«Настало время цифровой химии»

Что такое молекулярное кино и зачем нужно его снимать? Нужен ли химикам искусственный интеллект и можно ли обойтись без него? Как приручить энергию света и какие можно найти ее практические применения? Об этом рассказывает академик Валентин Павлович Анаников, специалист в области катализа и органической химии, доктор химических наук, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН.

— У вас в лаборатории, как и раньше, очень много молодежи, и все заняты какой-то важной работой. Что они делают?

— Мы занимаемся исследованием каталитических явлений. Начали с обычных каталитических систем и в течение десяти лет исследований развили теорию динамического катализа, которая сейчас стала одним из самых интересных направлений в изучении каталитических реакций. Теперь у нас много разных проектов. Мы ведем спектр исследований: органический синтез, катализ, машинное обучение, разработку собственных алгоритмов ИИ для применения в химии…

— Почему ребята работают в специальных масках, похожих на забрала?

— Молодежь полностью экипирована для работы в лаборатории: ребята как настоящие химики — в защитных халатах, очках и, как вы правильно заметили, в специальных масках. Это необходимые меры предосторожности. Прямо сейчас в соседней с нами комнате идет исследование фотокаталитических систем. Человек давно пытается использовать энергию света для реализации химических процессов. В последние несколько лет эта область обрела второе дыхание, и связано это с тем, что химики научились использовать энергию света видимого диапазона. Химические реакции, для которых раньше требовались жесткие условия (высокие температуры 100–120–180 градусов Цельсия в течение продолжительного времени ― 8–16–24 ч.), под действием энергии света можно проводить при температурах, близких к комнатным. И нередко даже сокращать время реакции. Это огромный шаг вперед с точки зрения химической методологии. Это уменьшение энергетической затратности и упрощение методологии органического синтеза. Фотокаталитические превращения, так называемый фоторедокс-катализ, сейчас активно исследуются во многих лабораториях в мире.

Мы не можем оставаться в стороне от такого активного направления. В нашем институте несколько групп занимаются фотокаталитическими процессами. Конечно, за этим явлением большое будущее. В какой-то степени это аналог природоподобных технологий, потому что природа показывает нам, что энергию Солнца можно использовать очень эффективно. У человека на вооружении пока нет процесса, который мог бы сравниться по эффективности, масштабности и точности с фотосинтезом.

— Это еще и бесплатно.

— Энергия Солнца доступна всем. Но я думаю, что человечество приближается к этому процессу. Изначальным драйвером был экологический фактор ― процессы должны стать менее энергозатратными, меньше потреблять электричества и меньше загрязнять окружающую среду. Но сейчас, помимо экологического фактора, открылась новая возможность: фотокаталитически можно проводить реакции, которые в обычных условиях просто не идут. Человек движется к тому, чтобы энергия Солнца эффективно вошла в практику химической промышленности.

— Академик Н.С. Кардашев в свое время разработал концепцию космических цивилизаций по типу их энергопотребления, и самая нижняя ступень ― это были мы, кто еще даже не научился использовать энергию своего светила. Научившись этому, мы как бы поднимаемся на новый цивилизационный уровень. Какие у вас имеются новые разработки по этой части?

— Что касается проекта «Фоторедокс-каталитические системы», мы сделали своего рода универсальный катализатор ― это универсальная каталитическая система для реакции кросс-сочетания. Химики любят такие реакции. Суть в том, что два молекулярных фрагмента могут быть соединены между собой. Вообще, это основа любого сложного органического синтеза. Органическую молекулу можно разделить на субъединицы ― две, три, четыре, иногда десять субъединиц. Из них в результате полного синтеза собирается та структура, которая нам нужна. Представьте: десять стадий, вы присоединяете один остаток ко второму, потом к третьему, четвертому. Формируете структуру биологически активного соединения ― лекарственного препарата, например. Очень часто это сложные органические молекулы, например те, которые служат компонентами молекулярной электроники. В энергетике востребованы сложные органические молекулы, и для их синтеза требуются многостадийные процедуры. И на каждую из этих стадий вам нужен свой особенный катализатор. На отработку, оптимизацию катализатора нужно затратить определенное время, чтобы он работал с хорошими выходами. Обычно эта процедура может занимать до года. Если у вас десять стадий и каждую вы будете оптимизировать примерно год, синтетическая процедура очень сильно затягивается.

