Вложить себя в науку

Наше стремление получить информацию обо всём на свете привело к тому, что миллионы датчиков, сенсоров, камер, приёмников, телескопов и антенн стали производить данные в количестве превосходящем ресурсы для их анализа.

И в этот момент появляется волонтёр. Он наливает себе чайку, садится за монитор и, допустим, открывает новую экзопланету. Почему бы и нет?

Орбитальная обсерватория Kepler раз в полчаса отслеживает изменение яркости тысяч звёзд, поскольку даже небольшое снижение яркости может свидетельствовать о транзите — прохождении планеты перед диском звезды. Если яркость меняется периодически, постепенно нарастает и падает, это, скорее всего, заявляет о себе планета, неизведанный мир, вращающийся вокруг далёкой звезды.

Автоматические алгоритмы ищут характерные сигналы, но, не обладая мозгом из сотни миллиардов нейронов, порой упускают то, что заметил бы внимательный человек, например волонтёр, посетивший страничку проекта Planet Hunters.

Могучая сила подобных проектов заключается в массовой концентрации усилий: множество людей за короткий срок делают то, на что у горстки учёных ушли бы годы повседневных наблюдений. За несколько лет существования проекта Planet Hunters его участники изучили десятки миллионов световых кривых яркости, открыли десятки планет, пятнадцать из которых находятся в температурной зоне, где может существовать жидкая вода, а в воде — плавать кто-то живой.

Олег Еланчик, физик:

«На сайте Planet Hunters ты за пару минут проходишь необходимое обучение на примере кривой блеска с явными признаками транзита планеты. И сразу в бой — исследовать реальные звёзды. Кроме поиска признаков транзита планет, ты можешь помочь с классификацией звёзд.

После каждой кривой на экране появляется справочная информация; тебе предлагают оставить комментарий или задать вопрос о звезде, которую только что изучал, посмотреть, что написали другие. Ты сталкиваешься с множеством разных сигналов: видишь переменные и кратные звёзды, пульсары, катастрофические выбросы вещества в космическое пространство, сигналы, похожие на шум — в последних отследить транзиты сложнее всего. Бывают и искусственно смоделированные признаки транзита — тебя проверяют на внимательность и помогают набить руку.

Я просмотрел за час несколько десятков кривых блеска и трижды обнаружил возможные следы прохождения планеты. Осталось дождаться, когда мои наблюдения проверят учёные. Вдруг не показалось и новый мир назовут именем моей девушки? Разумеется, Planet Hunters — далеко не единственный шедевр в своём жанре. Задач, решение которых требует усилий большого количества людей с любым уровнем подготовки, много. Есть целая платформа Zooniverse, объединяющая десятки подобных проектов в самых разных областях науки, от истории до биологии. То есть в понедельник я открываю планету, во вторник помогаю изучать данные о столкновениях частиц с детектора ATLAS, в среду гуляю по Марсу, а в четверг у меня распознавание фотографий диких животных. Пятницу оставлю, пожалуй, на распределённые вычисления».

В нашем мозгу около 100 миллиардов нейронов и бесчисленное количество синапсов — контактов между ними. По аналогии (очень грубой) с компьютером любой синапс — это транзистор, который или проводит электрический сигнал, или нет. И все наши воспоминания, навыки и личные особенности записаны в схему этих контактов. Либо пишутся прямо сейчас. Либо стираются, если какие-то части схемы перестраиваются. Разученная на фортепьяно мелодия, память о первой любви, знание квантовой механики есть только программы, выполняемые нейронами. Этой гипотезы во всяком случае придерживаются многие учёные.

Нейрофизиологи взялись построить коннектом человека: нарисовать схему всех этих мозговых проводов и контактов между ними. Задача адски сложная. Нужно получить изображения тончайших слоёв мозга, найти на них нервные клетки и связи между ними, построить трёхмерную модель. Компьютерные алгоритмы могут в полуавтоматическом режиме работать с изображениями, но человеку всё равно приходится корректировать эти процессы.

Чтобы картировать весь коннектом, сто обученных специалистов будут работать семь дней в неделю пятьсот тысяч лет без перерыва на еду, сон и даже проверку почты.
Что делать? Совершенствовать программы-дешифровщики и привлечь многократно больше сотрудников.

