«Живой тест воды»: учёный РУДН создаёт новую систему экомониторинга с помощью ИИ и рыбок Danio rerio

Проблема современной экологии заключается в том, что стандартные методы могут обнаружить в воде следы антибиотиков, гормонов или пестицидов, но не показывают, как эти вещества влияют на флору и фауну. Решение, над которым работает Всеволод Вячеславович, использует живой организм как чувствительный биосенсор.

«Говоря простыми словами, проект создаёт систему «живого теста воды»: мы берём воду из водоёма, воздействуем ею на модельный организм и оцениваем не только химический состав, но и биологический отклик — поведение, стресс, молекулярные изменения», — Всеволод Павшинцев. 

Как это работает

В ходе исследования учёные наблюдают за поведением рыбок Danio rerio (данио-рерио) с помощью систем видеотрекинга. Искусственный интеллект фиксирует малейшие изменения: снижение активности, нехарактерные траектории движения, рост тревожности.

«Новизна в том, что методика объединяет сразу несколько уровней: поведенческий видеотрекинг на основе ИИ, биохимические маркеры (например, оксидативный стресс), экспрессию генов, ассоциированных с токсическими процессами в организме, и, перспективно, — микробиом кишечника», — Всеволод Павшинцев.

Все данные объединяются в цифровой «профиль реакции», который не просто констатирует загрязнение, но и определяет его характер — токсический, гормональный или нейротоксический. Так, при воздействии гормоноподобных веществ рыба может двигаться меньше, чаще «замирать» и избегать освещённых зон.

«Рыбок Danio rerio мы используем, потому что сегодня они — одни из самых популярных модельных организмов в биологии, сопоставимые по значимости с мышами и крысами. Их преимущества — в высокой чувствительности к поллютантам (загрязнителям), быстром цикле развития, наличии стандартизированных поведенческих тестов и большой научной базе исследований. В перспективе можно создавать цифровые модели поведения, но полностью заменить животных пока невозможно: ведь загрязнители действуют через гормоны, нервную систему, метаболизм», — Всеволод Павшинцев.

От лаборатории к практике

Проект уже переходит из сугубо научной плоскости в прикладную — формируется база данных реакций рыбок, а также их поведенческие и молекулярные профили. Учёный видит будущее исследования в создании сервисных лабораторий или готовых тест-комплектов, а в перспективе — во внедрении методики в государственные стандарты экологического мониторинга.

«Наиболее вероятный первый практический заказчик — рыбные хозяйства, потому что им важно быстро понимать, пригодна ли вода для выращивания рыбы ещё до масштабного запуска производства», — Всеволод Павшинцев.

Потенциальными пользователями разработки также могут стать Росприроднадзор, санитарно-эпидемиологические службы и промышленные предприятия, нуждающиеся в контроле сточных вод. Ключевое преимущество — адресный подход к решению проблем.

«Если метод показывает, какой тип воздействия на обитателей водоёмов происходит, это меняет подход к восстановлению: можно подбирать меры очистки более адресно, а не вслепую. Например, токсическое повреждение — требуется удаление химических токсикантов, гормональные эффекты — нужны технологии очистки от эндокринных соединений», — Всеволод Павшинцев.

Грантовая поддержка РУДН позволила команде закупить реагенты для биохимии и молекулярной биологии, провести RT-qPCR (полимеразную цепную реакцию в реальном времени) и синтез праймеров. Также средства были направлены на содержание лабораторных рыб, оплату публикаций в научных журналах и апробацию результатов на международных конференциях. Так, Всеволод Вячеславович представил проект на престижной конференции FEBS (Федерации европейских биохимических обществ).

«Главная цель — сделать биоиндикацию на Danio rerio практическим инструментом экологического контроля, а не только академическим подходом. И в целом популяризировать этих рыбок как ценный научный инструмент, дополняющий и углубляющий научные подходы в абсолютно разных областях», — Всеволод Павшинцев.