Санкт-Петербургские ведомости: Физический взгляд на химию: как Елена Тупикина изучает невидимые связи и зачем это гуманитариям

Елена, вот спросят вас друзья?нехимики: за?что?премия? Не?зачитывать?же формулировку ?за?разработку гибридной методологии на?стыке квантовой химии и?машинного обучения для?исследования межмолекулярных взаимодействий в?биомолекулярных системах?...

Насчет того, что?все можно объяснить просто, я?не?очень оптимистична. В?литературе ?новой искренности? часто описывают героя, который как?будто живет на?границе разных миров и?не?может до?конца поделиться своим пережитым. Я?иногда чувствую себя таким персонажем. Пытаешься упростить объяснение, но?боишься, что?из?за?упрощений пропадет сама суть.

Но?есть и?хорошая сторона. Если занимаешься чем?то, хотя не?можешь ?похвастать? достижениями так,?чтобы?всем сразу стало понятно,?— значит действительно хочешь этим?заниматься. Не?можешь не?заниматься.

Вообще премия получена за?исследования, которые мы?проводили последние десять лет. Наверное, лучше начать с?того, какие объекты нас интересуют: невалентные взаимодействия.

Объясняю. Вот есть обычные химические связи. Например, молекула воды состоит из?атома кислорода и?двух атомов водорода, и?это?две очень прочные ковалентные связи между атомами кислорода и?водорода. Если уж?молекула существует в?таком виде, то?разорвать связи атомов в?ней могут разве что?экстремальные внешние факторы: очень сильный нагрев, сильное давление. При?зарождении жизни на?Земле именно такие процессы и?действовали.

А?нас с?коллегами интересуют взаимодействия невалентные. Они?могут образовываться и?разрушаться, эти?связи слабые?— но?очень важные.

А?можно пример?

По?сути, все биологические процессы в?организме происходят потому, что?молекула?белок связывается с?каким?то рецептором, тоже молекулой. Или классический пример, молекула ДНК. Все примерно себе представляют, как?она?выглядит: две спирали, соединенные, как?лестница. ?Ступеньки? лестницы?— пары азотистых оснований, которые удерживаются вместе водородными связями,?— это?как?раз слабые невалентные взаимодействия. Без них ДНК потеряла?бы свою структуру.

Важность слабых взаимодействий еще и?в?том, что?их?очень много, они?могут ?толпой? собираться, образовывать связи, разрывать?их, и?возникает довольно сильный кумулятивный эффект.

О?невалентных взаимодействиях известно уже более ста?лет, но?настоящий прорыв произошел лет двадцать назад, когда появились достаточно мощные компьютеры. Дело в?том, что?увидеть происходящее с?атомами в?микроскоп мы?не?можем: волны света, которые глаз способен улавливать, слишком велики, чтобы??заметить? такие маленькие объекты. Поэтому мы?эти?объекты и?моделируем: как молекулы могут двигаться и?взаимодействовать, какие физические силы действуют между ними, как?все это?меняется во?времени.

Мы?задействуем очень мощные компьютеры, но?даже у?них вычисления могут занимать месяцы. И?это?только время расчетов?— помимо постановки задачи, отработки инструментов и?приемов, проверки полученных данных. Собственно, за?разработку методологии премия и?присуждена.

Главная сфера возможного применения?— медицина?

Мы?занимаемся фундаментальной наукой, но?да: медицинская биология?— огромное поле, где будут востребованы исследования невалентных взаимодействий.

Например, довольно давно известно, что?при?заболеваниях щитовидной железы иногда приходится принимать препараты с?йодом, а?иногда, наоборот, сокращать его?поступление?— допустим, исключив определенные продукты. Теперь мы?понимаем, как?это?работает: атом йода в?гормоне щитовидной железы может образовывать с?соответствующими рецепторами галогенные связи, это?тоже тип невалентных взаимодействий.

Другое обширное поле?— материалы с?новыми свойствами. Например, способностью к?самовосстановлению. Представьте себе: вам не?нужно будет покупать новые автомобильные шины каждые пять лет. Привозите свои шины в?специальный центр, их?помещают в?контейнер с?определенными условиями, и?шипы восстанавливаются, и?протектор становится как?новенький. Заодно уменьшаем глобальную проблему утилизации, углеродного следа.

188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入, которые сохраняют способность к?самовосстановлению даже после нескольких циклов повреждения, есть уже сейчас. То?есть они?могут частично восстанавливать свои свойства при?нагревании или воздействии других факторов не?один раз, а?многократно. Конечно, степень восстановления и?долговечность зависят от?конкретного материала и?условий, но?для?ряда современных полимеров и?композитов это?действительно работает на?практике. И?в?целом примерно понятно, как?это?должно происходить. Просто для?каждого конкретного применения нужно учесть определенные аспекты: одно дело?— самовосстанавливающаяся шина, другое?— упаковка для?продукта.

