"Mokslinės
Nobelio premijos savo ruožtu visada pagerbė žmogaus intelektą. Šiais metais
pirmą kartą buvo pripažintas ir dirbtinio intelekto (AI) transformacinis
potencialas. Šis pripažinimas prasidėjo antradienį, spalio 8 d., kai Švedijos
karališkasis apdovanojimas Mokslų akademija fizikos premiją skyrė John Hopfield
iš Prinstono universiteto ir Geoffrey Hinton iš Toronto universiteto už
kompiuterių mokslo proveržius, neatsiejamus nuo daugelio galingiausių šių dienų
AI modelių.
Kitą dieną geidžiamo
skambučio iš Stokholmo sulaukė ir vieno tokio modelio kūrėjai. Demis Hassabis
ir Johnas Jumperis iš DeepMind, Google AI įmonės, gavo pusę chemijos prizo už
AlphaFold, programos, galinčios numatyti trimatę baltymų struktūrą, sukūrimą,
ilgalaikį didžiulį biochemijos iššūkį. Antroji premijos pusė atiteko Vašingtono
universiteto biochemikui Davidui Bakeriui už kompiuterinį darbą, kuriant naujus
baltymus.
AI dėmesys nebuvo
vienintelis šiuose skelbimuose bendras dalykas. Abiem atvejais apdovanojamas tyrimas
nepriklausytų apdovanojimus skiriančių komitetų kompetencijai (AI tyrimai yra
kompiuterių mokslas; baltymų tyrimai, be abejo, priskiriami biologijai).
Ribų stūmimas
Toks lankstumas nėra
precedento neturintis dalykas. Pavyzdžiui, 1973 m. trys novatoriški gyvūnų
elgesio tyrinėtojai, dirbę su bitėmis, žąsimis ir žuvelėmis, buvo įtraukti į
fiziologijos kategoriją. Tačiau Dr. Hinton ir Hopfield apdovanojimas pripažįsta
pasiekimus, turinčius gilesnių pasekmių.
Abu tyrėjai savo
lemiamą darbą atliko devintojo dešimtmečio pradžioje, tuo metu, kai kompiuterių
aparatinė įranga negalėjo išnaudoti visų šių tyrimų privalumų.
Dr Hopfieldas buvo
atsakingas už tai, kas tapo žinoma kaip Hopfieldo tinklas – dirbtinio neuroninio
tinklo, kuris elgiasi, kaip fizinė struktūra, vadinama sukimosi stiklu, tipą, o
tai suteikė akademijai menką priežastį pavadinti šią sritį „fizika“.
Dr.
Hintono indėlis buvo panaudoti algoritmą, žinomą, kaip atgalinis propagavimas,
norint apmokyti neuroninius tinklus.
Dirbtiniai
neuroniniai tinklai yra kompiuterinės programos, laisvai pagrįstos tuo, kaip
manoma, kad veikia tikri, biologiniai nervinių ląstelių arba neuronų tinklai.
Visų pirma, jungčių (žinomų, kaip svoriai) tarp „mazgų“ (neuronų atitikmenų)
tokiuose tinkluose stiprybės yra kintančios. Šis plastiškumas suteikia tinklui
galimybę kitaip apdoroti informaciją, atsižvelgiant į ankstesnius rezultatus;
arba, kitaip tariant, mokytis. „Hopfieldo“ tinklai, kuriuose kiekvienas mazgas
yra prijungtas prie visų kitų, išskyrus jį patį, ypač gerai mokosi išgauti dėsningumus iš negausių ar triukšmingų duomenų.
Dr. Hintono
algoritmas padidino neuroninių tinklų mokymosi galimybes, leisdamas jiems
veikti trimis aspektais. Hopfieldo tinklai ir panašūs į juos iš esmės yra
dvimačiai. Nors jie iš tikrųjų egzistuoja tik kaip programinės įrangos
modeliavimas, jie gali būti laikomi fiziniais mazgų sluoksniais. Tačiau
sudėkite tokius sluoksnius vieną ant kito ir treniruokite juos, keisdami
svarmenis, kai signalai juda atgal ir pirmyn tarp sluoksnių (ty, sklinda atgal
ir į priekį), ir turėsite daug sudėtingesnę mokymosi sistemą.