Исследователи давно хотят создать универсальные каталитические системы, чтобы их можно было применять на разных стадиях. И такой проект нам удалось реализовать. Универсальная каталитическая система была сделана ― это совместный проект нашего института и Регенсбургского университета в Германии. Мы сделали фото-редокс-каталитическую систему на основе динамических каталитических центров, которая позволяет реализовать примерно полтора десятка различных реакций. Это универсальный настраиваемый катализатор, который можно использовать примерно для 15 различных превращений. Эта работа была высоко оценена экспертами, по этому поводу вышла статья в Nature, она имела большой общественный резонанс. И мы думаем, что это направление нужно продолжать, развивать, потому что универсальные каталитические системы сейчас востребованы в наибольшей степени.

— Сейчас в вашем институте проходит конференция, где вы прочитали лекцию, посвященную искусственному интеллекту и его применению в химии. О чем речь? 

— Да, у нас проходит профильная конференция по органической химии. Она собрала экспертов и ученых со всей страны и из некоторых зарубежных стран. Обсуждаются тенденции в развитии органической химии. Напомню, что органическая химия имеет ключевое значение для целого ряда отраслей: это создание новых материалов, получение мономеров, лекарств, фармацевтических субстанций, красителей, большого количества агрохимических препаратов. Органические соединения задействованы человечеством в полном спектре. И постоянно дискутируется вопрос: как быстрее и дешевле получать молекулы, как расширить пространство химических соединений? В современном исследовательском обороте у химиков примерно 100 млн молекул. Это очень большое количество, химическое разнообразие весьма велико.

— И наверняка их становится еще больше?

— Да. Примерно 10–15 тыс. молекул ежедневно синтезируется по всем лабораториям в мире. Объем этих данных становится очень большим, оперировать им становится все труднее. Активными помощниками здесь становятся программы, основанные на машинном обучении, алгоритмы ИИ, которые входят в химическую практику. В течение последних нескольких лет целая серия приложений ИИ была разработана в помощь химикам. Недавно мы рассказали о ключевых направлениях применения ИИ в химии.

В нашем институте ведется специальный проект «Цифровая химия». Есть такое направление исследований, которое говорит о том, что химическая наука претерпит в ближайшем будущем большие изменения. Обычная химия, которую мы все знаем из школьных учебников, ― сложная, немного эмпирическая. Даже профессиональные химики говорят, что для успешной работы в химии нужна интуиция, какое-то чутье. Если задуматься —  зачем нужна интуиция в точных или естественных науках, в такой области, как химия? На самом деле, в химическом исследовании невысокий процент обработки данных. Вручную химик-исследователь может обработать примерно 10–15% тех данных, которые он получает. Вокруг нас в лаборатории стоят приборы, например масс-спектрометр, который за сутки накапливает данные, для ручной обработки которых нужно три-четыре года.

Четыре года ― это целая аспирантура! Аспирант за это время должен их интерпретировать. Конечно, ручная обработка очень затруднена. Человек обрабатывает только ту часть данных, которую он физически может охватить. В современной химии 90% данных остаются необработанными, ждут своего часа. Конечно, нам нужны интуиция и чутье, если мы не можем освоить столько данных, чтобы догадаться, додумать, домыслить, как же создать полную химическую картину процесса, которым мы занимаемся. Алгоритмы ИИ после того, как они запрограммированы, обучены и протестированы, выполняют эту работу гораздо быстрее.

— В разговор включился ваш масс-спектрометр. Видимо, долго молчать он не может? 

— Да, наука не ждет, химические реакции надо изучать по графику. Перед нами автоматический масс-спектрометр, который проводит исследования серии образцов. Здесь есть робот, который подает образцы, и аналитическая система, которая их анализирует. Химику будет легче узнать, что происходит в реакции, которую он исследует. Этот прибор дает относительно небольшое количество данных, их можно интерпретировать вручную, но аналогичные масс-спектрометры, рассчитанные на работу с непрерывными системами, генерируют терабайты данных в год. Это очень большое количество, которое вручную обработать невозможно. Как показали наши исследования, обученная нейронная сеть может этот объем данных обработать за несколько часов.

