Новая архитектура нейросетей. Редактирование генома инъекцией. Биопластик. Новости QWERTY №299
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал Кверт. Меня зовут Владимир. И теперь мы знаем, что видел МакКонахи, когда летел в чёрную дыру. Надо срочно переснять Интерстеллар! NASA представила видео симуляции падения камеры в чёрную дыру, по параметрам схожую с чёрной дырой в центре Млечного Пути.
Хорошо видно, как ведёт себя при этом аккреционный диск и как структурированы фотонные кольца, образованные фотонами, уходящими на несколько оборотов вокруг чёрной дыры прежде чем отправиться путешествовать по Вселенной. Добраться до сингулярности не получится: камера разрушится. Но наблюдать за искажениями пространства, вызванными гравитацией чёрной дыры, — это отдельный вид удовольствия. Бонусом выступит симуляция пролёта мимо чёрной дыры без разрушения камеры.
Кстати, на создание этих симуляций у суперкомпьютера NASA ушло 5 дней. Ссылочку на четырёхминутное видео с пояснениями мы оставим в описании. Но уговор, сначала самые интересные новости науки за предыдущую неделю, а уже затем ролик от нас. И как обычно, все ссылки на источники и подробности к новостям в [музыка].
Скажите, какие виды симбиоза грибов с животными вы знаете? Не с растениями, там примеров предостаточно. Из животных на ум приходят некоторые муравьи, выращивающие в муравейниках грибные плантации. Ещё, возможно, некоторые птицы, которые строят свои гнёзда из ризоморфов грибов, а те потом прорастают, получая питательные вещества из материала в гнёздах.
Ризоморфы — это плотное сплетение гифов грибов, похожие на проволоку. А гиф — это нитевидные отростки, которые поглощают воду и питательные вещества. Напишите в комментариях, какие ещё виды симбиотических отношений грибов с животными вы знаете. А мы сейчас расскажем об одном из самых удивительных из них.
Клопы-щитники используют, не безызвестные, грибы кордицепс для защиты своего потомства. Но начнём мы с клопов. Их уши часто на ногах у насекомых располагаются уши. Энтомологи предположили, что у клопов динидорыч. Они на задних лапках, и приня изучать. Оказалось, что у самок на задних ногах таки есть странное расширение, внутри которого расположена вмятина с плоским дном, покрытым чем-то вроде мембраны.
Раз есть мембрана, то и это могло быть ухом. Но при детальном изучении мембрана оказалась далеко не мембраной, а всего лишь толстой кутикулой с порами и эпителием. То есть при всём желании обозвать это образование ухом, не получалось. Более того, у самок постарше в репродуктивном возрасте в этих вмятинах обнажалась странная белая субстанция, похожая на шерсть.
Эта шерсть на самом деле оказалась гифами грибов из семейства кордицепсов. Мы знаем, что обычно кордицепс насекомыми интересуются, так сказать, в корыстных целях — зомбируя их для размножения. Но тут всё было наоборот: оказывается, что самки клопов, когда откладывают яйца, начинают выцарапывать из вмятин на задних ногах грибные гифы.
Затем они наносят их на свои яйца. Через некоторое время грибы прорастают, питаясь питательными веществами с поверхности яиц и опутывают потомство от паразитических мушек-наездников. Они представляют большую опасность, когда яйца клопов лежат без гифов грибов, наездники откладывают свои яйца внутрь яиц клопов с понятными для клопов последствиями. Когда же яйца прикрыты, наездники чаще всего не могут пробиться к ним и засунуть свой яйцевод в яйца.
Гифы грибов выступают в роли щита. Кстати, когда клопы вылупляются, гифы грибов сначала их опутывают. Удивительно! Только представьте себе, через какие этапы развития должны были пройти клопы, чтобы приобрести такую эволюционную стратегию, буквально играя со смертью от кордицепса.
Проблема переработки пластика перед человечеством стоит очень остро. Не все виды пластика подвергаются промышленной переработке или утилизации. Но в последнее время всё чаще на помощь приходят бактерии, питающиеся пластиком. Какие-то из них умеют подъедать полиэтилен, какие-то — мягкий полиуретан, а какие-то даже полиэтилентерефталат.
С десяток видов пластика точно могут быть утилизированы при помощи бактерий. Но есть очень прочные пластики, вроде термопластичных полиуретанов, использующихся для производства обуви, автомобильных запчастей, в принципе, в промышленности. Так вот, они вообще не могут быть переработаны, не то что бактериями, а даже промышленными методами.
Ну то есть не могли быть переработаны до недавнего времени. Синая палочка, очень распространённая грамположительная бактерия, уже умеет разлагать некоторые виды пластика, но она также обладает ещё одной особенностью: в геномодифицированном виде её споры умеют выдерживать высокие температуры, такие, при которых производится термопластичный, очень прочный полиуретан, до 135°.
Идея учёных заключается в том, чтобы внедрить споры модифицированной синей палочки в сам пластик во время его производства. Пока пластик, точнее изделия из него, находится в эксплуатации, бактерии как бы спят. Они пластик не трогают, но пластику, попав в компост, в землю, на свалку, так бактерии активизируются и начинают пластик поедать.
Достаточно добавлять в пластик примерно 1% спор бактерий по массе, чтобы после попадания в компост они перерабатывали 90% пластика в течение 5 месяцев. Но и это, как говорится, в рекламе ещё не всё! Пластик, произведённый с добавлением бактерий, оказывается примерно на 35% более прочным в сравнении с обычным термопластичным. Просто фантастика какая-то, настоящий биопластик!
Тут главное, чтобы при широком применении бактерия не проэволюционировала. [музыка] Заболеваний уже сейчас происходит. Это так: у пациента берутся его клетки, они модифицируются в лаборатории и возвращаются обратно в организм.
