Bilim adamları verilerini sese çevirerek neler öğrenebilir?

Biyokimyacı Martin Gruebele, Illinois Üniversitesi’ndeki laboratuvarında düzenli olarak bir çift kulaklık takıyor. Ancak müzik yerine, sanki bir grup robot yüksek sesle tartışıyormuş gibi, şıngırdayan, sarsıcı seslerden oluşan bir kakofoni dinliyor.

Bu acının karşılığı? Bu sesler, Gruebele’nin vücudumuzdaki proteinlerin suyla nasıl etkileşime girdiğini anlamasına yardımcı olur.

Protein molekülleri, vücudumuzdaki hayati hücresel işlevleri yerine getirmek için şekil değiştiren transformatörler gibi katlanırlar. İşler ters gittiğinde, yanlış katlanmış proteinler beyinde plaklar oluşturabilir; bu, Alzheimer gibi nörodejeneratif hastalıkların nedeni olduğu düşünülen bir süreçtir.

Gruebele, öncelikle hücrelerimizin içindeki suda meydana gelen protein katlanmasını anlamak için bilgisayar simülasyonları tasarladı. Ancak bir protein ile trilyonlarca su molekülü arasındaki etkileşimler, Simülasyonlarında onları göremeyecek kadar karmaşık ve çok hızlı gerçekleşiyor.

Bu yüzden onun yerine onları dinliyor.

Gruebele, “Bu sesi, bir resim yerine bir grafiği düşündüğünüz gibi düşünmelisiniz,” dedi.

Protein katlandıkça oluşan sayısız bağın her birine belirli bir ses eklemek için Kyma adlı bir yazılım programı kullanıyor. Çalındığında ses, hangi belirli etkileşimlerin baskın olduğunu vurgulayarak kaosa düzen getirir.

Parça çalınırken, “Gözlerimi kapatıp size ‘Aha, proteinden suya yeni oluşan bir hidrojen bağı var’ diyebilirim” dedi. “Bunu bir kez duyduğumda, aslında simülasyona geri dönebilir ve o belirli su molekülünü yakınlaştırabilir ve hangisinin olduğunu ve bağı nerede yaptığını anlayabilirim.”

Gruebele, bilimsel olguları iletmek için sesi kullanan, büyüyen bir araştırmacı topluluğunun bir parçasıdır. Veri görselleştirmenin işitsel eşdeğeridir ve taraftarları buna “veri sonifikasyonu” adını verir.

Konsept tamamen yeni değil. Verileri temsil etmek için ses kullanmanın en eski örneklerinden biri Geiger sayacıdır. Bu alet, 1928’de belirli bir yerdeki radyoaktivite miktarını klik sesleriyle belirtmek için tasarlandı. Tıklamaların hızı ne kadar hızlıysa ortam o kadar tehlikelidir. Kelimenin tam anlamıyla sizi öldürmeye çalışan bir yerde tehlikeye işaret etmenin saçma bir yolu değil.

Geiger sayacı mekanik bir cihazdı. Ancak bugün, dijital sesle, herhangi bir veri parçası sese dönüştürülebilir.

Kyma, Illinois merkezli bir besteci ve ses mühendisi olan Carla Scaletti tarafından geliştirildi. Orijinal amacı tamamen Hollywood’du – üç Star Wars filminde ve animasyon filmi “Wall-E” de kullanıldı. Kullanıcı arabirimi, tek tek seslerin bir elektrik devresindeki bileşenler gibi birbirine bağlanmasına izin verir. Sonuç, sonsuz ses kombinasyonları, hatta insan biyolojisinin bir soundtrack’ini üretebilen çok yönlü bir araçtır.

Scaletti, sonifikasyonun yalnızca veriler tarafından yönlendirilmesi gerektiğine inanıyor.

“Dinleyebilmeli ve duyduklarınızı analiz edebilmelisiniz ve sadece arkanıza yaslanıp duygusal olarak sizi yıkamasına izin vermemelisiniz” dedi.

Ancak okyanus kimyageri ve saksafoncu Noah Germolus gibi diğerleri için bilimin sesleri müziğin sesine daha yakındır.

Okyanus kimyası üzerine çalışan bir doktora öğrencisi olan Germolus, Atlantik ve Karayipler’den su örnekleri topluyor ve bunları Mass, Falmouth’daki Woods Hole Oşinografi Enstitüsündeki laboratuvarına geri getiriyor. Orada, örnekleri bir dizi kimyasal analiz aracından geçiriyor. karbon, nitrojen ve fosfor da dahil olmak üzere deniz yaşamı için gerekli olan besinlerin bolluğunu ölçer.

Veriler bilgisayarına kaydedilir, ardından bir müzik kadrosunda yeniden yayınlanır.

“Yoğunluğu alıyorum [of chemicals] ve bunu bir asa üzerindeki notlara çevir,” dedi Germolus. Düşük kimyasal konsantrasyonlarına karşılık gelen veriler daha düşük notlardır ve yüksek konsantrasyonlar daha yüksek notlardır.

