"Физиом" на Урале и на Британских островах

Как уже сообщала «НУ», в рамках сентябрьского съезда Всероссийского физиологического общества имени И.П. Павлова в Екатеринбурге прошло сателлитное совещание «Интегративная физиология. Международный проект «Физиом». Сразу же после его завершения организаторы уральского «Физиома» зав. отделом молекулярной и клеточной биомеханики Института иммунологии и физиологии УрО РАН член-корреспондент РАН В.С. Мархасин и зав. лабораторией биофизики и математического моделирования О.Э. Соловьева отбыли на Британские острова, чтобы принять участие в еще одной конференции по названной проблеме. Но об этом позже. Сначала  — о самом совещании.

 

Открылось совещание 25 сентября в Институте физики металлов, и это неслучайно, поскольку физиологи, в особенности специалисты в области математического моделирования физиологических функций, активно сотрудничают с представителями точных дисциплин. 

   Научный координатор проекта «Физиом» профессор Денис Нобл (университет Оксфорда, Великобритания) выступил с пленарной лекцией «Проект «Физиом» — пост-геномный вызов физиологии XXI века». По его словам, когда расшифровка генома человека только начиналась, казалось, что «Книга жизни», как часто называют геном, будет, наконец, прочитана. И вот теперь эта работа практически завершена, мы знаем, что у человека около 30 000 генов, которые кодируют более 100 000 белков. Однако все не так просто. Функции гена далеко не полностью описываются языком ДНК. Каждый ген участвует в реализации большого числа функций, играя множественные роли даже в одной и той же клетке. Каждая функция организма проистекает из кооперации многих генов. Эти функции зависят и от факторов, не кодируемых генами, например, характеристик воды, липидов и многого другого. Ведь природа не обременила себя кодированием физических и химических свойств, которые следует принимать как должное. Наконец, природа предусмотрела механизмы резервации, или избыточной информации, что необходимо для продолжительного выживания индивида. В силу всего этого геном не может быть законченным описанием логики жизни. Читая «Книгу жизни», мы должны понять, как гены взаимодействуют в сложных системах. На всех уровнях цепочки «ген – белок – клетка – ткань – орган – организм» существуют обратные связи и взаимодействие. Редукционистский подход надо сочетать с интегративным, найти их баланс. Трудно переоценить роль математического моделирования для понимания сложных систем. Быстрый рост биологических баз данных, моделей клеток, тканей и органов, а также развитие мощных вычислительных систем и алгоритмов позволили исследовать количественными методами как уровень генов, так и физиологические функции целых органов и регуляторных систем. Биология XXI века становится все более количественной и таким образом одной из наиболее компьютероемких дисциплин. Денис Нобл также подробно остановился на теме своих научных исследований — моделировании сердечных клеток человека и аритмии. 

   С докладом «Проект «Физиом» Международного союза физиологических наук» выступил другой научный координатор проекта профессор Питер Хантер (университет Окленда, Новая Зеландия). Сам П. Хантер — создатель трехмерной модели сердца, в которой учитывается сложный ход волокон внутри миокарда, его кровоснабжение и электрическая активность. Очень важно, что элементарной функциональной единицей этой модели служит математическая модель одиночной клетки сердечной мышцы, которая запускает механическую, электрическую, метаболическую активность миокарда. Хантер провел также моделирование других органов и систем: легких, опорно-двигательного аппарата, мышц скелета, сосудистой системы. 
   На совещании выступили другие иностранные участники — профессор Питер Коль (университет Оксфорда, Великобритания), профессор Н. Траянова (университет Тулана, США) и наш бывший соотечественник профессор Александр Панфилов (университет Утрехта, Нидерланды), российские специалисты академик М.П. Рощевский (Институт физиологии Коми НЦ), зав. лабораторией биофизики и математического моделирования кандидат физико-математических наук О.Э. Соловьева (Институт иммунологии и физиологии), профессор А.С. Москвин (Институт иммунологии и физиологии), профессор Г.А. Бочаров (Институт вычислительной математики РАН, Москва). 

   Подвести итоги уральского «Физиома» мы попросили Владимира Семеновича Мархасина:
   — Прошедшее в нашем институте совещание — еще один шаг на пути подключения российских специалистов к международному проекту «Физиом», а значит и к исследованиям самого высокого уровня. Ведь в рамках проекта обобщен мировой опыт количественного описания различных физиологических функций. В качестве универсального синтетического языка описания и анализа этих функций признано математическое моделирование. Создана общедоступная структура для вычислительной физиологии, разработаны стандарты моделирования. В сети Интернет сформированы открытые базы, содержащие новейшие данные о структуре и функциях молекул, белков, клеток, тканей организма. Каждый специалист может легко воспользоваться моделями, которые накапливаются в этих базах, и внести в них свой вклад.
    — Каково сегодня место России и россиян в этом проекте?