Лаборатория Себастьяна Сеунга в Массачусетском технологическом институте (MIT) делает и то и другое. Она разработала онлайн-игру EyeWire, по результатам которой строится коннектом сетчатки глаза мыши. Конечно, сетчатка — это не мозг человека и даже не мозг мыши, но и здесь есть сотни миллионов нейронов, участвующих в анализе информации.

Сеунга с коллегами вдохновила статистика: люди по всему миру еженедельно тратят на онлайн-игры миллиарды часов. Почему бы не направить их активность на благо науки?

Так создали EyeWire, научный 3D-пазл. Справа на экране —картинки слоёв мышиного мозга с увеличением в 100 000, слева — трёхмерное изображение, составленное из стопки таких сканов. Игрок, перемещаясь от слоя к слою, должен окрасить один участок нейрона. Дальше участки, раскрашенные разными игроками, автоматически сшиваются, и на выходе учёные получают общую картину разноцветных переплетающихся нейронов.

Первичный отбор кубиков производит самообучающаяся программа (искусственный интеллект, если хотите) — а по результатам игры её обучают работать ещё лучше.
С момента появления EyeWire в неё сыграли почти 150 000 человек из 148 стран. Как и в любой другой уважающей себя онлайн-игре, здесь проходят турниры: участники собираются в команды и соревнуются, кто правильно окрасит больше участков за определённое время. Победители получают право назвать нервные клетки по своему усмотрению. Так, например, появился нейрон доктора Зойдберга из «Футурамы».

Профессор Сеунг и его команда периодически публикуют в научных изданиях результаты работ, где от трети до половины картирования выполнены игроками.
Есть и другие примеры научных игр: Foldit и EteRNA (получение пространственных структур молекул белка и РНК соответственно), Quantum Moves (прохождение лабиринтов и разработка алгоритмов для квантового компьютера), эволюционная игра Phylo.

Всеволод Пахомов, программист:

«Играю вторую неделю где-то день через день минут по сорок. Я присматривался к разным проектам citizenscience — гражданской науки — и выбрал этот. Он жутко интересный, грамотно сделанный и, уверен, полезный: никогда не поверю, что это просто игра. Я теперь остальные сравниваю с ним, как с лучшим.
Я ещё на первом уровне, и случаи пока несложные. Но всё равно попался как-то нейрон с разветвлениями, для одного были порченые сканы, я долго ковырялся с ними, но потом позвал админа — вместе разобрались.
Я люблю науку, и мне приятно соприкасаться с ней через такие проекты».

Традиционный вид волонтёрства в России — участие в научных полевых исследованиях. Обычно добровольца обеспечивают едой и жильём, изредка оплачивают проезд. За это он что-то делает руками, ногами и мозгами: ухаживает за растениями в ботсаду, обустраивает экологические тропы в национальном парке, ведёт экологический мониторинг в заповеднике, укладывает свинцовые плиты на детекторе космических лучей и, конечно, ведёт раскопки. Бонус экспедиционной жизни — возможность посмотреть мир от Калининграда до Камчатки и от Арктики до Памира. Причём в некоторые точки другим образом вообще не попасть.

Анна Хоружая, студент-медик:

«Однажды я посмотрела фильм про Индиану Джонса, и моя жизнь изменилась. Появилось жгучее желание так же, как главный герой, отправиться на поиски чего-нибудь затерянного. Надеть комбинезон цвета хаки, подвязать волосы верёвкой, натянуть тяжёлые берцы, вооружиться лопатой, крупно- и мелкокалиберными кисточками и с лотком наперевес закопаться в древнем кургане времён Чингисхана или в траншее под стенами Успенского собора во Владимире… И в один прекрасный день друг рассказал, что в Великом Новгороде требуются волонтёры на раскопки. Я записалась добровольцем.

Работать мне предстояло на Троицком раскопе, одном из самых старых в России. Он существует с 1973 года, здесь нашли более тысячи берестяных грамот, знаменитую Новгородскую псалтирь — восковую книгу XI века, около двадцати городских усадеб XI–XV веков и даже мастерскую художника XII века Олисея Гречина.

Как меня встретили на раскопках? Всех волонтёров распределяют по территории, поделённой на квадраты 2 × 2 метра, мне тоже такой достался.

Находки бывают нескольких видов: массовые, которые не представляют большой ценности — черепки, кости и предметы, не относящиеся к вековому слою, в котором проходят раскопки (могло быть такое, когда, находясь в слое XV–XVI веков, ты вдруг выкапывал донышко покрытого глазурью блюдца ХХ века). А еще есть находки индивидуальные — вот они в обязательном порядке описываются, зарисовываются и отправляются на анализ.

Моё желание что-то нарыть было настолько велико, что, видимо, судьба сбросила на Троицкий раскоп сундучок с находками. Судите сами: за неполную неделю моего пребывания на раскопе нашли две (!) берестяные грамоты и большое количество ценных предметов (фрагменты конной сбруи, перстни, другие украшения). Я и сама ежедневно приносила на археологический стол то католический крестик XV–XVI веков (откуда только он здесь взялся?), то часть православного нательного крестика XVI–XVII веков, то металлическую пуговицу того же времени, то кусочки тигля. В общем, везло. Удалось даже заслужить почётный археологический титул „находчика"».

Пожертвовать деньги на интересные проекты, наверное, самое простое, что можно сделать. Чтобы быть меценатом, сейчас не нужно иметь состояние герцога, как во времена Галилея.

Сегодня средства на многие исследования и разработки собирают в Сети на таких платформах, как Kickstarter или Indiegogo (аналогичные в России — Boomstarter и Planeta.ru). Кроме того, существуют сайты, заточенные исключительно под финансирование научных исследований, например Experiment.com.

Деньги удаётся собрать даже на довольно дорогие космические проекты. Например, компания Planetary Resources в 2013 году буквально за месяц собрала 1,5 млн долларов на разработку и запуск орбитального телескопа ARKYD-100. Жертвователям была обещана возможность самостоятельно наводить телескоп и делать селфи на фоне космоса с помощью специальной камеры и экрана на корпусе. Деньги внесли 17 614 пользователей, прототип аппарата был испытан в космосе, но затем разработчики объявили о невозможности завершения проекта в задуманном виде.

Успешно прошёл испытания на орбите и другой гражданский проект — солнечный парус LightSail. Второй аппарат будет запущен в 2017 году, на него собрано 1,24 млн долларов.

А в декабре 2016-го в космос отправится российский «Маяк», собравший на платформе Boomstarter почти 2 млн рублей. Команда энтузиастов на базе Московского государственного машиностроительного университета создала пирамидку-светоотражатель из тонкой металлизированной плёнки. Обещают, что «Маяк» будет светить ярче, чем любая звезда.

Однако самая масштабная инициатива в рамках краудфандинга для космоса — это проект полёта к Луне. Его авторы собираются окончательно развеять миф о том, что американцы там не были, и сфотографировать места посадок «Аполлонов» с высоким разрешением. Аппарат должен самостоятельно выйти на окололунную орбиту, провести необходимые манёвры и снизиться до высоты десять километров над поверхностью Луны.

Проект анонсировал Виталий Егоров, популяризатор космонавтики, известный под ником Zelenyikot. Команда включает несколько человек с опытом работы в космической отрасли. На реализацию первого этапа программы: теоретическое описание, математические расчёты, создание инженерных образцов и начало разработки бортового компьютера — в прошлом году собрали 1 749 696 рублей. Общая стоимость проекта оценивается приблизительно в 10 млн долларов.

Надо сказать, за Егоровым уже числится один подвиг: в 2013 году добровольцы под его началом провели успешные поиски аппарата «Марс-3» на фотографиях NASA.

Александр Бойчук, инженер-радиотехник, руководитель разработки бортового радиокомплекса лунного аппарата:

«Лунный спутник, созданный на общественные деньги, — это прорыв как в популяризации науки, так и в практике частных пожертвований.