Dr. Hintonas taip
pat, naudodamas matematikos šaką, vadinamą statistine mechanika, pakoregavo Dr.
Hopfieldo tinklus, kad sukurtų vadinamąsias Boltzmanno mašinas. (Statistinę
mechaniką, kuria grindžiamas šiuolaikinis antrojo termodinamikos dėsnio
supratimas, išrado Ludwigas Boltzmannas, artimas Alfredo Nobelio amžininkas.)
Boltzmanno mašinos gali būti naudojamos, kuriant sistemas, kurios mokosi be
priežiūros ir nustato duomenų šablonus be to. kad būtų aiškiai mokomos.
Taigi šių dviejų
tyrėjų veikla mašininį mokymąsi iš tikrųjų padarė įspūdingu. Dirbtinio intelekto modeliai
dabar gali ne tik mokytis, bet ir kurti (arba, skeptikų žodžiais, pertvarkyti ir
atgaivinti pačiu sudėtingiausiu būdu). Taigi tokios priemonės tapo gebėjimo
atlikti labai specifines užduotis, tokias, kaip vėžinių ląstelių atpažinimas
audinių mėginių nuotraukose ar dalelių fizikos duomenų kalnų supaprastinimas,
ir bet ko – nuo esė rašymo tingiems studentams iki robotų valdymo.
Daktaras Hintonas,
kurį akademijos detektyvai susekė viešbutyje Kalifornijoje, kad praneštų
džiugią žinią, ir kuris, nepaisant laiko skirtumo, linksmai sutiko atsakyti į
spaudos klausimus, atrodė ir susirūpinęs, ir didžiavosi jo pasiekimais. Jis,
kaip ir daugelis šios srities atstovų, nerimavo dėl to, kaip mašinų intelektas,
pranokęs žmonių įvairovę, vėliau elgsis su jo kūrėjais.
Tačiau jis taip pat
svarstė, kad, padėdamas dirbti protinį darbą, AI gali turėti tokį pat didelį
poveikį visuomenei, kaip ir pramonės revoliucijos pagalba fiziniam darbui.
Tokie svarstymai buvo
laiku. Nepraėjus 24 valandoms, akademija pripažintų atliktus tyrimus, AI
modelių pagalba apie baltymų struktūrą.
Grįžkite į lanką
Baltymai yra
pagrindinė cheminė gyvybės statybinė medžiaga. Jie sudaryti iš mažesnių
molekulių, vadinamų aminorūgštimis, išdėstytų ilgomis grandinėmis, kurios
susilanksto labai sudėtingais ir specifiniais būdais. Galutinė sulankstyto
baltymo forma lemia jo biologinę funkciją. Kitaip tariant, norint suprasti
baltymus, o kartu ir biologiją, reikia suprasti jų struktūrą.
Dr Baker tokį
supratimą pasiekė darydamas. 2003 m. reikšmingame dokumente jam pavyko sukurti
visiškai naują baltymą. Naudodamas kompiuterinę programą, kurią pavadino
Rosetta, jis rado aminorūgščių seką, galinčią susilankstyti gamtoje nematytais
būdais. Kai seka buvo atkurta laboratorijoje ir susiformavo baltymas, jis
nustatė galutinę jos struktūrą, naudodamas techniką, vadinamą rentgeno
kristalografija: ji labai atitiko tai, ką jis buvo užsibrėžęs sukurti. Rosetta,
dabar vadinama Rosetta Commons, vėliau tapo programinės įrangos paketu, kurį
naudoja baltymų chemikai visame pasaulyje, o skaičiavimo baltymų projektavimas
padėjo viskam, pradedant vakcinų kūrimu ir baigiant toksiškų cheminių medžiagų
aptikimu.
Eiti kitu keliu ir
nuspėti baltymo struktūrą pagal jo aminorūgščių seką yra problema, kuriai
įveikti prireikė dar ilgiau dirbti. Atsižvelgiant į beveik neribotą konfigūracijų, į
kurias gali susilankstyti baltymas, skaičių – kai kuriais skaičiavimais, net 10
300 vieno sudėtingo baltymo atveju – net kompiuteriai turėjo ribotą sėkmę.