Вы?кандидат физико?математических наук?— легко было перейти в?химию?

Я?училась на?физическом факультете, но?на?кафедре молекулярной спектроскопии, а?молекулы?— все?таки химические объекты. Поэтому переход стал не?сменой направления, а?скорее расширением горизонта, возможностью использовать такой ?физический? взгляд на?химические задачи.

Но?переход не?самый простой. Во?первых, коллективы физического и?химического факультетов разные: физики консервативнее, химики динамичнее. Возможно, это?исторически сложившиеся черты двух факультетов именно нашего Университета.

Во?вторых, пришлось уже в?более?менее взрослом возрасте взяться за?химию, с?которой я?не?была очень уж?хорошо знакома. Когда оканчивала школу в?Воронеже и?выбирала, куда поступать, химия даже не?возникла как?вариант. Интерес появился в?процессе обучения, в?начале научной работы.

Пришлось осваивать терминологию, специфику. Потом стало понятно, что?многие вещи химики и?физики просто называют по?разному и?несколько по?разному на?них смотрят. И?было?бы полезно найти некий общий язык. Вижу, например, как?студенты?химики учат: вещество ?А? хорошо взаимодействует с?веществом ?В?. Учат просто как?факт. А?физический аппарат заставляет задуматься: но?почему они?хорошо взаимодействуют?

Я?веду дисциплины, связанные с?физикой, физико?химией, и?стараюсь ?наводить мосты?. Показывать, что?естественные науки?— это?общее поле для?математиков, физиков, химиков, инженеров, материаловедов, программистов.

Надо выходить за?рамки своего круга. А?для?этого?нужно общаться с?другими. Например, недавно ходила ?в?гости? к?молекулярным биологам в?нашем?же Университете. Оказалось, что?биологам нужно было научиться определять прочность слабых взаимодействий внутри интересных им?белков?— а?мы?в?своей области уже давно умеем это?делать и?владеем необходимыми инструментами. Так?что, когда коллеги обратились за?помощью, мы?смогли предложить им?подход, который в?биологии еще не?применяли. Теперь пробуем обучить нейросеть специально под их?задачи.

В?общем понимании нейросети?— большие языковые модели, которые много выдумывают. Те, которые используются в?науке,?— более правдивы?

На?самом деле технологии, которые сейчас называют нейросетями, давно используются в?научной среде. Просто раньше мы?называли это?машинным обучением. Сами алгоритмы по?сути те?же, но?в?науке мы?работаем с?ними уже много лет и?привыкли все тщательно проверять.

Да, нейросети могут ?фантазировать?, но?в?научных задачах мы?не?можем позволить себе принимать результат на?веру: важно понимать, откуда берется тот или иной вывод, и?всегда контролировать внутреннюю согласованность.

Вы?рассказали, как?оказались в?химии. А?в?физике?

Мне кажется, у?меня даже не?было выбора. Легко давались математика, физика?— разве что?могла пойти еще в?программирование, компьютерные науки, но?мне показалось, что?физика?— больше про исследование мира. Ну?и?плюс у?меня мама инженер?физик, перед глазами всегда был пример того, что?мышление, заложенное естественными науками, очень помогает в?жизни.

А?нередко говорят: не?мучайте гуманитариев физикой/химией ...

Естественно?научное образование дает привычку не?принимать ничего на?веру. Казалось?бы, можно в?магазине стройматериалов сказать: ?Дайте мне клей для?плитки?. Нет?— садишься и?разбираешься: специфика покрытия, специфика материала...

Или медицинские вопросы. Обращаюсь к?специалистам, но?их?рекомендации все равно перепроверяю. Конечно, я?не?знаю все тонкости, но?могу понять, какая доказательная база у?лекарства: уровень научного журнала, в?котором опубликованы результаты исследований, качество самого исследования. И?тогда с?большей уверенностью соглашусь с?рекомендацией врача или решу обратиться еще к?одному?— за?возможным альтернативным мнением.

Но?предубеждения вроде ?это?не?для?гуманитария? или ?это?не?для?девочки??— конечно, существуют. Мне доводилось слышать что?то?вроде ?не?мучьте девочку изучением радиосхем?. Или, знаете, есть такая шутка у?физиков: девушка?физик как?морская свинка?— не?имеет отношения ни?к?морю, ни?к?свинкам.

Такие предубеждения мешают пробовать?— а?надо давать возможность попробовать все. Даже если первокурсник или первокурсница представляют себе, где и?как?будут работать после вуза,?— это, скорее всего, фантазия, не?имеющая ничего общего с?реальностью. На?первый курс приходят совсем юные люди, у?которых до?того была одна задача: хорошо сдать ЕГЭ, чтобы?поступить в?хороший вуз. На?вопрос ?зачем все?это?? они,?возможно, себе еще не?отвечали.