Со мной работают профессионалы, которые знают, что и как нужно делать, понимают, что исход миссии зависит от каждого. Такую деятельность трудно назвать хобби. Это настоящая работа, которая занимает много времени. А когда проект и интересный, и высокоинтеллектуальный, это ещё и хорошая прокачка для мозга».

Антон Громов, веб-разработчик, волонтёр:

«Я уже участвовал в проекте Егорова по поиску станции „Марс-6“ в 2013 году, и пусть пока парашют аппарата не найден, мой вариант выглядит самым убедительным. Потом, когда возникла необходимость в обработке новых кадров, я помогал с перезапуском проекта — сделал сайт с архивом найденных вариантов, чтобы сотрудники NASA сфотографировали то, что нам нужно.

Участие в этих программах навело меня на мысль получить профильное образование и уйти в индустрию, связанную с космосом. В сети „ВКонтакте“ я веду паблик, посвящённый Илону Маску, и „Космический иммигрант“ — можно сказать, популяризирую науку. Я также пожертвовал некоторую сумму на лунный проект и интерактивную выставку о космосе.

Опыт, который я получу, работая над лунным спутником, уникален. То, что я делаю, может много кто выполнить — бесплатно или нет. А у меня такой возможности больше не будет».

Виталий Егоров, организатор, блогер Zelenyikot:

«Если кто-то пересылает пятьдесят рублей на реализацию проекта, то так он выражает своё желание поучаствовать в запуске лунного спутника. Может быть, человек и сам бы рад выточить спутник на токарном станке или запрограммировать какую-нибудь плату, но у него нет времени, а прикоснуться к космической деятельности и поспособствовать её расширению хочется. Я такую возможность даю.

К краудфандингу мы обратились не только в поисках средств, но и для пиара. Хотелось громко заявить о своей идее и, возможно, найти тех немногих инвесторов, которые готовы вкладываться в частную космонавтику. Мы пытались обратиться за помощью в академическую среду, к учёным, но они не берут попутчиков после неудачного опыта сотрудничества с китайцами. Сотрудники РАН поставили китайский спутник на «Фобос-Грунт», из-за чего пришлось менять конструкцию и сроки запуска, а полетело всё с известным результатом.

Ещё надеялись привлечь энтузиастов, готовых работать за идею. Сейчас у России нет аппаратов за пределами околоземной орбиты. Так что если молодые специалисты хотят поучаствовать в становлении отечественной дальней космонавтики, это отличная возможность.

Если говорить о личных целях, то я не хочу вечно оставаться блогером, который пишет на космическую тему и следит за счётчиком подписчиков. Я решил, что если заниматься космосом, то не на словах, а на деле. Мне иногда говорят: „Летите на Луну? Давайте лучше на Марс или ещё куда-нибудь“. Я отвечаю: „Отлично! Начинай что-то делать. Я про тебя всем расскажу“.

Иногда останавливаешься и думаешь: „Ты же знаешь, что не полетишь на Марс и космонавтом уже не станешь“. Потом оглядываешься на свою жизнь: „А чем до этого-то занимался?“ Ничего лучше я в жизни не делал, поэтому стоит продолжать».

Математические модели, которыми сейчас пользуются учёные, стали настолько сложными, что порой им не хватает мощности даже суперкомпьютеров. Что делать? В 1999 году стартовал знаменитый проект SETI@Home, цель которого — поиск радиосигналов внеземных цивилизаций.

Прослушивая небо радиотелескопами, мы регистрируем в основном шум от небесных объектов, наземных радаров и телевышек, радиоэлектроники и спутников. Различить искусственный сигнал в общем радиошуме можно, если выполнить преобразование Фурье, позволяющее выделить периодическую компоненту сигнала. Эта операция трудоёмкая сама по себе, а будучи помноженной на масштабы поиска, требует немыслимых вычислительных мощностей.

На начальном этапе данные с радиотелескопа Аресибо поступали прямиком на греющийся неподалёку суперкомпьютер. Так продолжалось до тех пор, пока дорогущую машину с дорогущим вычислительным временем не разгрузила для других задач светлая идея сотрудников Калифорнийского университета в Беркли. Они подумали: а ведь на планете Земля простаивает колоссальный сетевой суперкомпьютер, ресурсы которого в основном используются не для научных вычислений, а для более серьёзных и нужных вещей — лайканья котиков, зависания в соцсетях и просмотра порнофильмов. Речь идёт о миллионах обычных пользовательских компьютеров.