DeepMind AlphaFold 1 ir 2 (abu dirbtiniai neuroniniai tinklai), paviešinti
atitinkamai 2018 ir 2020 m., buvo pirmieji, kurie netgi priartėjo prie sprendimo. „AlphaFold
2“ dabar turi daugiau, nei 200 m baltymų struktūros prognozių duomenų bazę, o
numatymo tikslumas artėja prie 90%.
Nors seras Demisas ir
daktaras Jumperis šiais metais buvo įtraukti į įvairius varžovų premijai gauti sąrašus,
daugelis susimąstė, ar dar per anksti AlphaFold pripažinti. Tačiau tai jau padarė
tikrą poveikį: „DeepMind“ teigia, kad kai kurie 2 mln. mokslininkų jau naudoja
jį savo tyrimuose. Gegužės mėn. išleistas „AlphaFold 3“ apima ne tik baltymus,
bet ir prognozuoja daugelio kitų biomolekulių, tokių kaip DNR, struktūrą, taip
pat mažas molekules, kurios gali veikti, kaip vaistai. Jis taip pat gali
numatyti, kaip skirtingos skirtingos struktūros molekulės dera tarpusavyje,
pavyzdžiui, kaip viruso smaigalio baltymas gali sąveikauti su organizme
esančiais antikūnais ir cukrumi.
Pirmą kartą pasirinkęs
pagerbti darbą, atliktą su AI modeliu, komitetas atvėrė galimybę ateityje gauti
daugiau tokių prizų. Tai lygiai taip pat gerai; AI jau kurį laiką skverbiasi į
visas mokslo sritis, kaip iliustravo daktaras Bakeris, kai jam buvo paskambinta
per komiteto spaudos konferenciją. Jis sakė, kad AlphaFold įkvėpė jį sukurti
generatyvinius AI modelius, galinčius kurti naujus baltymus. "Mūsų nauji
AI metodai yra daug galingesni", - sakė jis.
Mega svarbu
Prizas už fiziologiją
ar mediciną savo ruožtu vengė AI paminėjimo. Ji taip pat buvo apsaugota nuo
kaltinimų dėl žanro keitimo, tęsiant akademijos tendenciją vis labiau
pripažinti mažiausius molekulinio ir ląstelių lygmens pasiekimus, o ne dirbti
su fiziologija ar organais, nes būtent šiose mikroskopinėse skalėse yra
įdomiausios mokslo sritys.
Nugalėtojais tapo
Victoras Ambrosas iš Masačusetso universiteto medicinos mokyklos ir Gary
Ruvkunas iš Masačusetso bendrosios ligoninės už mikro-RNR (miRNR) atradimą ir
jos vaidmenį „post-transkripcijos genų reguliavime“. Tai mažų molekulių klasė,
kurią sudaro tik 20–24 nukleotidai (genomo A, C, G, U raidės), ir jos atlieka
pagrindinį vaidmenį ląstelių veikloje.
Kiekvienos žmogaus
ląstelės branduolyje yra visas instrukcijų rinkinys – genomas – kaip sukurti žmogų.
Pagrindinis biologijos klausimas yra tai, kaip tas pats genų ir instrukcijų
rinkinys gali sukelti tokius skirtingus kūno ląstelių tipus – nuo raumenų iki
kepenų ląstelių per smegenyse esančius neuronus. Atsakymas yra tas, kad ne visi
genai, esantys branduolyje, yra paverčiami baltymais. Skirtingų tipų ląstelės
seka savo vystymosi kelius, naudodamos tik tuos genetinius nurodymus,
susijusius su jų augimu ir vystymusi. Kiekvienam ląstelių tipui būtiną atranką
iš dalies kontroliuoja dr. Ambros ir Ruvkun atrastos miRNR molekulės.
Jos visų pirma veikia,
prisijungdamos prie kitos ląstelės molekulės, žinomos, kaip pasiuntinio RNR
(mRNR), tikslinių dalių, kurios perduoda informaciją iš genomo DNR į, baltymus
gaminančias, gamyklas ląstelėse. Trukdydama mRNR molekulėmss, miRNR gali pakeisti
arba užkirsti kelią baltymų gamybai. Pabrėždama didėjančią šios molekulinės
biologijos srities svarbą, mRNR praėjusiais metais buvo apdovanota Nobelio
premija.
