Художественная биология

Биолог Дэвид Гудселл, научный сотрудник Скриппсовского исследовательского института в Ла-Хойе, рисует биологические структуры. Причем старается, чтобы они выглядели не объектами научного исследования, а произведениями искусства, продуктом фантазии художника. Зачем он это делает?

Знаменитый рисунок Гудселла бактериальной клетки, с которого пошла художественная биология. Что мы видим на картинке? Фрагмент кишечной палочки. У нее есть мембрана из двух слоев, построенных из липополисахаридов, между которыми расположена сеть из пептидоглюканов, то есть соединений из белков и сахаров. В мембрану встроен жгутик, а под ней расположен молекулярный мотор, который вращает этот жгутик, и клетка бактерии плывет в нужном ей направлении. Далее расположена цитоплазма, заполненная различными белками, а ниже — нуклеоид с нитями ДНК и связанными с ними белками

Вышла такая история. В США существуют программы, посвященные связи науки и искусства: для ее укрепления создают, например, пары из исследователя и художника, которые совместно делают какую-то работу. Во время участия в такой программе Дэвида и осенило, что труд художника сложнее, чем труд исследователя.

Ведь как оно все в науке устроено? Да все зажато в жесткие рамки. Современный ученый изучает объективно существующий мир. Он проводит эксперименты, результаты которых должны воспроизводиться. Он придумывает гипотезы, однако они должны не противоречить установившейся в научном сообществе парадигме. Он ищет способы проверки или опровержения выдуманных гипотез.

А вот у художника гораздо меньше ограничений: при формировании своего сообщения в виде рисунка или картины он ограничен только своей фантазией, умением работать с карандашом и кистью, а также свойствами выбранных материалов. Фактически он из мусора создает новые миры. И, в отличие от ученого, без всяких чертежей, заданных научными данными. Он все должен придумать сам, от начала до конца.

Вдохновленный возможностью несколько ослабить ограничения научного метода, Дэвид Гудселл задался вопросом: а смогу ли я нарисовать, скажем, клетку бактерии так, чтобы она была похожа на настоящую? Он углубился в научные журналы, базы данных, содержащие сведения о строении биологических молекул, и понял, что есть ответ на поставленный вопрос — «Да, отчасти эта задача разрешима».

Конечно, нужно применить изрядную долю художественного воображения и научной интуиции, ведь оказалось, что знания об очень многих деталях, необходимых для такого рисунка, отсутствуют. Поэтому приходилось непосредственно во время работы придумывать все новые и новые гипотезы, позволяющие представить, как же биополимеры закручиваются друг вокруг друга. Рисунок удался, и теперь по мере появления новых научных данных исследователь это изображение совершенствует. А также создает новые опусы из раздела художественной структурной биологии — как сам, так и при помощи коллег.

Атака вируса ковида выглядит так. Шипы его частицы соединились с мембраной клетки и прочно в ней заякорились. Оболочка вируса в месте контакта прожгла мембрану клетки, сформировав пору, и в это отверстие ворвался десант из вирусных РНК. Распространяясь по клетке, они вынудили ее рибосомы начать синтез вирусных белков, которые изображены в виде червячков. Клетка потратит все свои силы на их синтез и погибнет. А результатом ее трудов воспользуется вирус: из созданных белков соберутся его новые частицы и продолжат заражение. Если, конечно, не будут уничтожены иммунной системой

В результате сформировалось сообщество SciArt; оно объединяет художников, которые занимаются темами науки, исследователей, которые используют искусство в своей работе, а также других заинтересованных специалистов. Не всякий владеет кистью и карандашом. Для таких людей создано программное обеспечение, которое позволяет любому исследователю рисовать структуры из биологических молекул.

Рисование молекул и сборка из них каких-то объектов — это не просто расстановка на листе бумаги разноцветных шариков на определенном расстоянии друг от друга.

У сложных молекул, тех же белков, участки различаются электрическими зарядами, способностями притягивать или отталкивать молекулы воды. Это нужно обязательно учитывать при расположении таких молекул в нарисованном биологическом объекте: электрические поля определяют конфигурации получающихся структур.

Похоже, что одним из пионеров в деле сращивания науки и искусства был американский художник Чесли Боунстелл. В детстве, в 1905 году, он увидел в телескоп Сатурн, и это зрелище так потрясло мальчика, что он сразу нарисовал удивительную планету, правда, рисунок потом погиб в пожаре. Впоследствии Боунстелл стал архитектором, однако в конце концов вернулся к детскому увлечению: совместил любимую астрономию с архитектурным профессионализмом и стал рисовать пейзажи других планет.