— Чем он сейчас занят?

— Прямо сейчас масс-спектрометр отбирает новую пробу и помещает ее в прибор, который анализирует состав этой пробы, что произошло, имела ли место реакция и какие продукты при этом получились.

— Насколько меньше, чем людям, ему требуется времени на это?

— Это уже обученная нейронная сеть, которая проверена, протестирована при использовании, и она в десятки тысяч раз сокращает время на исследования. Вместо трех-четырех лет на одну химическую реакцию обычно тратится меньше двух часов. Скорость ― это первое преимущество, которое дает интеграция алгоритмов ИИ в химическом исследовании, где нужна обработка большого объема данных. В гетерогенном катализе ― это анализ наночастиц, анализ данных, полученных с помощью электронной микроскопии. Обычно накапливается большое количество изображений с электронного микроскопа. В нашей лаборатории десятки и сотни тысяч этих изображений. А ручная их обработка тяжела. В гомогенном катализе это масс-спектрометрия и анализ масс-спектрометрических данных. Большое количество данных по биологической активности, по построению корреляции между структурой и активностью. Здесь алгоритмы ИИ активно задействованы и очень востребованы у современного химика.

— Означает ли это, что современному химику больше не нужна интуиция?

— Современному химику все еще нужна интуиция. И химики-«синтетики» этот опыт и навык нарабатывают. Если задуматься, почему алгоритмы ИИ не могут в полной мере заменить современного химика-исследователя? Ключевой фактор здесь ― отсутствие отрицательных результатов. Исследователи публикуют только положительные результаты своих экспериментов. И это очень небольшая часть от общего количества опытов. Для алгоритмов ИИ, чтобы нейронная сеть правильно интегрировала граничные условия, очень важны результаты отрицательных экспериментов, которые нигде не публикуются. За свою подготовку (с аспирантурой в четыре года) химик узнает много вещей, реакций и методик, которые не работают для какого-то процесса. И это знание ложится в его общее рационально-интуитивное восприятие. Чтобы у машин развивать интуицию, по крайней мере химическую, не хватает отрицательных данных. Человек знает не только то, что работает. Человек хорошо знает то, что в данном случае не работает.

— Наверняка многие коллеги боятся, что ИИ будет становиться все совершеннее, и постепенно люди станут вообще не нужны. Как вы думаете, это возможно?

— Заменит ли ИИ химика, и если да, то когда ИИ заменит химика, вообще ученого, исследователя? Эта тема активно дискутируется, это один из самых горячих вопросов. Я считаю, что здесь присутствует некое преувеличение. Прямо сейчас нет предпосылок, что ИИ в ближайшее время способен вытеснить химика. В отсутствие отрицательных результатов невозможно полностью обучить нейронную сеть, хотя, наверное, это будет вскоре восполнено.

Второй важный фактор ― у химика очень тренированные руки. Это человек, который делает множество экспериментов. Он может делать перекристаллизацию, перегонку, выделение веществ, работать в различных химических реакторах, колбах, пробирках, он приобретает навык за много лет. Нет пока таких роботизированных комплексов, которые за разумные средства могли бы выполнять эту работу.

― Но ведь роботехника тоже развивается…

― Да, наверное, в ближайшем будущем мы увидим более совершенные экземпляры, но в настоящее время сочетание интеллектуальных способностей человека и его мелкой моторики, выполнения сложной работы руками незаменимо. И вообще, как мне кажется, дискуссия о замене ученого на ИИ немного уводит нас не в ту сторону. На данном этапе нужно думать не о замене человека на программу, а о том, как правильно интегрировать программу в ежедневный труд ученого. Ключ успеха лежит именно в этом. Та часть, которая работает как инструментальная поддержка научных исследований, уже сейчас очень эффективна. Ее нужно внедрить с практической, законодательной и этической точек зрения, потому что появление ИИ ставит целую серию ортогональных вопросов ― от эффективности до этики.

— Вы даже провели исследование на эту тему, проанализировав такую возможность на ближайшие десять лет. Получилось, что на этот период времени опасности нет. Но все же, если заглядывать дальше, опасность в принципе существует?

