Smart biology: жасанды интеллектпен зерттеу әлемі.

Аннотация

Бұл баяндамада биология ғылымында жасанды интеллект технологияларын қолданудың теориялық және практикалық негіздері қарастырылады. Smart Biology ұғымының мәні ашылып, оның геномика, медицина, экология, ауыл шаруашылығы және білім беру салаларындағы маңызы талданады. Жасанды интеллекттің биологиялық деректерді өңдеудегі тиімділігі, зерттеу үдерістерін жеделдетудегі рөлі және жаңа формация маманын қалыптастырудағы орны сипатталады. Сонымен қатар, Smart Biology дамуының болашағы мен этикалық мәселелері қарастырылады. Баяндама нәтижелері жасанды интеллект пен биологияның интеграциясы ғылымның сапалы дамуына ықпал ететінін көрсетеді.

Түйін сөздер: Smart Biology, жасанды интеллект, биология, биоинформатика, геномика, цифрлық технологиялар.

Кіріспе

XXI ғасыр – ғылым мен технологияның түбегейлі тоғысқан ғасыры. Қазіргі таңда адамзат алдында тұрған ең күрделі мәселелер – денсаулық сақтау, экология, азық-түлік қауіпсіздігі, климаттың өзгеруі – барлығы биология ғылымымен тікелей байланысты. Алайда дәстүрлі биологиялық зерттеу әдістері бұл мәселелерді шешуде кей жағдайда жеткіліксіз болып отыр. Осы тұста ғылым сахнасына жасанды интеллект (Artificial Intelligence) негізіндегі жаңа тәсілдер келді.

Биология мен цифрлық технологиялардың синтезі нәтижесінде Smart Biology деп аталатын жаңа ғылыми бағыт қалыптасты. Smart Biology – тірі жүйелерді зерттеуде жасанды интеллект, машиналық оқыту, нейрожелілер және үлкен деректерді қолдануға негізделген инновациялық бағыт. Бұл тәсіл биология ғылымын сапалы жаңа деңгейге көтеріп, зерттеудің жылдамдығы мен дәлдігін арттыруда.

1. Smart Biology ұғымының қалыптасуы және теориялық негіздері

Smart Biology – тек технологиялық жаңалық емес, бұл – ғылыми парадигманың өзгеруі. Бұрын биология көбіне бақылау мен экспериментке сүйенсе, қазіргі Smart Biology деректерге негізделген ғылым ретінде дамып отыр.

Бұл бағыттың теориялық негіздері:

• жүйелік биология;

• биоинформатика;

• машиналық оқыту;

• жасанды нейрондық желілер;

• математикалық модельдеу.

Жасанды интеллект биологиялық жүйелердегі күрделі өзара байланыстарды анықтап, адамға байқалмайтын заңдылықтарды табуға мүмкіндік береді. Бұл – Smart Biology-дің басты артықшылығы.

2. Геномика және протеомика саласындағы Smart Biology

2.1 Геномдық деректерді талдау

Қазіргі заманғы геномикада бір ғана организмнің ДНҚ деректері терабайт көлеміне жетуі мүмкін. Мұндай ақпаратты дәстүрлі әдістермен өңдеу мүмкін емес.

Жасанды интеллект:

• генетикалық кодты автоматты түрде талдайды;

• мутацияларды анықтайды;

• эволюциялық өзгерістерді болжайды;

• тұқым қуалайтын аурулардың қаупін есептейді.

Мысалы, нейрожелілер қатерлі ісікке әкелетін генетикалық өзгерістерді ерте кезеңде анықтауға қабілетті.

2.2 Ақуыз құрылымын болжау

Ақуыздардың кеңістіктік құрылымын анықтау – биологиядағы ең күрделі мәселелердің бірі. Жасанды интеллект негізіндегі модельдер бұл мәселені жылдам шешуге мүмкіндік беріп отыр.
Бұл жаңалық:

• жаңа дәрілерді жасауға;

• ферменттердің қасиеттерін зерттеуге;

• биотехнологияның дамуына серпін берді.

3. Smart Biology және медициналық биология

3.1 Дәл медицина (Precision Medicine)

Smart Biology медицинада жеке тұлғаға бағытталған емдеу тұжырымдамасын дамытуда.
Жасанды интеллект:

• науқастың генетикалық ерекшеліктерін;

• өмір салтын;

• ауру тарихын талдай отырып,
  ең тиімді емдеу әдісін ұсынады.

Бұл қателіктерді азайтып, емнің нәтижелілігін арттырады.

3.2 Ауруларды диагностикалау

Жасанды интеллект:

• медициналық суреттерді (МРТ, КТ, микроскопиялық кесінділер) талдайды;

• ауру белгілерін ерте кезеңде анықтайды;

• дәрігер шешімін қолдайтын жүйе ретінде қызмет етеді.

Бұл әсіресе онкология, кардиология, неврология салаларында аса маңызды.