Такой вид, по мнению Чесли Боунстелла, открывается с Титана на Сатурн. Это фантастическая картина: атмосфера Титана столь плотна, что никакого небесного тела сквозь нее не разглядеть. А вот горы, покрытые этановым снегом на берегу метанового океана, вполне имеются

И добился успеха. Например, подборка видов Сатурна с различных спутников была опубликована в 1944 году в журнале «Life». Качество этих картин оказалось таково, что их можно было спутать с документальными фотографиями. Чтобы добиться эффекта документальности, художник изготавливал глиняные модели инопланетных пейзажей, играл со светом, и в результате картины воспринимали не как плод фантазии, а как отражение реальности. Так он стал основоположником «космического искусства».

Сейчас это направление активно эксплуатируют астрономы, когда пытаются донести до публики свои представления о далеких мирах. Например, встречающиеся в пресс-релизах обсерваторий изображения черных дыр, окруженных бушующими облаками падающей в них материи, или инопланетные пейзажи, демонстрирующие, скажем, восход двух светил, — все это фантазии художников, правда, построенные на основании научных наблюдений.

В принципе, существует такое направление искусства, как визуализация объектов науки, когда художник стремится создать картинку, максимально соответствующую научным данным. Один из лидеров в области визуализации науки — студия Visual Science, которая именно благодаря достоверности своих иллюстраций довольно успешно собирает заказы как издательств, так и научных лабораторий на изображение биологических объектов, от клеток и вирусов до анатомических атласов (см. «Химию и жизнь» 2013 №1).

Добиваться достоверности им помогают изощренные математические алгоритмы, помогающие создавать в компьютере трехмерные модели объектов, а потом превращать их в плоские иллюстрации, давать изображения разрезов, демонстрирующих внутреннее устройство.

Чтобы убить вирус, на него надо напустить антитела. Для борьбы с ковидом биологи придумали такой элегантный способ. Они создали другой вирус, безвредный для человека бактериофаг; на рисунке он изображен в виде палочки с щупальцами на конце. К этой палочке, подобно перьям, приделаны эпитопы — фрагменты белка шипа вируса ковида. Иммунная система распознает эти фрагменты и начинает вырабатывать антитела к нему, которые на рисунке имеют форму трилистника. Эти антитела облепляют шипы частицы вируса, и судьба злодея предопределена. Впрочем, достается и фагу — к нему тоже цепляются антитела, ведь именно расположенные на его поверхности эпитопы вызвали иммунную реакцию

Идея Гудселла принципиально иная: не создание иллюстраций для того, чтобы представить результат работы на конференции, а исследование объекта науки художественными методами. Поэтому этим должен заниматься не дизайнер, а непосредственно ученый: именно в таком труде, формируя рисунок, он получает возможность в прямом смысле проникнуть в суть изучаемого объекта или процесса. Ведь без осознания взаимосвязей, делающих этот объект именно таким, а не каким-то иным, сделать хороший рисунок невозможно.

«Процесс создания изображения какого-то биологического объекта очень увлекателен. Необходимо собрать данные из самых разных областей науки, свести их воедино, заполнить лакуны с помощью воображения. Не сомневаюсь, что исследователи получают от такой деятельности очень многое, ведь они ищут и соединяют самую разную информацию о деталях планируемого изображения и в итоге лучше понимают объект своего исследования.

Этот вид искусства дает нам возможность лучше понять изучаемое явление и генерировать новые гипотезы, которые связывают разрозненные факты в единую картину. Так возникает мощный фундамент для будущих размышлений. Раскрепостив фантазию, ученые начинают искать ответы на очень сложные вопросы об устройстве мира, и это прекрасно!

Мои картинки устаревают в тот самый момент, когда я их заканчиваю. Но в этом и есть прелесть научного искусства: изображения фиксируют текущее знание об изображаемом объекте и так закладывают основу для дальнейших дискуссий и научных поисков», — рассказывает Дэвид Гудселл. А как его идеи воплощаются в виде изображений, можно судить по картинкам, сопровождающим эту заметку.

Фантазия на тему Последнего общего предка, LUCA (last universal common ancestor). Биологи считают, что вся жизнь на Земле вышла из одной-единственной клетки. Она оказалась столь успешной, что, быстро размножаясь, поглотила все ресурсы, не оставив конкурентам ни малейшего шанса. Гудселл попытался изобразить одну из гипотез, объясняющих этот успех. На рисунке LUCA делится. В стенке поры, еще соединяющей расходящиеся дочерние клетки, расположены два белка, по обе ее стороны. Они вцепились в цепочки ДНК, которые пока что связаны между собой, и протаскивают их сквозь пору каждый в свою сторону. А похожий на крестик белок отъединяет одну молекулу от другой. Именно благодаря умению разделить пару цепочек ДНК на две отдельные молекулы и растащить их в дочерние клетки, LUCA смог разделиться на две идентичные особи, обладающие способностью к воспроизведению себе подобных. Интересно, что первое же такое деление покончило с единством жизни: возникли две ее линии и потом они стали только ветвиться, но никогда не соединяться. Вплоть до возникновения полового размножения, когда в одном организме сливаются клетки двух разных особей

Изображения: David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank