А. Г. Козленко

Информационная культура и/или компьютер на уроке биологии

Продолжение. См. № 17, 18, 19, 20, 21/2008

Учебный план курса

Лекция 6. 3D-модели в биологии: оценка эффективности, анализ альтернатив

У лягушки сетчатка шлет в мозг сигналы, организованные таким образом, что уже в самой сетчатке происходит различение объектов по их признакам например, «выпуклых» от «плоских» [или «движущихся» от «неподвижных». – А.К.]. Напротив, у высших животных эта функция передана мозгу от органов чувств, которые, утратив более раннюю автономию, становятся всего лишь «датчиками», выдвинутыми в окружающую среду. Восприятие того, что в ней «важно», перестает быть «заданным» наследственно, теперь животное должно этому восприятию обучаться.

Станислав Лем. Философия случая

Вынесенная в эпиграф цитата подчеркивает, что целостный образ мира – результат познавательной активности мозга, результат суммирования информации от разных органов чувств и их интерпретации. И привычное трехмерное восприятие человеком пространственного мира является иллюзорным, виртуальным – оно формируется в результате обработки разными участками мозга информации с плоских участков сетчатки обоих глаз. Поэтому не удивительно, что в трехмерном моделировании на плоском экране компьютера продолжается чередование настоящего (если таковой существует) и иллюзорного миров трех измерений, проходящее через всю историю человеческой культуры.

Возникновение изобразительного искусства в антропогенезе, развитие двумерных проекций и трехмерного представления образов человеком, диалог живописи (графики) и скульптуры (выполнявших, возможно, и роль чертежей и моделей технического плана) весьма интересны с точки зрения культурологии – в рамках нашей темы достаточно вспомнить некоторые показательные примеры. Первобытная культура создала наряду с предельно реалистичными образцами (например, изображениями в Альтамире) образный символический язык, представляющий мир на плоскости (возможно, тут сыграла роль близость искусства к сакральному, как, например, в средневековом искусстве). Так, рис. 6.1 изображает небесную колесницу – космогонический символ, аналогичный (гомологичный?) колеснице Гелиоса в древнегреческой мифологии – но в очень интересной проекции, представляя одновременно сверху и сбоку (точнее, с двух сторон).

Рис. 6.1. Небесная колесница – гора Суханиха, Минусинский район Красноярского края. Карасукская культура (XIII–VIII вв. до н.э.), экспедиция Е.С. Аннинского, 2003 г. Копия в Железногорском краеведческом музее (преобразовано в негатив)

Античность, наоборот, тяготела в живописи к подражанию реальности, правдоподобию – вершиной считалась картина, с которой птицы пытались склевать нарисованный виноград. Эпоха Возрождения, также сосредоточившаяся на эффектном воспроизведении видимого (реального) мира, ознаменовалась открытием законов перспективы (фр. perspective от лат. perspicere – смотреть сквозь, проникать взором) – совокупности правил построения трехмерных изображений на плоскости, основанных на линейной оптике. Линейная перспектива основывалась на том, что все параллельные прямые (линии стен, предметов) при изображении на плоскости сходятся в одной точке. Благодаря художникам эпохи Возрождения (Брунеллески, Уччелло, Альберти, Филарете, Пьеро делла Франческа) перспектива получила подробную разработку, а картины – потрясающую реалистичность: Джорджо Вазари в жизнеописании Паоло Уччелло цитирует его слова: «О, какая приятная вещь эта перспектива!»

Изучение достоинств и недостатков линейной перспективы (как пример художественного и вненаучного познания мира)¹ позволило изучить механизмы объемного мировосприятия окружающего человеком.

Согласно Пьеро делла Франческе, перспектива – это «видимые издали вещи, представленные в определенных и данных пределах пропорционально, в зависимости от размеров и расстояний». Чтобы увидеть так вещи, находящиеся непосредственно под рукой у зрителя, надо совершить насилие над зрением… (связанное с аккомодацией. – А.К.). Кроме того, итальянскую перспективу справедливо упрекали в «одноглазии»: зритель такого изображения предстает одноглазым, как циклоп, тогда как реальный зритель воспринимает пространство бинокулярно, то есть двумя глазами. Далее, от неподвижного созерцателя итальянской перспективы реальный зритель отличается тем, что воспринимает мир в движении – в движении глаз и тела ².

Итак, привычное трехмерное восприятие мира человеком является иллюзорным, виртуальным – оно формируется в результате обработки мозгом информации с псевдоплоских (почти сферических, но с позиции восприятия падающих квантов света – двумерных, только не на плоскости, а в сферических координатах) участков сетчатки обоих глаз. Выделяют следующие механизмы трехмерного восприятия пространства (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Механизмы бинокулярного объемного зрения

Признаки расстояния и глубины могут быть объединены в пять групп: конвергенция, сетчаточная диспаратность, аккомодация, двигательный параллакс и картинность. Конвергенция связана с изменением угла между зрительными осями глаз. Сетчаточная диспаратность предполагает некоторое рассогласование в положениях изображений одного и того же предмета на разных сетчатках. Аккомодацией называется изменение формы хрусталика, необходимое для создания отчетливого изображения на сетчатке. Двигательный параллакс – это относительное перемещение ближних и дальних предметов в поле зрения, возникающее при движении человека (его глаз) или предметов. Признак, называемый картинностью, содержит информацию о глубине даже плоской картины; имеются в виду линии перспективы, заслонение одного предмета другим, тени и изменение текстуры поверхности с удалением от наблюдателя. Конвергенция и диспаратность участвуют в работе зрительной системы наиболее часто³.

Первые аналоговые иллюзии трехмерности – стереоскопические фотографии – были продемонстрированы в 1851 г. на Всемирной выставке в Лондоне; стереопары коронации императора Николая II или дореволюционные виды русских городов еще можно найти в анналах кафедр физиологии университетов и в Интернете. Главные достоинства – простота получения пары фотографий и потрясающий, гиперреальный, эффект объема, причиной которого является аккомодация глаз на поверхности изображения. При наблюдении реального мира человеческий глаз «фокусируется» на каком-то объекте, при этом дальний и ближний планы воспринимаются расплывчато; при наблюдении стереопары все планы сцены воспроизведены (и воспринимаются) четко. Основное неудобство таких стереопар – сложность разведения зрительных осей, чтобы один глаз рассматривал одно изображение, а другой – другое (сепарация, разделение изображений стереопары). Проблема связана с тем, что два механизма объемного зрения вступают в противоречие.

Угол поворота осей глаз относительно друг друга (конвергенция) не соответствует расстоянию до точки фокусировки зрения (аккомодации). Проще говоря, если глаза навелись на определенную точку, то мозг дает сигнал: в зависимости от угла поворота осей глаз относительно друг друга автоматически подстроить фокусировку⁴.

Для преодоления этого было найдено несколько решений, основанных на разных принципах.

1. Стереоскоп (рис. 6.3) – самое простое устройство для просмотра стереопар (стереослайдов), непосредственно размещающий перед левым глазом левое изображения стереопары, перед правым – правое.

Рис. 6.3. Стереоскоп

Интересный эффект получается при рассогласовании изображений на сетчатках глаз. Он был случайно открыт в 1978 г. С.Дьюенсинг и Б.Миллером в «Эксплораториуме» (http://www.exploratorium.edu/) Музея науки и техники в Сан-Франциско, и получил название «Эффект Чеширского Кота», или «чешир-эффект»⁵.

Это особый класс зрительных иллюзий, для получения которых нужны стереослайдоскоп и слайды – но не близкие, как в стереопаре, а существенно различающиеся: например, портрет человека для одного глаза и изображение дерева для другого. В таком случае человек видит или только одно изображение (предъявленное ведущему глазу), или мозаичное изображение. Интересно, что если в поле зрения второго, неведущего, глаза что-то движется (например, движение пальца за матовым стеклом стереоскопа), то второе изображение начинает проявляться поверх первого и первое изображение «стирается». При некоторой тренировке можно добиться, чтобы от портрета осталась одна часть лица (улыбка?), висящая на дереве…

Другой вариант – стереоочки, позволяющие рассматривать стереопары без разведения зрительных осей (в т.ч. на экране компьютера) предложил в журнале «Наука и жизнь» С.Величкин⁶. Для этого надо вырезать из прозрачного оргстекла две призмы с углом между рабочими плоскостями в 18° и закрепить каким-либо образом; преломление лучей обеспечит конвергенцию осей и комфортное восприятие стереопар.

2. Анаглифный метод (от греч. anagliphos – рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета. Окрашенные изображения печатаются «наложенными» друг на друга. Наиболее часто используются красный и сине-зеленый (бирюзовый) цвета. Разделение левого и правого изображений происходит при просмотре анаглифа через цветные очки (с красным светофильтром для одного глаза и сине-зеленым – для другого). Такой метод благодаря дешевизне и простоте реализации распространен в издаваемых детских альбомах.

3. Поляризационный метод также предполагает использование очков, но вместо цветных стекол (пленок) используются пленки, осуществляющие фильтрацию поляризованного в определенной плоскости света – под углом 90° друг к другу. Поляризованное изображение проецируется на экран двумя проекторами, и в очках один глаз видит изображение только с одного проектора, другой – только с другого. Более дорогой вариант, дающий сильный эффект висящего перед зрителем объекта, однако не лишенный недостатков: высокая утомляемость, проблемы с аккомодацией, связанные с тем, что в темноте глаз автоматически фокусируется на расстояние около 1 м (темновой фокус), а экран располагается обычно гораздо дальше.

4. Жидкокристаллические очки-затворы, содержащие в стеклах жидкокристаллические элементы, которые при подаче сигнала становятся непрозрачными; на экране поочередно показываются то левое, то правое изображение, и синхронно с этим очки поочередно перекрывают световые потоки для левого и правого глаза. Частота смены изображений достаточно высока (не менее 60 Гц), чтобы зритель не замечал мерцания.

В докомпьютерную эру, более 30 лет назад, Станислав Лем в «Сумме технологий» описал возможности фантоматики – создания иллюзорного мира, неотличимого от реального, с помощью технических устройств, воздействующих на разные (все?) группы рецепторов человеческого организма (или непосредственно на мозг). Медицинское образование позволило ему досконально разработать все детали.

Можно было бы создать и специальную «приставку» к глазному яблоку, так сказать, «антиглаз» – оптически эквивалентную систему, «соединяемую» с настоящим глазом через отверстие зрачка (конечно, не непосредственно, так как перед зрачком находятся передняя камера глаза и роговица, которые, однако, прозрачны). Глаз и «антиглаз» образуют единую систему, в которой «антиглаз» является передатчиком, а глаз – приемником. Когда человек смотрит (в обычных условиях) собственными глазами, но через «антиглаз», он видит все вполне нормально, только на носу у него надето нечто вроде очков (несколько усложненных), причем «очки» эти не только служат «посредником», пропускающим свет от окружающей среды к глазу, но являются также «пуантилирующим» устройством, которое разбивает видимое изображение на элементы по числу палочек и колбочек сетчатки. Элементы поля зрения антиглаза соединены… с записывающей аппаратурой, которая собирает ту же информацию, что и сетчатка; однако это достигается не путем подключения аппаратуры за сетчаткой, то есть к зрительному нерву, а при помощи помещенной перед ней «приставки для сбора информации». Чтобы воспроизвести реакцию, нужно снова надеть человеку эти «очки», на этот раз уже в темноте, а информацию, записанную аппаратурой, направить в мозг человека по каналу аппаратура – «антиглаз» – глаз – зрительный нерв. Такое решение отнюдь не является наилучшим, но можно хотя бы представить себе его техническую реализацию.

Это решение не имеет ничего общего с проекцией какого-нибудь фильма во внутренность глаза (при помощи микрокамеры, приставленной к зрачку). Дело в том, что изображение на пленке или любая другая оптическая запись такого типа имеют фиксированную резкость и человек не может, например, перенести взгляд с резко выраженного переднего плана на менее резкий задний. Кинофильм таким образом заранее предопределяет, что должно быть видно в деталях, а что менее отчетливо, даже если изображение является трехмерным (стереоскопическим). Но ведь сила сокращения мышц, которые изменяют выпуклость хрусталика, является одним из специфических сигналов, передаваемых в мозг, и позволяет, в частности, оценивать расстояние, хотя и менее точно, чем при бинокулярном зрении. Поэтому, чтобы добиться наиболее совершенной имитации, необходимо дать глазу свободу аккомодации. К тому же, «с точки зрения человеческого глаза», изображение на пленке не является оптически безупречным.⁷

Виртуальная реальность (ВР) за прошедшие тридцать лет обрела множество воплощений (начиная с игровых виртуальных очков и шлемов, демонстрирующих изображения для создания стереоэффекта, до профессиональных систем ВР, предназначенных для визуализации огромных массивов геоданных для нефтегазовой области, и просто эффектных бизнес-презентаций и 3D-мониторов), однако массовым остается (и, осмелюсь предположить, будет оставаться) плоский экран монитора и экран для мультимедийного проектора. Просто оказалось, что создание иллюзии объема плоских изображений (в т.ч. таких, из которых складывается движущийся поток, анимация), и 3D-сцен на экране компьютера едва ли не на 90% обеспечивается один из механизмов объемного зрения (так как зрение дает более 90% информации, и для плотного вовлечения в виртуальную реальность не нужна имитация сигналов ни с тактильных, ни с обонятельных рецепторов).

Впрочем, с термином «виртуальная реальность» (ВР) также непросто: диапазон его значений простирается от технических средств создания иллюзии объема зрительного образа до создания виртуальных миров. Чертами ВР во втором значении называются присутствие (ощущение собственного существования внутри модели), взаимодействие (действия человека и реакции на них виртуального мира образуют целостную систему, соответствующую человеческому ощущению определенной физической реальности) и автономность (существование виртуального мира по собственным, заданным в определенный момент законам)⁸; и минимальное количество шагов до фантоматики Лема, неотличимой от реальной реальности.

Стоит заметить, что мысленное вращение объекта, несмотря на важность этой способности в повседневной жизни и известную древность – весьма непростой навык, хотя и опирающийся на повседневный опыт гораздо больше, чем на то же логическое мышление (такую же задачу, например, решает собака, несущая в зубах длинную палку и пытающаяся протиснуться в щель в заборе). Да и развитием его (возвращаясь к урочным практикам) мало кто занимается – стереометрия да вымершее черчение в школе. Убедиться в этом легко: предложите ученикам 8–9-го класса с помощью трех тетрадей показать, как расположены полукружные каналы вестибулярного аппарата в трех взаимно перпендикулярных плоскостях – и результат будет далеким от верного. Вторым примером является странно высокая сложность (при предельной простоте математических операций) расчета отношения площади поверхности к объему у двух условных животных (рис. 6.4). (Площадь поверхности и объем (масса) пропорциональны у гомойотермных организмов теплопередаче и теплопродукции, этот пример – математическая модель правила Аллена.)

Рис. 6.4. Рассчитайте отношение площади поверхности к объему у представленных на рисунке животных

И еще непонятно, как скажется на развитии навыков мысленного вращения объекта мода на трехмерную визуализацию, уже ставшая самостоятельной областью искусства и частью индустрии образовательного программного обеспечения. Одним из интересных для учителя биологии примеров здесь является 3D-визуализация румынским художником Алексом Драгулеску⁹ компьютерных вирусов (таких, как MyDoom, Mytob, IRCBot и др.), дающая изображения, схожие с биологическими вирусами. Создавая виртуальные изображения компьютерных вирусов на основе их обезвреженного кода, художник использовал особый алгоритм, позволявший формировать особенности формы и поверхности вирусов по параметрам их «поведения» (обращений к интерфейсам API, использованных адресов в памяти, вызовов подпроцедур и т.п.).

Параллели между компьютерными и биологическими вирусами весьма продуктивны и имеют свою историю урочного применения:

Если ваш руководитель,
Заблуждаясь, утверждает,
Что в его машине вирус
И он вами занесен,
То, когда он отлучится,
Выньте из нее винчестер
И в кастрюле кипятите,
Пока вирус не помрет¹⁰.

И если старшеклассникам понятнее, что такое обезвреженный код компьютерного вируса, то рассказ об иммунитете, вакцинах и аутоиммунных заболеваниях можно начинать с такого пассажа:

«Большинство антивирусных программ время от времени срабатывает при проверке безопасных файлов. …Один из файлов антивирусной программы Panda Titanium определился Антивирусом Касперского как вирус. Дело в том, что этот файл содержит в себе кусок кода вируса и предназначается для эталонного сравнения при проверке вашего компьютера. На самом деле он не опасен»¹¹.

Но и с 3D-моделями встает вопрос эффективности мультимедиа, «хорошести» применения трехмерных моделей и необходимости подготовки к их использованию не столько пользовательской, сколько затрагивающей мыслительные операции и навыки.

Сейчас во многих учебниках наблюдается сдвиг в сторону визуального восприятия, часто трактуемый как наглядность, что, на мой взгляд, не является синонимом. Несмотря на большое количество задач, решаемых учащимися в различных областях, остаются большие проблемы с моторной памятью и особенно с моторным восприятием. Доля последнего неуклонно снижается, наблюдения, опыты и эксперименты заменяются их описаниями (вербальными или визуальными), в лучшем случае проводятся эксперименты с компьютерными моделями. Соответственно учащиеся с данным типом преимущественного восприятия находятся в худшем положении. Интересно, что поскольку моторное восприятие формируется раньше, чем визуальное и тем более вербальное восприятие, то оно априори считается «худшим», дающим существенно более низкие результаты при обучении. Получается замкнутый круг. Между тем опыт обучения, в котором активная деятельность учащегося рассматривается как основной элемент не только закрепления, но и получения новых знаний, очень успешен¹².

Важность тактильных упражнений и решений (не только для кинестетиков, упоминаемых в цитате) обусловлена тем, что, как и в филогенезе, и в онтогенезе, рука учит глаз¹³ и мозг. Потому так полезно многое делать руками – как модели молекул, так и другие объекты, начиная с пластилина и кончая бумагой (оригами); да и кто сказал, что портфолио ученика обязательно должно быть цифровым? Здесь многое зависит от организационных способностей и фантазии учителя, без которых не найти места тактильным упражнениям в урочной практике. А хороших задач может быть достаточно много: так, известная картинка сенсорного и моторного гомункулюса¹⁴ может превратиться в творческое скульптурное задание (пример одного из решений был на рис. 4.4). Или задача о палиндромных последовательностях в молекуле тРНК и вторичной структуре (задание 2.6) на бумажной ленте (переносимая на другие похожие задачи: например, вторичную структуру белка).

Возможно 3D-принтер, например ZPrinter®450,¹⁵ «печатающий» трехмерные объекты, скоро станет столь же распространенным, как и обычный, и вопрос засияет новыми гранями, в первую очередь – необходимостью массового освоения программ создания трехмерных объектов. Пока же о них можно сказать в самых общих чертах.

3D Studio MAX¹⁶ – один из самых известных пакетов 3D-анимации производства фирмы Autodesk Media & Entertainment, полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трехмерной графикой. Программа обеспечивает весь процесс создания трехмерного изображения: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео. 3ds Max располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трехмерных компьютерных моделей реальных объектов окружающего мира (можно и фантастических) с использованием разнообразных техник и механизмов. Моделирование на основе стандартных объектов (параллелепипед, сфера, цилиндр, пирамида, труба и др.) является, как правило, основным методом и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.

Каждый из объектов обладает набором параметров, однозначно определяющих форму трехмерного тела. Например, объект «Труба» определяется такими основными параметрами, как внутренний и наружный радиусы, высота; кроме того, существует ряд параметров, позволяющих управлять точностью построения. После создания объекта каждый из параметров может быть изменен так, что это моментально отразится на внешнем виде объекта в окне редактирования. На основании заданного изменения подавляющего большинства параметров впоследствии объекты можно подвергнуть и анимации. 3ds Max также включает механизм расчета физических параметров Reactor, изначально разработанный Havok, позволяющий моделировать взаимодействие твердых и мягких тел или «поведение» ткани с учетом силы тяжести и других воздействий. Некоторые расширенные возможности были добавлены позже (расчет всеобщего освещения, анализ излучательности и трассировка лучей).

Рис. 6.5. Визуализация компьютерного вируса IRCBot (Alex Dragulescu, с сайта http://sq.ro/, с модификациями) и вирус гриппа (IKarsten Schneider, с сайта http://science.nationalgeographic.com/science/wallpaper/flu-virus.html)

Maya¹⁷ – пакет трехмерной анимации фирмы Alias Wavefront. Его средства моделирования, поддерживающие работу со сложными иерархическими объектами и поверхностями, представляют собой один из наиболее мощных и удобных инструментов в этой области.

Тенденция появления бесплатных программ затронула и 3D-моделлеры: так, Daz studio 2.1¹⁸ позволяет создавать 3D-сцены на основе готовых моделей и библиотек декораций, расположения источников света и разнообразных эффектов, а созданное изображение экспортируется в Photoshop.

Вьюеры для 3D существуют, например, Macro-media Shockwave DCR, эффективно управляющий 3D-объектами интерактивного взаимодействия – виртуальными лабораториями, тренажерами, имитаторами и симуляторами. Отдельно стоит назвать язык описания объектов виртуальной реальности и интерактивного моделирования VRML (Virtual Reality Markup Language), с помощью которого обеспечиваются действия с объектами ВР и обратная связь. Часто по трехмерным моделям и сценам создается видео, при расчетах кадров которого (рендеринге) и учитываются форма и свойства поверхностей, освещение, движение объектов, изменение позиции зрителя и т.д.

Названные выше пакеты достаточно плохо создают модели молекул; впрочем, для этого они и не предназначены – для моделирования именно молекул существует специализированное программное обеспечение. Оно построено на несколько иных принципах, изначально выбранных именно для этой задачи: программы располагают в пространстве точки, соответствующие атомам, изображают их шарами определенного диаметра (и цвета), согласуя расстояния между атомами с табличными величинами. Аналогично вносится коррекция для разных типов связей, вплоть до автоматической проверки модели на химическую корректность.

Рис. 6.6. Рабочее окно программы Chem3D

Наиболее известным редактором моделей молекул является программа Chem3D из пакета ChemBioOffice¹⁹ (ChemOffice) компании CambridgeSoft (рис. 6.6). Она имеет мощнейший профессиональный потенциал и достаточно проста в использовании на пользовательском уровне. Так, построенный при помощи мыши в рабочей области отрезок сразу интерпретируется программой как два атома углерода, соединенных одинарной связью; «водороды» программа добавляет сама. Тот же пакет включает программу двумерного рисования химических формул ChemDraw. Программа позволяет как рисовать молекулу с нуля (отрезок также интерпретируется как связь между двумя атомами углерода, изменение обозначения атома заменяет его на другой элемент, а редактирование связи – на другую), так и создавать, модифицируя один или несколько шаблонов. Шаблонов достаточно много (все аминокислоты, нуклеотиды, циклические и гетероциклические соединения и т.д.), что позволяет быстро собрать довольно крупную молекулу, например олигопетид; кроме того, программа проверяет созданную формулу на химическую правильность, оптимизирует геометрическое представление и даже «переводит» название молекулы (на английском языке) в структурную формулу (и обратно). Созданные в ChemDraw файлы формата *.cdx могут быть импортированы (просто открыты и интерпретированы) Chem3D, после чего сохранены как трехмерные модели формата *.c3d (или других молекулярных форматов). Интересно, что Chem3D позволяет представить (и вращать) модель молекулы как стереопару или анаглиф – в зависимости от того, что удобно пользователю – разводить зрительные оси, пользоваться стереоочками с призмами или линзами – или с красным и сине-зеленым светофильтрами.

Создание молекулярных моделей возможно в других прикладных программных продуктах, например в HyperChem (предназначенной для других, более сложных, задач – оптимизации геометрии молекул в средах). Другим (профессиональным) путем получения молекулярных моделей, особенно макромолекул: белков, нуклеиновых кислот – является интерпретация результатов исследования молекул методами рентгеноструктурного анализа и ядерно-магнитного резонанса.

Отдельное семейство программ составляют так называемые 3D-визуализаторы молекул (Molecular Visualization Programs), позволяющие на основе содержащихся в открываемом файле данных построить модель биомолекулы и рассмотреть ее с разных сторон, вращая при помощи мыши, приближая или удаляя, изменить способ ее отображения (например, рассмотреть в молекулах белков элементы вторичной и третичной структуры, аминокислотный состав, наличие отдельных полипептидных цепей и др.), выделить и исследовать отдельные элементы – такие, как активные центры ферментов, небелковые компоненты протеидов.

Одной из известнейших и популярнейших программ этого класса является программа RasMol (рис. 6.7, версия для операционной системы Windows называется RasWin), созданная Г.Дж. Бернштейном (Herbert J. Bernstein, США)²⁰ и позволяющая визуализовать файлы (*.pdb, *.ent) Международного банка белковых структур The RCSB Protein DataBank (http://www.rcsb.org/).

Рис. 6.7. Рабочее окно программы RasMol с командным окном

По примерным подсчетам, RasMol используют свыше 200 тыс. преподавателей и научных работников в 115 странах мира. Назовем достоинства этой программы:

– простота использования, наглядность и яркость моделей;
– небольшой размер (менее 1 Мб);
– нетребовательность к ресурсам;
– бесплатное распространение через Интернет;
– русифицированный интерфейс (впрочем, только интерфейс – все команды в командном окне печатаются только по-английски, не переведен и Help);
– существование больших баз моделей белков и других биомолекул (тот же Международный банк белковых структур)²¹, в которых можно (через Интернет) найти и бесплатно скопировать модель любой из исследованных молекул.

Есть также Windows-подобная версия программы – RasTop 2.2.²², созданная Филиппом Валадоном (Philippe Valadon), позволяющая наряду с отображением сохранять подготовленные для демонстрации модели (с выделенными группами атомов, удобными способами отображения и т.п.). В программе реализован ряд «красивостей» – например, выбор точки освещения, но в целом программа наследует основные свойства отцовского RasMol. Есть целый ряд других вьюеров молекул (SwissPDB, PyMOL, Cn3D и др.), а также плагин Chime для в web-броузеров, в котором все возможности выделения реализованы на весьма сложном и разветвленном контекстном меню правой кнопки мыши, а молекула открывается web-броузером (Internet Explorer, Netscape, Mozilla Firefox и др.). В профессиональных продуктах-приложениях к учебникам можно увидеть примеры программирования изменения способов отображения, ракурсов и выделения фрагментов, что превращает трехмерную модель в управляемый анимационный файл, эффективный для внимательного самостоятельного изучения и фронтальной демонстрации.