1993 m. radus miRNR,
šiandien buvo galima suprasti, kad mūsų ląstelėse yra daugiau, nei tūkstantis
šių mažų molekulių. Šis atradimas turėjo didelių pasekmių biologijai.
Nenormalus miRNR molekulių reguliavimas gali prisidėti, kai žmonės serga vėžiu
ir epilepsija. Nustatyta, kad genų, koduojančių miRNR molekules, mutacijos
sukelia tokias sąlygas, kaip įgimtas klausos praradimas ir manoma, kad jos yra
susijusios su daugelio akių ligų, tokių, kaip katarakta, glaukoma ir geltonosios
dėmės degeneracija, patologijoje. Manoma, kad miRNR molekulės taip pat yra
svarbios daugeliui kaulų ligų, tokių, kaip osteoporozė, osteosarkoma ir kaulų
metastazės.
Daktarai Ambrosas ir
Ruvkunas, kurie devintojo dešimtmečio pabaigoje dirbo toje pačioje
laboratorijoje Masačusetso technologijos institute, atrado miRNR molekules,
naudodami pagrindinį biologinio tyrimo įrankį – apvaliąją kirmėlę
Caenorhabditis elegans. Jie tyrinėjo dvi mutantines kirminų padermes, turinčias
genų defektų, lemiančių gyvūnų vystymąsi ir darbą. Tai darydami, mokslininkai
parodė, kad genas, vadinamas lin-4, pagamino neįprastai trumpą RNR molekulę,
kuri nekodavo jokių baltymų ir, atrodo, slopina kito geno aktyvumą.
Teikdamas premiją
Karolinskos instituto Nobelio komitetas pažymėjo, kad kai mokslininkai paskelbė jų rezultatus, jie sutiko „beveik kurtinančią mokslo bendruomenės tylą“. Buvo
manoma, kad neįprastas C. elegans genų reguliavimo mechanizmas yra šio
organizmo ypatumas, nesusijęs nei su žmonėmis, nei su kitais sudėtingesniais
organizmais. Šis požiūris ilgainiui pasikeitė, nes tapo aišku, kad genai,
koduojantys miRNR, buvo rasti visoje gyvūnų karalystėje.
„Novo Nordisk“,
Danijos farmacijos milžinė, yra viena iš įmonių, bandančių gaminti vaistus,
naudojant miRNR. Šiais metais ji įsigijo Vokietijos firmą Cardior, kurios
pagrindinis vaistų kandidatas CDR132L veikia, blokuodamas tam tikrą miRNR,
tikintis padėti pacientams, sergantiems lėtiniu širdies nepakankamumu ir
širdies hipertrofija (širdies sienelių sustorėjimu ir sustingimu).
Šių metų prizas
pabrėžia besitęsiančią tendenciją pripažinti atradimus molekuliniu lygmeniu.
Pastaruoju metu kelios Nobelio premijos buvo skirtos technologijoms, kurios
turėjo akivaizdų klinikinį pritaikymą, pavyzdžiui, vėžio imunoterapija (2018
m.) ir genų redagavimas (2020 m.). Galbūt, nenuostabu, kad, tobulėjant
molekulinių ir genetinių tyrimų technologijoms, mokslininkai įgyja vis daugiau
įžvalgų apie ląstelių funkciją, todėl su jomis gali padaryti gilesnių ir
naudingesnių atradimų.
Nobelio siekiai
Vis didesniam
skaičiui tyrėjų visame pasaulyje, kurie savo darbe remiasi dirbtiniu intelektu,
šių metų apdovanojimų ilgalaikė žinia gali būti kitokia: jie taip pat vieną
dieną galės pagauti prestižiškiausius mokslo gongus. Savo ruožtu dr. Jumperis
sakė: „Tikiuosi... kad mes atvėrėme duris daugybei neįtikėtinų mokslinių
laimėjimų, susijusių su skaičiavimais ir dirbtiniu intelektu.“ [1]