— Если мы оперируем термином «опасность», то так может ощущать человек, который боится потерять свое рабочее место.

— И вообще стать ненужным в мире, где уже есть более совершенные, выносливые, умные машины.

— Знаете, я впервые появился в лаборатории в 1991 г., когда был школьником. Нас готовили к олимпиадам, мы смотрели, как работают химики. И в это время появились первые компьютеры. Были сторонники и противники внедрения компьютерной техники в химических исследованиях. Тогда статьи и диссертации делались на печатных машинках, а химические формулы рисовали от руки. Была часть исследователей, которые считали, что компьютеры внедрять не надо, формулы надо по-прежнему рисовать от руки, потому что это помогает думать.

— Они думали, что компьютер снижает интеллектуальный накал?

— В науке всегда есть доля здорового консерватизма. Инструмент должен быть всячески опробован и протестирован, прежде чем в него можно поверить. Можно сказать, что если компьютер будет все время проверять правописание, то зачем нам учить правильное написание слов? Конечно, часть работы переносится в цифровую сферу и человек теряет навык.

Так вот, были как противники, так и сторонники компьютерной техники. Были и те, кто говорил, что скоро компьютер заменит химика, человек будет больше не нужен. С 1991 по 2024 г. прошло много времени, и компьютер химика не заменил. И нет предпосылок, что в ближайшее время заменит. Но те люди, которые быстро поняли, что компьютер ― это очень хороший инструмент, очень быстро обогнали в научной производительности тех научных сотрудников, которые отторгали использование компьютера. Они быстрее печатали статьи, не тратили время на рутинные операции, могли делать только то, где действительно нужен человек, а компьютер взял на себя часть другой работы.

― Вы думаете, что эта история будет повторяться и с ИИ?

― Именно так. Те научные сотрудники и исследователи, которые поймут, как пользоваться этим инструментом, обгонят тех, кто либо не уделит этому должного внимания, либо по каким-то причинам будет сопротивляться внедрению этой новой технологии. Надо учиться не замещать человека, а избавиться от страха, что ИИ вытеснит нас с рабочих мест. Нужно научиться сосуществовать и использовать эти инструменты, о чем мы недавно подробно писали. Место за человеком всегда останется в творчестве, в открытиях.

— Это важный момент. Когда вы рассказывали, что ИИ не может так быстро ходить, так ловко переливать из пробирки в пробирку ― да, но это техническая функция. А вот главная интеллектуальная, творческая функция создания каких-то новых разработок принадлежит все же человеку. Как вы думаете, не может ли случиться, что ИИ возьмет на себя эту роль, а человек будет только пробирки мыть?

— Лично я не боюсь «пришествия» ИИ и думаю, что здесь важна грамотная интеграция между человеком и цифровыми технологиями. Место человеку в науке всегда останется. Я верю, что все ключевые моменты все равно будут выполняться человеком.

— Почему?

— В настоящее время в нашей области науки ― химии ― мы не видим таких программ, которые могли бы самостоятельно и творчески планировать и выполнять исследования. Не видим программ, которые могли бы решать креативные цели, такие «челленджи», которые стоят в науке. Это пока программы и помощники.

— Тем не менее вы говорите, что ИИ ― это первый и пока единственный наш конкурент за всю историю человечества.

— ИИ ― это достойный соперник для человека, потому что человек не имел биологических соперников на планете. Человек ― доминирующий вид. Сейчас имеет место первое столкновение с достойным соперником. Можно вспомнить бытовые примеры: игру в шахматы, в го… До недавнего времени человек обыгрывал машину, но сейчас это уже неоднозначно. Есть сферы, где пришествие ИИ изменило мир. Например, перевод с языка на язык, качество перевода все время растет, усиливается программная обработка текста. И самое яркое ― это появление чат-ботов, с которыми человек может просто поговорить. Это ChatGPT и подобные LLM-системы, с которыми многие наверняка общались. Есть GigaChat, хорошая российская разработка.

Ощущение экзистенциальной угрозы, что ИИ может что-то сделать, возникло после того, как люди столкнулись с LLM-системами и убедились, что они могут человекоподобно изъясняться, отвечать на некоторые вопросы и кое в чем копировать человека. Поэтому, безусловно, такой момент присутствует. Человек столкнулся со сложным соперником. Кто не верит, пусть попробует сыграть с ИИ в шахматы.