Отметим, что файлы с моделями молекул – *.pdb и *.ent – это текстовые файлы, которые только представляются визуализаторами как некие трехмерные объекты. Любой из них может быть открыт как текстовый: например, запустите «Блокнот» («Notepad») (Пуск – Программы – Стандартные – Блокнот) и выберите пункт меню Файл – Открыть, найдите нужную папку и нужный файл и откройте (в окне открытия файлов в списке «Тип файла» выберите вместо «Текстовые документы» «Все файлы (*.*)», иначе вы просто не увидите искомый файл) или, нажав правой кнопкой мыши иконку или название файла, в контекстном меню выберите «Открыть с помощью» любого текстового редактора. В открывшемся текстовом файле будет дана полная характеристика белка, в т.ч. первичная структура (последовательность аминокислот), а также координаты каждого атома этой молекулы. В текстовом варианте файла можно также найти названия (обозначения) и количество небелковых компонентов молекулы (гетероатомов).

Что же принципиально нового вносит компьютерная визуализация молекул по сравнению с аналоговыми конструкторами молекул (которые не стоит недооценивать, т.к. именно с помощью такого конструктора была предложена модель молекулы ДНК Дж.Д. Уотсоном и Ф.Криком), а то и бумажными моделями-оригами?

Задания по индивидуальной работе с RasMol – один из немногих примеров того, как радикально может отличаться занятие с такими программами от традиционного: ему невозможно придумать аналоговый вариант! Причина этого – в специфике программы, в которой наряду с основным окном, представляющим молекулу, имеется командное окно RasMol Command Line (рис. 6.7, справа внизу). При помощи командного окна можно выполнять на клавиатуре все операции, доступные через пункты меню основного окна программы (в первую очередь – изменять способ отображения и окрашивания молекулы и ее частей), а также выделять отдельные атомы и группы в молекуле, изменять фон изображения и др. Работа с выделениями аналогична таковой, скажем, в текстовом редакторе – все команды, которые будут после этого даваться при помощи пунктов главного меню, будут касаться только выделенного участка, а не всей молекулы. Выделение осуществляется вводом с клавиатуры слова select, обозначения объекта выделения и нажатием Enter. Можно выделять:

– атомы определенного химического элемента по порядковому номеру в Периодической таблице Д.И. Менделеева (например, кислород: select elemno=8);
– определенное вещество (например, воду: select HOH);
– определенные аминокислоты (используются стандартные трехбуквенные латинские обозначения: select lys; select lys, arg, val);
– конкретную аминокислоту (например, select asp54);
– группы аминокислот (полярные, кислые, основные, гидрофобные и др.: select hydrophobic);
– небелковые компоненты молекулы (гетероатомы: select hetero).

После выделения атомов или их групп можно изменять их отображение при помощи команд пунктов меню Display (Вид), Colours (Цвет). После выделения все команды касаются только выделенных элементов молекулы; чтобы снова иметь возможность изменять всю молекулу в целом, необходимо ввести в командном окне select all или использовать пункт меню рабочего окна Edit – Select all (Правка – Выделить все).

Именно выбор (последовательность выборов) и изменение отображения важных компонентов молекул являются «материальной» основой заданий, нацеленных на согласованный межполушарный диалог: логический выбор объектов сочетается с пространственным взаиморасположением искомых компонентов и – ответов (а также графических файлов с иллюстрациями для портфолио). В простейшем примере для двух данных белков нужно решить, какой из них является глобулярным, а какой – мембранным; очевидно, что без выбора и изменения способа отображении и/или цвета группы гидрофобных аминокислот на него не ответить.²³

Или такая задача.

Известно много типов гемоглобинопатий – заболеваний, связанных с изменениями в молекуле гемоглобина. Назовем природу некоторых из них:

а) Серповидно-клеточная анемия. В -цепях молекулы в 6-м положении вместо глютаминовой кислоты аминокислота валин.
б) Гемоглобин «Гайд-Парк». В -цепях молекулы в 92-м положении вместо гистидина аминокислота тирозин.
в) Е-гемоглобинопатия. В -цепях молекулы в 26-м положении вместо глютаминовой кислоты аминокислота лизин.
г) Гемоглобин «Цюрих». В -цепях молекулы в 63-м положении вместо гистидина аминокислота аргинин.

Объясните, используя файл pdb1bij.ent из Protein DataBank, почему в каждом из случаев развивается заболевание и как связаны молекулярные замены аминокислот с изменениями на уровне клеток и организма в целом.

Рекомендуемая литература

Даниэль С.М. Искусство видеть: О творческих способах восприятия, о языке линий и красок и о воспитании зрителя. – Л.: Искусство, 1990.

Озеркова И.А. Возможности учебного текста в индивидуализации обучения // Интернет-журнал «Эйдос». 2008. – 23 апреля. http://www.eidos.ru/journal/2008/0423.htm.

