Где биология встречается с цифрой: как в Калуге создают систему прогноза природно-очаговых болезней

8 февраля, в День российской науки, мы рассказываем о молодом учёном из Калуги, который с помощью математического моделирования предсказывает вспышки опасных болезней. Её инструменты – не только микроскопы и пробирки, но и алгоритмы, спутниковые снимки и сложные математические модели.

В лаборатории кафедры биологии и экологии Института Естествознания КГУ им. К.Э. Циолковского царит тишина, нарушаемая лишь мягким гулом вычислительных серверов. Здесь Анна Никанорова – молодой учёный, доктор ветеринарных наук, кандидат биологических наук, доцент, профессор кафедры – занимается тем, что ещё недавно казалось фантастикой: создаёт цифровые двойники природных очагов инфекций, чтобы предсказывать, где и когда может произойти вспышка клещевого энцефалита, боррелиоза, лептоспироза или других опасных заболеваний.

Её работа – это наглядный пример того, как сегодня меняется наука. Это уже не просто наблюдение и описание, а междисциплинарный синтез, где паразитология и биология встречаются с наукой данных, а экология – с машинным обучением.

От природного очага – к цифровому двойнику

Природно-очаговые болезни – сложные системы, живущие по своим законам. Численность мелких грызунов – потенциальных прокормителей иксодовых клещей, активность самих временных паразитов: клещей, комаров, гнуса, температура, влажность, количество хищников – всё это переменные в гигантском уравнении, которое Анна, её ученики и коллеги учатся решать.

«Раньше эпидемиологи часто работали по факту: заболели люди – ищем причину. Мы же хотим сместить фокус на упреждающие меры, — объясняет Анна. — Для этого мы создаём математическую модель очага, которая позволяет проигрывать сценарии: что будет, если зима будет тёплой? Если весна придёт рано? Если на границе леса построят новый микрорайон?»

Модель не даёт стопроцентного прогноза, но показывает вероятное развитие событий, помогая здравоохранению планировать профилактику: где усилить акарицидную или инсектицидную обработку, когда запустить информационную кампанию для населения.

Наука без границ: от пробы грунта до строки кода

Анна Никанорова подчёркивает: современный исследователь в её области должен быть универсалом. Сама полевая работа – выезд в очаг, отбор проб, учёт животных – неотделима от лабораторного анализа, а это, в свою очередь, требует умения работать с большими данными и статистическими пакетами, а иногда и писать код.

Этому же принципу она учит студентов на кафедре биологии и экологии: быть одновременно полевым биологом, лаборантом и «цифровиком».

«Мой научный руководитель, паразитолог, академик РАН Фёдор Иванович Василевич, всегда поддерживал и поддерживает этот мультидисциплинарный подход, — говорит Анна. — Ведь только на стыке паразитологии, ветеринарии, медицины, экологии, математики и информатики можно увидеть полную картину».

Терпение, данные и взгляд в будущее

Одна из главных сложностей в работе – время. Для точной модели нужны не разовые данные, а многолетние ряды наблюдений. Нужно терпение, чтобы накапливать этот массив, и упорство, чтобы искать закономерности.

Сейчас команда Анны планирует работать над интеграцией в модели данных дистанционного зондирования Земли спутниковых снимков, которые показывают динамику растительности, температуру поверхности, влажность почвы. Это позволит делать прогнозы ещё точнее и масштабнее.

А есть ли у этой, казалось бы, сугубо «земной» науки, космическое будущее? Ведь Калуга и имя Циолковского обязывают к космическим масштабам. Анна считает, что невозможно сейчас, возможно в будущем.

«Прямо сейчас – нет, мы прочно стоим на Земле. Однако методы, которые мы развиваем – анализ сложных систем, прогнозирование их состояния – имеют огромный потенциал. Ведь длительные космические миссии или жизнь в замкнутых пространствах, например, на лунной базе, – это тоже сложные биологические системы, где важно предсказывать и предотвращать любые сбои, в том числе эпидемиологические. Так что, возможно, наши наработки пригодятся в будущем ученым, изучающим космос».

Цель: не только предсказать, но и научить

Для современного ученого, считает Анна, наука – это не только исследования, но и отчасти миссия. Одна из ключевых задач – показать новому поколению учёных, что мир не делится на «гуманитарный» и «технический», не стоит бояться сложных вычислений. Главное, видеть в живой природе не хаос, а упорядоченную гениально красивую систему, которую невозможно понять, но возможно смоделировать некоторые биологические процессы.

В День науки особенно важно говорить о таких исследователях. Они не просто делают открытия. Они меняют сам подход к решению глобальных проблем, превращая данные в знания, а знания – в инструменты профилактики и защиты. И в калужском университете, носящем имя Константина Эдуардовича Циолковского, эта работа уже идёт на стыке биологии, экологии и цифры.