1. Smart Biology және жасанды интеллекттің өзара байланысы

Smart Biology – биология мен жасанды интеллекттің пәнаралық синтезі. Бұл бағытта тірі жүйелерді зерттеу деректерге негізделген модельдер арқылы жүзеге асады. Жасанды интеллект биологиялық ақпаратты өңдеудің дәлдігін арттырып, ғылыми болжамдар жасауға мүмкіндік береді.

2. Биологиялық зерттеулердегі Smart Biology қолданылу бағыттары

2.1 Негізгі қолдану салалары

Төмендегі кестеде Smart Biology аясында жасанды интеллекттің негізгі қолдану бағыттары көрсетілген:

Кесте 1 – Smart Biology салаларында жасанды интеллектті қолдану

4. Экология және биосфераны зерттеудегі Smart Biology

Экожүйелер – өте күрделі тірі жүйелер. Smart Biology экология саласында:

• климаттық өзгерістерді болжау;

• биологиялық әртүрлілікті сақтау;

• экологиялық апаттардың алдын алу
  үшін қолданылады.

ЖИ:

• спутниктік суреттерді талдайды;

• жануарлардың миграциясын бақылайды;

• экожүйедегі теңгерім бұзылуын ерте анықтайды.

Бұл тұрақты даму мақсаттарына жетудің тиімді жолы болып табылады.

5. Ауыл шаруашылығы және биотехнологиядағы Smart Biology

Smart Biology ақылды ауыл шаруашылығының негізін құрайды.

Жасанды интеллект:

• топырақ сапасын талдайды;

• өсімдік ауруларын анықтайды;

• өнімділікті болжайды;

• ресурстарды үнемді пайдалануға мүмкіндік береді.

Нәтижесінде:

• экологиялық таза өнім өндіріледі;

• экономикалық тиімділік артады;

• азық-түлік қауіпсіздігі қамтамасыз етіледі.

6. Smart Biology білім беру жүйесінде

Биологияны оқытуда Smart Biology:

• виртуалды зертханалар;

• цифрлық симуляциялар;

• деректермен жұмыс жасау дағдыларын
  қалыптастырады.

Бұл студенттердің:

• сыни ойлауын;

• зерттеушілік қабілетін;

• пәнаралық білімін
  дамытады.

Жасанды интеллект білім алушыны жеке траекториямен оқытуға мүмкіндік береді.

7. Smart Biology және жаңа формация маманы

Жасанды интеллект дәуіріндегі биолог – бұл:

• биологияны терең меңгерген;

• бағдарламалау мен деректерді талдай алатын;

• инновациялық ойлайтын;

• пәнаралық байланыстарды түсінетін маман.

Smart Biology болашақ маманның кәсіби бейнесін түбегейлі өзгертуде.

8. Smart Biology дамуының этикалық және әлеуметтік аспектілері

Жасанды интеллектті биологияда қолдану:

• деректер қауіпсіздігі;

• биоэтика;

• адам құқығы
  мәселелерін де көтереді.

Сондықтан Smart Biology дамуымен қатар этикалық нормалар мен заңнамалық негіздер де жетілдірілуі қажет.

Қорытынды

Smart Biology – биология ғылымының жаңа сапалық кезеңі. Жасанды интеллект биологиялық зерттеулердің дәлдігін арттырып, ғылым мен қоғам дамуына орасан үлес қосуда.
Бұл бағыт адамзаттың денсаулығын жақсартуға, табиғатты сақтауға және тұрақты дамуға қызмет етеді.

Smart Biology – болашақтың ғылымы ғана емес, бүгінгі күннің шындығы. Оны меңгеру – жаңа формация маманын қалыптастырудың маңызды шарты.

Пайдаланылған әдебиеттер (15)

1. Russell S., Norvig P. Artificial Intelligence: A Modern Approach. – Pearson, 2021.

2. Bishop C. Pattern Recognition and Machine Learning. – Springer, 2020.

3. Goodfellow I., Bengio Y., Courville A. Deep Learning. – MIT Press, 2019.

4. Mitchell T. Machine Learning. – McGraw-Hill, 2017.

5. Hood L., Flores M. A Personal View on Systems Medicine. – Nature, 2018.

6. Zhang Q. et al. Artificial Intelligence in Biology. – Bioinformatics Journal, 2020.

7. Nature Reviews Genetics. AI in Genomics. – 2021.

8. Kelleher J. Data Science in Biology. – Oxford University Press, 2019.

9. Libbrecht M., Noble W. Machine Learning Applications in Genetics. – Nature, 2017.

10. Topol E. Deep Medicine. – Basic Books, 2019.

11. UNESCO. AI and Education. – Paris, 2021.

12. FAO. Artificial Intelligence in Agriculture. – Rome, 2020.

13. Silver D. et al. Artificial Intelligence and Protein Structure. – Science, 2021.

14. OECD. AI and the Future of Science. – 2022.

15. Қазақстан Республикасы БҒМ. Цифрлық білім беру тұжырымдамасы. – Астана, 2023.