запущен в конце прошлого года. Он создан специально для того, чтобы дать возможность российским ученым быстро и эффективно набирать команду энтузиастов под конкретные задачи, а волонтерам — находить интересные проекты и знакомиться с единомышленниками.
Новые платформы в помощь биологам
В советское время очень популярной была тема любительского натурализма: многие люди занимались фотоохотой, собирательством гербариев, исследованиями флоры и фауны мест, где они живут. В 90-х престиж этого занятия сильно снизился, но сейчас, с появлением новых удобных и, главное, интересных инструментов гражданской науки, все больше людей вовлекаются в процесс сбора данных для различных научных исследований.
Самой популярной и масштабной платформой гражданской науки стало приложение iNaturalist: количество его пользователей растет в геометрической прогрессии, только за прошлый, 2020, год там зарегистрировалось полтора миллиона человек. Это уже вполне можно назвать социальной сетью.
В научной среде к iNaturalist относятся неоднозначно. С одной стороны, такой инструмент является огромным подспорьем для тех же орнитологов: он помогает отслеживать путь миграции птиц, их ареал, фиксировать их необычное поведение — например, зимовку в непривычных для вида местах. Но с другой стороны, люди отмечают места появления редких птиц, охраняемых Красной книгой, что делает их потенциальной жертвой браконьеров.
В любом случае, биологи очень активно используют данные из приложения для своих исследований, уже существует большое количество научных работ, написанных именно благодаря работе натуралистов-энтузиастов, причем число этих публикаций ежегодно растет.
В 2020 году взаимодействие ученых с платформой вышло на новый уровень — популярными стали челленджи, блицы и соревнования, приуроченные к конкретному исследованию. Например, платформа используется для акции «Серая шейка», во время которой людям предлагается поучаствовать в подсчете зимних водоплавающих птиц. Союз охраны птиц России проводит на площадке iNaturalist конкурс для бердвочеров «10 зимних выходных» — в нем принимают участие более тысячи человек.
Не только испытуемые, но и испытатели
Традиционно представление о волонтерстве в сфере наук о мозге ограничивается лишь участием в испытаниях. Проведение тестов и экспериментов на как можно большем числе людей действительно очень важно для всех наук, связанных с изучением психики, поведения, когнитивных функций и так далее. Ведь существует довольно интересная проблема, которая называется WEIRD Science (Western, educated, industrialized, rich and democratic).
Дело в том, что большинство нейробиологических и психологических исследований сделано на очень маленькой группе испытуемых — в основном, студентах американских и европейских университетов. Но уже существует ряд научных работ и статей, которые доказывают, что мозг работает по-разному в зависимости от культуры, национальной принадлежности и социального статуса.
Поэтому, в частности в Центре нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ регулярно приглашают сотни испытуемых для пополнения большой базы с данными о структуре мозга — записаться можно прямо через форму на сайте. Для исследователей это возможность собрать подробный архив, а для волонтеров — познакомиться с Институтом когнитивных наук и работой, которая в нем ведется.
Но сегодня в нейронауках появляется возможность стать не только объектом для изучения, но и активным участником процесса. Например, уже появились гаджеты, с помощью которых можно записывать активность мозга в домашних условиях и изучать его работу с помощью приложения на телефоне.
А еще нейробиологам требуется помощь в обработке больших массивов данных. Ведь мозг — это сложнейшая структура из миллиардов нейронов, объединенных триллионами связей. Конечно, все это очень сложно исследовать и анализировать. Здесь и приходят на помощь проекты гражданской науки — некоторые из них весьма успешны.
Например, Mozak, в котором волонтерам предлагается определить объекты на фотографиях мозга и таким образом расшифровать его структуру. У проекта сложная архитектура: она задействует как методы машинного обучения и автоматические процессы, так и труд людей.
Другой очень успешный проект — Eyewire, благодаря которому мы наконец-то начинаем понимать структуру сетчатки. Раньше это было невозможно — ведь она настолько сложна, что одному человеку не хватило бы и целой жизни для такой работы. Еще один проект, Stall Catchers, решает очень актуальную и важную задачу — борьбу с болезнью Альцгеймера.
Пока что у нейробиологов нет единого мнения по поводу научного волонтерства: одни считают, что вышеупомянутые проекты помогут собрать большое комьюнити талантливых энтузиастов, которые вместе с учеными смогут решить многие загадки мозга, другие высказывают сомнения в качестве результатов таких DIY-исследований. Поэтому в любом случае подобные проекты обязательно должны выполняться под руководством экспертов, а все полученные результаты — перепроверяться и верифицироваться.
Привлечение школьников к прорывным научным открытиям
Михаил Курушкин рассказал о новом проекте SCAMT, реализуемом в сотрудничестве с Кубанским государственным университетом, — «Интернет бактерий». Проект посвящен поиску новых штаммов микроорганизмов с уникальными электроактивными свойствами — чтобы использовать их для разработки микробных топливных элементов.
Сама технология и прототип прибора, который может стать источником альтернативной энергии, уже разработаны в SCAMT. Но для того, чтобы новый топливный элемент мог действительно конкурировать с уже существующими решениями, ученые планируют вывести генетически модифицированную бактериальную культуру.
Сейчас ученые заняты тем, чтобы собрать как можно больше данных о самых разнообразных бактериях, обитающих на территории России. Это нужно для того, чтобы собрать необходимую базу для геномного анализа и выделения генов, отвечающих за электроактивность — для последующего их секвенирования и создания микроорганизмов с необходимыми свойствами.
Гипотеза ученых состоит в том, что наиболее вероятные места обитания бактерий с нужными свойствами — почвы, в которых есть электронные акцепторы: железо и марганец в определенной степени окисления. А это места добычи нефти, полезных ископаемых и некоторые участки тайги.
Такую масштабную задачу невозможно выполнить ресурсами лишь одной научной группы — поэтому авторы проекта решили обратиться к инструментам гражданской науки и разработали уникальный формат привлечения к исследованию школьников из детских кванториумов по всей России.
В конце прошлого года в 13 городов страны были отправлены специальные наборы со всеми необходимыми комплектующими, программно-аппаратным блоком и инструкциями для самостоятельной сборки. Получается, по сути, батарейка из почвы, где в качестве электролита используется аборигенная почва. Ученики собирают прибор, проверяют в нем образцы почвы и загружают данные с прибора в облачное хранилище. Если обнаруживается экстраординарная электрическая активность, волонтеры связываются с командой проекта и отправляют образец в лабораторию ИТМО.
Таким образом не только решается конкретная научная задача — которую было бы невозможно решить без привлечения волонтеров, — но и создается инфраструктура, в которой юный энтузиаст может приобщиться к инновационным биотехнологиям, экологическому инжинирингу и даже стать автором научного открытия. У каждого участника есть шанс стать первооткрывателем нового штамма бактерий и дать ему
имя, а также быть упомянутым в качестве соавтора научной статьи по результатам проекта.
Стоит отметить, что команду проекта консультирует Карен Купер — одна из лидеров движения citizen science, а также Янис Иерополус — ведущий специалист в области топливных микробных элементов, и Алла Лапидус — член научной группы, которая занималась первым секвенированием генома человека.
Посмотреть полное видео выступлений спикеров можно по ссылке.