Вспомнилось, что?сейчас профориентация с?пятого класса...

Это?правильно, но?нужно еще, чтобы?интерес к?профессии мог укорениться и?развиваться. Один из?моих студентов ездил в?родной город и?пришел в?гости в?школу, где учился. Его?попросили рассказать о?том, чем он?занимается. Рассказал о?наших исследованиях, ребятам было очень интересно, но?главный вопрос, который они?ему?задали: ?Как?нам?готовиться к?ЕГЭ по?химии, если в?школе нет преподавателя??. Это?маленькая школа в?маленьком городке, и?в?ней тогда не?было постоянного учителя химии.

Вы?занимаетесь фундаментальной наукой, у?которой нет ?продукта?. Наверное, тут повышенный риск выгорания... К?тому?же гранты, кажется, получить легче на?прикладные исследования.

Научная карьера?— это?длинный старт. Как?минимум первые десять лет ты?в?основном учишься, пробуешь, ошибаешься, прислушиваешься к?мнению старших коллег и?только потом начинаешь делать по?настоящему самостоятельные шаги. И?на?протяжении этого?времени важно сохранять ощущение, что?действительно хочешь этим?заниматься и?понимать, зачем так?долго учишься, несмотря на?не?вполне понятные карьерные перспективы.

Взрастить ученого?— очень непростая задача: наверное, можно об?этом?поговорить с?научным руководителем нашей кафедры физической органической химии академиком?РАН Вадимом Юрьевичем Кукушкиным.

Многие не?готовы к?таким срокам, меняют специальность, переходят во?что?то?прикладное. Но?фундаментальные исследования?— это?буквально фундамент. Без?него не?получить основательный и?систематический результат. Если?бы ученые в?свое время не?принялись выяснять принципы ?совершенно не?практичной? квантовой механики, у?нас сейчас не?было?бы компьютеров, смартфонов. И?подобных примеров огромное множество. Кроме того, фундаментальная наука важна не?только для?эффекта накопления данных, которые могут пригодиться в?будущем. Она?формирует определенное мировоззрение: человек привыкает смотреть на?вещи шире, копать глубже. Это,?мне кажется, самоценно.

Хотя, конечно, с?точки зрения бизнеса... В?последние годы финансирование исследований происходит все чаще за?счет не?только государства и?фондов, но?и?квалифицированного заказчика, а?он?заинтересован в?практическом результате.

На?самом деле в?Университете большой пласт прикладных разработок. К?примеру, на?кафедре электрохимии работают над тем, чтобы?сделать аккумуляторы лучше существующих: чтобы?меньше изнашивались, не?перегревались. Есть и?другие наработки, которые вот?вот могут стать технологией, но?нет человека, который мог?бы прийти в?бизнес?среду и?объяснить на?понятном бизнесу языке, почему в?это?стоит вложиться. Нужно взращивать специалистов, которые понимают и?научную кухню, и?бизнес?процессы?— кого?то вроде научных менеджеров.

Как?проходит ваш обычный день?

Есть дни, полностью занятые преподаванием, а?есть посвященные научной работе.

В?дни преподавания, честно скажу, устаю больше. Потому что?очень эмоционально вовлекаюсь. Например, если студент выбрал мой спецкурс, стараюсь понять, почему он?на?него записался, чтобы?уделить время именно тому, для?чего слушатель пришел, чтобы?пользы было больше.

Многие вполне успевающие студенты на?первых курсах меняют направление. Переходят и?к?нам. Например, в?этом?году у?меня училась девушка, которая сначала поступила на?медицинский факультет, но?поняла, что?ей?интересны естественные науки сами по?себе, и?перепоступила к?нам.

А?если день ?научный??— иду в?лабораторию, думаю о?том, какие задачи стоят, какие из?них приоритетные. Нужно пройтись по?страницам специализированных журналов, найти и?прочитать важные новые статьи по?тематике текущих научных проектов. После этого?значительную часть дня занимает проверка расчетов: достаточно?ли хороши, как?их?можно интерпретировать.

Самая неприятная часть?— бюрократическая: мне, как?руководителю научной группы, нужно писать отчеты. И?тут, кстати, искусственный интеллект во?многом экономит время?— сначала формулирую каркас ответа, даю материалы для?формирования отчета нейросетям, потом проверяю написанное. Больше остается на?исследования.

Хобби? Спорт?

Конечно. У?меня собака, корги?— лапки короткие, но?эти?собаки очень быстро бегают, не?угнаться. Я?бы без спорта не?могла: у?интеллектуальной работы есть особенность?— она?не?завершается с?окончанием рабочего дня. А?спорт дает возможность переключиться.