Была разработана специальная платформа BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing) — программный комплекс для организации распределённых вычислений, позволивший учёным и университетам обращаться за помощью к рядовым пользователям интернета.

Это работает так. Задача, требующая высокой производительности, — моделирование Вселенной, расшифровка генома или всё тот же поиск инопланетных сигналов — разбивается на простые задания, которые рассылаются участникам и решаются параллельно на их компьютерах.

Это можно сравнить с перекладыванием апельсинов из одной коробки в другую, если принять за апельсин преобразование Фурье для одного сигнала. Очевидно, что несколько человек справятся быстрее одного, особенно если апельсины предварительно рассыпать, чтобы возле первой коробки не было толчеи.

Участник, скачавший клиентское программное обеспечение, обращается на сервер за инструкцией и загружает файлы заданий. Его компьютер выполняет их и отправляет на сервер решение, остаётся дождаться результата и призовых баллов. Участники объединяются в команды и соревнуются между собой.
Изначально созданная для SETI@Home, платформа BOINC стала открытой и сегодня используется во многих научных проектах, объединяющих миллионы участников.

Первый отечественный BOINC-проект Gerasim@Home появился в 2008 году усилиями двух энтузиастов-любителей, членов российских команд распределённых вычислений. Сегодня полученные ими результаты используются для экспериментального исследования алгоритмов из теории графов.

Другой проект называется SAT@Home. Его создали сотрудники двух институтов РАН. Инфраструктура — сервер, хостинг, сайт, выделенный интернет — находится в Москве. А руководитель проекта Олег Заикин — в Иркутске. Задачи, поставленные им, не подходили для институтского суперкомпьютера пиковой мощностью 1,5 терафлопса. Учёные решили обратиться за помощью к кранчерам — добровольцам, готовым поделиться ресурсами своих компьютеров. За три-четыре месяца SAT@Home догнал по производительности институтский кластер и вырвался вперёд. Ресурс, полученный в результате распределённых вычислений, уходит в основном на решение SAT — задач выполнимости булевых функций. Так работают с трудноразрешимыми вопросами в криптографии и биоинформатике.

Александр Андреев, администратор сайта BOINC.RU, руководитель команды распределённых вычислений Russia Team:

«Добровольцам очень важно ощущать причастность к делу, на которое они жертвуют вычислительные мощности. Постоянное общение с организатором — обмен новостями, обсуждение удач и проблем проекта, участие в предварительных тестах и локальных экспериментах — этому очень способствует. Есть у добровольцев и специфический инструмент — соревнования. Грамотно подготовленные и проведённые, они позволяют, пусть и на короткий срок (обычно 7 дней), привлечь объединённые силы нескольких команд и резко повысить вычислительную мощность проекта».

Максим Манзюк, программист, кранчер:

«Проект научный и предполагает определённый образ мышления. А уже образ мышления задаёт всё остальное: отношение к миру, профессию, умение разобрать ситуацию, придумать решение. Чтобы участвовать в проекте, надо просто установить BOINC-клиент на свой компьютер. Я пробовал сочинить алгоритм поиска квадратов, помогал с инфраструктурой. Параллельно работал в команде над созданием CluBORun — инструмента, который позволил бы запускать BOINC на свободных ресурсах кластеров, к которым у нас появился доступ».

Олег Заикин, руководитель проекта SAT@Home, научный сотрудник лаборатории дискретного и прикладного анализа Института динамики систем и теории управления Сибирского отделения РАН:

«У меня часто спрашивают, почему в России так мало проектов распределённых вычислений. А вот почему: чтобы быть организатором такого проекта, нужно нормально воспринимать вещи, которых учёные стараются избегать. В частности, необходимость постоянно общаться. Первые два месяца мне было довольно тяжело постоянно находиться в контакте с людьми: рассказывать, объяснять, выслушивать мнения и советы. Но потом втянулся. Наше сообщество существует уже пять лет, и я говорю с кранчерами на одном языке. Проект нужно вести так, чтобы он нравился пользователям: выкладывать новости на форуме, публиковать научные и популяризаторские статьи.