Ortaya çıkan puan, denizaltı ortamlarının çeşitliliğini yansıtıyor. Besinlerin zenginliğine ve çektikleri deniz yaşamına bağlı olarak çöller ve vahalar vardır.

Tüm bunlar Germolus’un müziğine yansır. En sevdiği film müziği çorak derin okyanusa ait.

“Bence biraz melankolik geliyor,” dedi. “İletmesi gereken ifade şu: Etrafta yüzen bir mikropsun, suyun kendisi fazla hareket etmiyor, sen fazla hareket etmiyorsun, metabolizman yavaş.”

Germolus, yaşamın imza bileşeni olan çözünmüş organik karbon miktarını kaydetmişti. Yüzeyin bir milden daha fazla altında olmayacağını biliyordu, bu yüzden ıssız ton sürpriz değildi.

Ama sürprizler hoş karşılanır. Germolus, okyanus yüzeyinden gelen verileri dinlediğini ve bir grup alçak nota arasında yüksek bir G duyduğunu ve “Bu da ne?” Burada neler oluyor?”

Ani geçiş, aromatik bileşiklerin bir belirteci olabilir dedi. “Bu tür şeyler, özellikle hem kirleticilerle hem de organik bileşiklerle ilgili olduğu için ilginç ve önemlidir.”

Germolus, okyanus besinlerinden bir tür caz yaratırken, Jon Bellona okyanusların nefesini dinlememize yardımcı olmak için veri sonifikasyonunu kullanıyor.

2017’de toplanan okyanus verileriyle çalışan Bellona, ​​suyun içindeki ve dışındaki karbondioksit hareketini izlemek için bir yazılım kullanıyor. Soğuk kış suları atmosferdeki karbondioksiti emdiğinde, hafif gürleyen sesler duyar. Yazın daha sıcak okyanuslar gazı soluduğunda, kıyıya çarpan dalgaları andıran çıtır çıtır bir ses duyar.

Oregon Üniversitesi’nden bir ses sanatçısı olan Bellona, ​​”Sonifikasyon, araştırmacıların günlük işlerini yapmasına yardımcı olabilir” dedi. “Göremediğimiz yeni kalıpları keşfetmek ve aynı zamanda kapsayıcı olmak” için iyidir.

Woods Hole Oşinografi Enstitüsü’nde bir oşinograf olan Amy Bower, Bellona’nın okyanus yolu tarafından uçurulduğunu söyledi.

Bower yasal olarak kördür. Lisansüstü okuldayken, kendisine teşhis konuldu. retinitis pigmentoza, görmenin zamanla yavaş yavaş bozulmasına neden olan bir durumdur.

Bower, “Yıllardır grafik ve verilere erişim söz konusu olduğunda elimde nelerin olduğunu araştırıyorum” dedi. Ancak çok fazla başarı olmadan – bilimin büyük ölçüde çizimlere ve çizelgelere dayanması, onun gibi görme engelli araştırmacılar için büyük bir engeldir.

Veri sonifikasyonu bunu değiştirir. Bellona’nın sesini dinleyerek, “Eskiden bir grafiğe baktığım zamanki gibi parçaları bir araya getirebilirim” dedi.

NASA’nın Chandra X-ray Gözlemevi’nde veri görselleştirme uzmanı olan Kimberly Arcand, sonifikasyonu verileri bir biçimden diğerine çevirmenin başka bir yolu olarak görüyor. Bu, gökbilimcilerin, gözlerimizin algılayabildiği dar dalga boyu bandının dışındaki ışık anlayışını geliştirmek için zaten her zaman yaptıkları bir şey.

Arcand, “İnsan gözünün görebildiği şey, evrende var olanın yalnızca küçücük, küçücük bir şerididir” dedi. “Orta C’ye benziyor ve bir piyano klavyesinin her iki yanında birkaç tuş var.”

Yakın zamanda James Webb Uzay Teleskobu tarafından yayınlanan kızılötesi görüntüler de dahil olmak üzere birçok uzay resmi, insanların algılayabileceği görünür ışığa çevrildi, “o halde neden aynısını sesle yapmıyoruz?”

Bir kere, astronomiyi göremeyenler için erişilebilir kılıyor.

Hubble (görünür ışığı yakalayan), Spitzer (kızılötesi ışığın daha uzun dalga boylarını gören) ve Chandra (daha kısa dalga boylu X-ışınlarını yakalayan) uzay teleskoplarından alınan verilerle oluşturulan Samanyolu galaksisinin merkezinin bir görüntüsünü düşünün. Arcand, farklı ışık dalga boylarına, kullanıcıların bir imleç soldan sağa tararken duyabilecekleri farklı sesler atar.