Олсон А.Дж., Гудселл Д. Визуализация биологических молекул // В мире науки. 1993. № 1. (Рекомендуемая, но не обязательная статья.)

Эткинс П. Молекулы. – М.: Мир, 1991.

ЮНЕСКО. Информационные и коммуникационные технологии в общем образовании. Теория и практика / Авторизованный пер. с англ., переработанный и дополненный А.Семенова, Л.Переверзева, Е.Булин-Соколовой. Редактор оригинального издания Дж.Андерсон (Jonathan Anderson). – Австралия; ЮНЕСКО; Москва, 2006.

Ответ

Задание 6.2. Сказать по правде, ни один из приведенных примеров (по скромному мнению автора и за исключением предложенных слушателями) не превосходит по отношению «стоимость/эффективность» аналоговые или более простые цифровые решения. 3D-визуализация данных, например, не много добавляет (если надо показывать одновременно больше трех параметров) к двумерным графикам (или плоской проекции трехмерных графиков). Примеры исключительно удачной 3D-визуализации биологических объектов есть, в частности, в проекте BioVisions Гарвардского университета http://multimedia.mcb.harvard.edu/, потребовавшем тесного сотрудничества научных работников, преподавателей, студентов и специалистов по мультимедиа; лучшим является анимационный ролик о клетке (http://multimedia.mcb.harvard.edu/innerSuper.swf, около 40 Мб).

---

¹ Другим примером разработки художниками того, что было позже изучено физиологами, являются открытия импрессионистов и художников направления op-art, которые иллюстрируют механизмы работы трех независимых систем распознавания зрительных образов. (См.: Маргарет М. Ливингстон. Искусство, иллюзии и зрительная система // В мире науки, 1988. №3.

² Даниэль С.М. Искусство видеть: О творческих способах восприятия, о языке линий и красок и о воспитании зрителя. – Л.: Искусство, 1990.

³ Уолкер Дж. Гиперскоп и псевдоскоп позволяют исследовать, как человек воспринимает глубину пространства // В мире науки, 1987. № 1.

⁴ Величкин С. Призматические стереоочки // Наука и жизнь, 2000. № 10.

⁵ Уолкер Дж. Гиперскоп и псевдоскоп позволяют исследовать, как человек воспринимает глубину пространства // В мире науки, 1987. № 7.

⁶ Величкин С. Призматические стереоочки // Наука и жизнь, 2000. № 10.

⁷ Лем С. Сумма технологий.

⁸ ЮНЕСКО, 2006. – См. список рекомендуемой литературы.

⁹ http://sq.ro/

¹⁰ Минаев С., Нестеренко Ю. Вредные советы // Компьютерра, 1996. № 16 (22 апреля).

¹¹ CHIP-CD. 2008. № 3.

¹² Озеркова, 2008. – См. список рекомендуемой литературы.

¹³ «...Идет ли речь о контурах и величине или об удалении и относительном расположении предметов, двигательные реакции глаза при смотрении и рук при ощупывании совершенно равнозначны по смыслу...». Сеченов И.М. Осязание как чувство, соответствующее зрению. Избранные философские и психологические произведения. – М.: Госполитиздат, 1947.

¹⁴ Продукция фирмы Z Corporation (http://www.zcorp.com/), см. также http://www.cybercom.ru/z450

¹⁵ См., например: Блум Ф., Лейзерсон Н., Хофстедер Л. Мозг, разум и поведение. – М.: Мир, 1988.

¹⁶ www.ktx.com/3dsmaxr3

¹⁷ www.aliaswavefront.com

¹⁸ http://www.daz3d.com/

¹⁹ http://www.cambridgesoft.com/

²⁰ Сайт разработчиков http://www.bernstein-plus-sons.com/software/rasmol/doc/rasmol.html

²¹ На упомянутом сайте этой базы данных размещен графический каталог наиболее важных (популярных) молекул с их кодами, PDB ID «Molecular Machinery: A Tour of the Protein Data Bank», созданный David S. Goodsel: http://www.rcsb.org/pdb/education_discussion/molecule_of_the_month/poster_quickref.pdf – формат А4 (5 Мб), http://www.rcsb.org/pdb/education_discussion/molecule_of_the_month/poster_full.pdf – формат постера, А1, лист ватмана (31 Мб). Если есть возможность распечатать – получается отличная таблица для кабинета биологии; в больших городах стоимость распечатки постера составляет 300–500 руб.

²² http://www.geneinfinity.org/rastop/

²³ См. другие задания и (молекулы к ним) на сайте автора – http://www.kozlenkoa.narod.ru/protein.htm и http://www.kozlenkoa.narod.ru/rasmol.htm