Кое-что вышло неожиданно. Когда после запуска всё более-менее улеглось, выяснилось, что люди на форуме весьма увлечённые — хотят расширить проект: „А давайте вы это, это и это запустите“. У меня времени не было, и однажды кранчеры сказали, что и сами могут что-то сделать. Постепенно несколько человек плотно включились в работу над SAT@Home. Дошло до совместных научных публикаций.

Так, в ходе работы над проектом, я нашёл высококвалифицированных коллег. Люди безвозмездно отдают не только вычислительные ресурсы, но и своё время, знания, потому что хотят делать что-то правильное и хорошее. Я же с удовольствием этим пользуюсь — получается отличный симбиоз».

Учёным постоянно нужны испытуемые. Часто исследователи решают эту проблему просто: ставят эксперименты на себе и коллегах. Но порой сотрудников одной лаборатории оказывается недостаточно, чтобы набрать нужное количество данных: их или слишком мало, или они слишком одинаковые и среди них сложно найти, скажем, чернокожих некурящих мужчин-близнецов в возрасте 40–60 лет, с детства говорящих на двух языках и исповедующих буддизм.

Тогда учёные дают объявления о поиске добровольцев, отвечающих определённым требованиям. Иногда, как в случаях с испытаниями лекарств или как в знаменитом стэнфордском тюремном эксперименте, такая работа оплачивается, но безвозмездное служение науке тоже возможно. Всё, что нужно, — это прийти в лабораторию, сдать кровь, выполнить психологические тесты, пообщаться с экспериментаторами или другими испытуемыми.

В Москве, например, всегда ищет добровольцев лаборатория нейролингвистики Высшей школы экономики. Испытуемым предлагают на скорость выбрать изображения, соответствующие описаниям вроде «хозяйка разбивает тарелкой вазу»; воздействуя на мозг короткими магнитными импульсами, просят назвать предметы на картинках или даже кладут в томограф, заставляя вслед за экспериментатором повторять: «Сейчас вдова допивает вишнёвый ликёр» и «Свекавошуратьплемискадасейзиузливо». Эти исследования позволят помочь людям с нарушениями речи и понять, как деятельность мозга порождает речь и язык.

Дарья Попова, доброволец в лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:

«По специальности я лингвист, занимаюсь преподаванием и переводами. С нейрофизиологией никак не связана. В эксперимент попала случайно — увидела репост в ленте, что нужны девушки-правши. Здесь работала знакомая моей знакомой по соцсетям, и довериться ей было не так страшно, как совсем уж незнакомому человеку. Я боялась лишь не справиться с заданием.

Это была серия экспериментов по нейробиологии и нейрофизиологии. Я приходила на биофак в лабораторию — мне мазали голову солевым гелем, надевали шапку с электродами. Затем экспериментатор давал задания: спеть песенку, посчитать углы в фигурах, подвигать руками и ногами. Потом те же самые движения надо было делать вполсилы, вернее, почти не делать, а только давать соответствующий импульс пальцам рук и ног. А в конце надо было мысленно отдавать себе приказы шевелить руками-ногами, но не шевелить ими. Эти эксперименты помогут создать программу для „умных“ протезов: чтобы она распознавала сигналы в голове и связывала их с определёнными движениями, сначала её надо этому обучить. Задания были в основном на умение сосредоточиться на одном действии и не отвлекаться. Это сложно и, надо сказать, выматывало. Как и необходимость мыть голову в институте.

К участию в научных экспериментах я отношусь как к любой просьбе друзей, знакомых или благотворительных организаций. Если вас просят отдать лишнюю одежду нуждающимся или предлагают посадить дерево, это естественно — идти навстречу. Вот и пошла. Люблю приносить пользу, а тут ещё и шанс узнать что-то новое о науке, пообщаться с учёными, которые тебе снисходительно всё разъяснят.

Если дело выгорит, будет приятно осознавать, что я стояла у истоков».

Впервые опубликовано: «Кот Шрёдингера» № 11 (25) ноябрь 2016 г.