Yıldızların serpilmesi, rüzgar çanlarının çınlaması ile aktarılırken, yaygın yıldızlararası gaz ve toz, sürekli telli notalar çıkarır. Yüksek enerjili X-ışını emisyonlarına sahip yerler, derin piyano notaları verir. Tüm senfoni, galaksinin tam merkezinde, süper kütleli bir kara deliğin son derece yoğun kozmik madde ile örtüldüğü bir kreşendoda birleşiyor.

Görme engelli kişiler, Arcand’ın işitsel çevirisini “ürkütücü”, “korkutucu”, “sevimli”, “muhteşem” ve “hayranlık uyandıran” gibi kelimeler kullanarak tanımladılar. Ama onu en çok memnun eden şey, gören izleyicileri “evreni şu anda gördükleri gibi göremeyen insanlar var” konusunda bilinçlendirmekti.

Bower, seslerle özgürleşme konusunda iki düşünce okulu olduğunu söyledi.

Okyanusbilimci, “Amaç sadece halkı bilim konusunda heyecanlandırmaksa, o zaman ben de bilimi bir sanat haline getirmekten yanayım,” dedi. “Ama bilim içinse, verilere sadık kalmalısın.”

Western Sydney Üniversitesi’nde moleküler biyolog olan Mark Temple, verileri her iki hedefi de göz önünde bulundurarak sonlaştırıyor.

“Bilimsel bir motivasyonum var ve bir çeşit müzikal motivasyonum var. Onları bağımsız tutuyorum, ”dedi Avustralyalı indie pop grubu Hummingbirds için davulcu olan Temple.

Bugün “DNA DJ’i” olarak tanımlanabilir. DNA molekülünün dört bazının – A, C, G ve T – her birine ayrı bir not atar.

Temple, uzun bir genetik kod dizisini dinleyerek, “tekrarlayan DNA dizilerini daha karmaşık DNA dizilerinden kolayca ayırt edebilirsiniz” dedi.

Örneğin, Huntington hastalığı olan kişilerde, belirli bir genin üç harfli bir bölümü vardır ve bu, hastalığı olmayan kişilere göre önemli ölçüde daha sık tekrar eder. Temple’ın bu genin seslendirmesinde, Huntington’ın belirgin işareti bozuk bir plak gibi geliyor.

Temple’ın DNA diskografisi müzikal tarzda gelişti. Yeni izleri, bir genin başlangıcını ve sonunu işaret eden benzersiz sesler, DNA’nın aktif kısımları için ek notalar ve aradaki aktif olmayan diziler için arka plan armonileri gibi daha fazla varyasyon getiriyor. 4.000 kimyasal harf içeren koronavirüs başak proteini genine dayanan yeni bir bileşimin geçmesi yaklaşık dört dakika sürüyor.

Temple ayrıca, herkesin 23andMe veya Ancestry.com gibi bir şirket tarafından sıralanan kendi DNA’sını takıp oynatmasına izin veren bir web uygulaması da yarattı.

“Genetik bir hastalığınız varsa ve denemek ve anlamak istediğiniz bir şey varsa, bence sağlıklı bir birey ile hasta bir birey arasındaki farkı oynamak – böylece farklılıklar öne çıksın – insanlar için ilginç olur.”

Seslendirme söz konusu olduğunda, her içerik oluşturucunun farklı hedefleri, kullanımları ve hedef kitleleri vardır. Ayrıca, Scaletti’nin ses tasarım yazılımından ve Temple’ın DNA kodlama algoritmalarından Germolus’un müzik notalarına kadar kendi ses çıkarma yöntemlerine sahipler.

Ancak hepsi, tek bir aracın hepsini başaramayacağı konusunda hemfikirdir.

“Bir şeyler yaratmak istiyorsanız, bunu yapacak araçlara sahip olmanız gerekir. Ve kullanımlarının kolay ve sezgisel olması gerekiyor,” dedi Gruebele. (Bu, herkesin kullanabileceği çok sayıda yazılımın bulunduğu bir alan olan görsel grafikler için de geçerlidir.)

Bower ve Bellona, ​​Erişilebilir Okyanuslar adlı yakında çıkacak bir projenin odak noktası olacak evrensel sonifikasyon yöntemleri geliştirmek için çalışıyorlar.

Verileri sunmak ve analiz etmek için ses kullanmanın değerini daha fazla araştırmacının anlamasını umuyorlar. Bellona, ​​içinde yaşadığımız dünyayı anlamlandırmaya çalışan bir disiplin için sonifikasyonun, bilim adamlarının bilgiyi iletmek için diğer duyuları nasıl kullanabilecekleri konusunda “gerçekten heyecan verici” bir değişimi temsil ettiğini söyledi.

Scaletti, sesin birçok anlamı aktarma gücüne sahip olduğu konusunda hemfikirdi.

“İnsanlar bunu dilden dolayı biliyorlar,” dedi, “ama diğer her şeyin müzik olduğunu düşünüyorlar.” Bu yüzden bilim için insan ses ortamında yeni bir niş oluşturuyor.