Сейчас я вам расскажу о более радикальном. Ряд генетических дефектов в трёх сотнях генов отвечает за появление целого сонма заболеваний глаз. Они так и называются — наследственная дегенерация сетчатки, потому что страдают фоторецепторы: палочки, колбочки и, как следствие, катастрофически падает зрение.
Для многих вариантов детской генетической ретинальной слепоты лечения сейчас не существует. Если есть дефект в одном из множества генов, отвечающих за экспрессию нужных белков в глазу, то проявится слепота. Но мы умеем редактировать гены! Так почему бы не попробовать исправить и этот дефект прямо внутри организма пациента, в его глазу?
Медики разработали препарат, содержащий в себе систему редактирования генома на основе CRISPR-Cas9, нацеленную на правки конкретного гена, вызывающего заболевание, и также системой доставки на основе аденоассоциированного вектора — по сути, безобидного вируса-доставщика. Этот препарат и отправили на первую и вторую фазу открытых клинических испытаний более года назад.
В испытаниях участвовали 12 взрослых и двое детей с наследственной дегенерацией сетчатки. Чтобы ввести препарат в глазу с наиболее плохим зрением, удаляли часть стекловидного тела и впрыскивали прямо внутрь глаза лекарство, редактирующее весь геном прямо внутри организма пациента. Дозы были разные, потому что это испытания. И эти испытания были направлены в первую очередь на то, чтобы понять, насколько безопасен этот метод.
И сейчас появились результаты испытаний: за год, прошедший после введения, побочных эффектов обнаружено не было, а вот улучшение зрения было. Причём клинически значимое! Улучшилась острота зрения, улучшилось опосредованное колбочками зрение, восприятие красного цвета и другие параметры у половины испытуемых.
А я напомню, что дозы были разные. Улучшилось качество жизни, связанное со зрением. Всё это в совокупности означает, что нужно переходить к следующей фазе испытаний. И на секундочку, ещё раз отмечу, что это было первое испытание, при котором система редактирования генома вводилась непосредственно в организм пациента, буквально шприцом.
В сети можно встретить утверждение, что грядёт нейросетевая революция, и она связана не с существующими гигантами, вроде ChatGPT, Кандинский, Sora, Gemini, Яндекс GPT и десятками их, она связана с принципиально новой архитектурой, правда, основанной на уже хорошо известных принципах с шестидесятых годов.
В основе нейросетей находится многослойный перцептрон, то есть сети связанных между собой нейронов, имеющих некоторую функцию активации. Связи имеют определённые настраиваемые веса. Вся эта сеть напоминает структуру нейронов в мозге. Когда-то вся идея такой сети возникла из модели искусственного нейрона. Глубокое обучение, компьютерное зрение, языковые модели — всё это работает с применением многослойных перцептронов, то есть MLP.
Но недавно специалисты предложили новую архитектуру для нейронных сетей, основанную на исследованиях советских учёных Андрея Колмогорова и Владимира Арнольда. Назвали её Кан. Новая архитектура принципиально отличается от многослойного перцептрона. Фиксированные функции активации нейронов и линейные веса на рёбрах в MLP заменяются в Кан обучаемыми нелинейными функциями активации на рёбрах.
То есть в MLP обучение происходит за счёт изменения весов на рёбрах, а в Кан обучаются функции, расположенные на рёбрах. Звучит всё это довольно просто, не так ли? Но за всеми этими изменениями стоит довольно сложная математика, основанная на теореме аппроксимации Колмогорова-Арнольда, и вряд ли я смог бы глубоко в неё погрузиться.
Но что это в принципе нам даст? Заявляется, что новая архитектура позволит нейросетям получить большую точность при их меньших размерах, а также позволит лучше их интерпретировать. То есть понимать! Учитывая, что сейчас не зачастую представляют собой чёрный ящик, то есть учёные не до конца понимают, что происходит под капотом.
Лучшая интерпретируемость позволит строить более предсказуемые модели и вообще лучше понимать работу нейросетей. Такие сети будет проще визуализировать, также как обладают более быстрыми законами нейродинамики, чем MLP. Им нужно меньше данных для обучения. Не менее важно то, что Кан сохраняет память об обработанной информации. То есть она меньше зависит от баз данных и меньше нуждается в переобучении.
Судя по всему, Кан, а точнее нейросеть, основанная на этой архитектуре — это достойная альтернатива существующим нейросетям, которая обязательно найдёт свою сферу применения или сферы, а возможно, даже позволит совершить качественный скачок в искусственном интеллекте. А может и не позволит — тут покажет только время. Но вы и сами можете приобщиться к этим исследованиям, потому что модель находится в открытом доступе на GitHub. Ссылочку мы оставим в описании.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что NASA смогло восстановить нормальную работу Вояджера-1. Инженеры перенесли важные для передачи данных участки кода с повреждённого чипа памяти в системе полётных данных на свободное пространство, тем самым возобновив получение телеметрии.
Интересно, что задержка связи с Вояджерами сейчас составляет 22,5 часа в одну сторону, то есть почти двое суток в обе. В комментариях писали, что Вояджер на самом деле всё ещё не в межзвёздном пространстве, ведь он даже не вылетел из пояса Койпера. Конечно же, это не так: пояс Койпера находится на удалении примерно в 55 астрономических единиц от Солнца, а Вояджер-2 в 1977 году.
Ну что ж! А на этом на сегодня всё. Большое спасибо вам за просмотр. Мне будет очень приятно, если вы поделитесь мнением о ролике в комментариях. Ну а теперь можно идти смотреть ролик от NASA и голосовать за самую интересную новость выпуска в нашем Telegram-канале. Ссылочка будет в описании и до скорых встреч! [музыка] [музыка] Пока!