— Валентин Павлович, где вы берете молодежь?

— У нас большое количество блестящих студентов и аспирантов! Недавно завершился набор в аспирантуру. В нашем институте был конкурс, очень много желающих со всей страны. Несмотря на все сложности, есть гениальные ребята, блестяще знающие науку, с огромной внутренней мотивацией. У меня нет сомнений: всегда будут люди, которым нравится изучать мир, открывать тайны природы. Научные сотрудники и ученые будут во все времена.

Что касается студентов, мы активно участвуем в образовательных программах. В нашей лаборатории работают студенты из МГУ, из Российского химико-технологического университета, из ВХК ― высшего химического колледжа. Их образовательная линия очень важна. Из ВШЭ приходят очень хорошие студенты-химики. Мы не отказываем студентам никаких вузов, если они реально хотят заниматься наукой. Современные студенты очень любознательны, и они очень хорошо подготовлены к цифровым технологиям. Цифровая волна пришла вовремя, и программирование сейчас изучают прямо в школах. Они не боятся ИИ, они привыкли. Они готовы. Момент назрел с двух сторон ― с кадровой точки зрения и с точки зрения разработок.

— Какие у вас научные планы?

— Обширные! Мы ведем несколько научных направлений. Как химики мы мечтаем увидеть, как проходит химическая реакция. Конечно, химия очень развита, с начала ХХ в. происходит бум химии, построены химические заводы, но пока никто не видел своими глазами, как осуществляется сложная химическая реакция. Мы хотим визуализировать процесс, в котором могла бы получиться интересующая человечество органическая молекула.

— Вы имеете в виду на молекулярном уровне?

— Да. Мы мечтаем снять «молекулярное кино», как две молекулы будут подходить друг к другу, ориентироваться, образовывать комплекс и формировать продукт реакции. Мы можем сделать кино на уровне наночастиц, мы уже приблизились к этому. Мы визуализируем реакции на наноразмерном уровне. Эти работы открыли целую серию новых результатов: мы видим, как наночастицы движутся во время реакции, распадаются на мелкие объекты, как от них отделяются атомы и кластеры, которые становятся каталитически активными центрами. Мы видим обратные процессы: как происходит деградация катализатора, как все частицы сливаются в одну крупную, которая теряет свою активность. Но молекулярное кино по-прежнему остается нашей мечтой.

― Понятно, что это эффектно. Но почему это важно с научной точки зрения?

― На самом деле, мы хотим понять, как происходит химическая реакция. Узнать, какой жизнью живут молекулы, как рационализировать этот процесс. Как только мы увидим химические реакции, химия перестанет быть такой сложной и скучной (для непосвященных) наукой, как ее воспринимают многие школьники. В учебниках химия ― это абстракция. Это формулы, которые записаны в виде символов. А реальная картинка в жизни ― это объемные структуры, и выглядят они не так, как изображены в виде символов. Возможно, мы станем свидетелями этого переворота в химии в ближайшем десятилетии, когда сможем наблюдать за химическими процессами, которые изучаем.

В ближайших планах у нас развитие каталитических технологий. Мы создаем экологически безопасные катализаторы, которые не будут нагружать окружающую среду. Мы создаем универсальные катализаторы, которые будут проводить химические процессы для целой серии химических превращений. Мы будем продолжать работу с фоторедокс-каталитическими системами.

У нас есть отдельный проект, который связан с изучением молекулярной сложности. Молекулы становятся все более сложными, даже появился термин «молекулярная сложность», и можно численно оценить, насколько молекула сложная. Химик синтезирует уже не просто какую-то молекулярную структуру. Он синтезирует объект определенной молекулярной сложности. И эта нацеленность на сложные молекулы в ближайшее время будет доминировать в химической науке, потому что свойств материалов, которыми мы оперируем, уже недостаточно: нам нужны новые материалы, нам нужно выходить на объекты другого строения. Мы приглашаем всех работать в нашей лаборатории. Все, кто знают и любят химию, кто умеет программировать, станут участниками этих открытий.