— Среди 16 научных учреждений — участников «Физиома», представляющих Великобританию, Францию, США, Израиль, Японию, Австралию, наш Институт иммунологии и физиологии — единственный российский. Однако, как отметил Денис Нобл, авторитет российских ученых, работающих в этой области, очень высок. Известными на Западе специалистами по математическому моделированию физиологических функций стали и некоторые бывшие россияне, в особенности представители школы лауреата Ленинской премии профессора В.И. Скринского, работающего сейчас в Ницце. 

На сентябрьском совещании было принято решение о более широком участии российских ученых в программе «Физиом». Мы также предлагаем организовать группу по математическому моделированию живых систем при научном совете секции физиологии РАН.

— Как вписывается в исследования в рамках «Физиома» тематика вашего отдела?         

— Мы изучаем механоэлектрическую функцию неоднородной сердечной мышцы, широко используя математическое моделирование. В последнее время получены данные, согласно которым даже в пределах одной камеры сердца клетки в механическом, электрическом, биохимическом отношении существенно не одинаковы. Но эта неоднородность строго упорядочена, свойства кардиомиоцитов имеют выраженные градиенты от внутренних слоев к внешним, от верхушки миокарда к основанию. Эта неоднородность очень важна для объяснения как нормальных физиологических функций, так и их нарушения, что приводит к сердечно-сосудистой недостаточности и нарушениям ритма.

— Поделитесь, пожалуйста, впечатлениями о научной командировке в Великобританию.

— Международная конференция в Оксфорде была приурочена к чествованию Дениса Нобла — ему исполнилось 67 лет. Я думаю, стоит рассказать об этом выдающемся ученом более подробно.

Денис Нобл был первым, кто показал, что теория нобелевских лауреатов Ходжкина и Хаксли в принципе способна описывать многие особенности электрической активности кардиомиоцитов. В 1960 г. в журнале «Nature» была опубликована его замечательная статья, в которой, опираясь на модель Ходжкина–Хаксли, он представил свою математическую модель, способную воспроизводить электрические явления в клетках рабочего миокарда и клетках водителях ритма. В это время Денису было всего 23 года. Он показал, что законы электрогенеза в возбудимых тканях обладают большой общностью и потому могут описывать электрические явления в таких различных объектах, как аксон кальмара и разные клетки сердца позвоночных  животных. 

Но, пожалуй, еще большее значение имела работа Нобла для провозглашения новой эпохи в физиологии, эпохи математической физиологии. Ходжкин, Хаксли и вслед за ними Денис Нобл продемонстрировали, что математические модели могут быть уникальным, мощным инструментом анализа физиологических явлений и имеют эвристическую ценность, предсказывая новые явления.

Сейчас мы знаем, что первая модель Дениса Нобла не была точной, однако и она обладала достаточной гибкостью, чтобы включать в себя в формализованном виде новые экспериментальные данные. Работая с коллегами и учениками, Денис непрерывно расширяет ее возможности. Сегодня такие модели воспроизводят широкий класс не только электрических, но и механических явлений в кардиомиоцитах, став теоретическим фундаментом физиологии и патофизиологии миокарда. 

Денис Нобл был одним из первых, кто осознал уникальные возможности использования суперкомпьютеров для анализа сложных физиологических явлений. В частности, используя суперкомпьютер, он и его ученики вскрыли сложные процессы ритмовождения в синусном узле. 

Велика роль Нобла в формулировке долговременных задач и целей современной физиологии, в понимании ее постгеномных перспектив. С 1994 по 2001 год Денис был генеральным секретарем Международного союза физиологических наук. Он создал замечательную школу электрофизиологов сердца, многие представители которой стали сегодня лидерами в этой области знания.

На конференции в Оксфорде обсуждались проблемы компьютерного моделирования в различных областях естественных наук, в особенности биологии и медицины. Были представлены новейшие данные, начиная от моделирования ионных каналов в мембранах клеток до уровня ткани и организма. Очень большое внимание уделялось моделированию патологических процессов, в частности нарушений сердечного ритма при ишемической болезни, инфаркте миокарда.

Международное сообщество выделяет огромные средства на поддержку этих исследований, к их финансированию подключаются промышленные предприятия, правительственные учреждения, благодаря чему математическая физиология развивается в мире исключительно динамично.

Подготовила 
Е. ПОНИЗОВКИНА

Фото С. Новикова:  Д. Нобл; В.С. Мархасин.
Фото П. Коновалова и С. Ларкина, К. Саломатина: П. Хантер, О.Э. Соловьева.