Многие считают, что вот-вот и появится возможность перенести свое сознание в компьютер, получив вечную жизнь. Однако проект OpenWorm доказал, что эта мечта остается за горизонтом технологических возможностей. Проект длился 13 лет и не удалось оцифровать даже одного из простейших живых организмов – червя вида C. elegans.
Стивен Ларсон является соучредителем OpenWorm, программы с открытым исходным кодом, которая с 2011 года пытается воплотить компьютерную симуляцию микроскопической нематоды под названием Caenorhabditis elegans. Его цель — не что иное, как цифровой двойник этого червя, точный к молекуле. Если OpenWorm сможет справиться с этим, это будет первое виртуальное животное-и воплощение всех наших знаний не только о C. elegans, которое является одним из наиболее изученных животных в науке, но и о том, как мозг взаимодействует с окружающим миром для выработки поведения: «Святой грааль» системной биологии, как выразился OpenWorm.
К сожалению, им это не удалось. Моделирование на ноутбуке берет данные, взятые из экспериментов, проведенных с живыми червями, и переводит их в вычислительную платформу под названием c302, которая затем управляет моделируемой мускулатурой червя C. elegans в гидродинамической среде-в общем, имитация того, как червь ползет вперед в плоской тарелке слизи. Требуется около 10 часов вычислительного времени, чтобы сгенерировать пять секунд такого поведения.
Почему кто-то тратит 13 лет, пытаясь оцифровать микроскопического червя? В качестве ответа будет одно из самых известных высказываний физика Ричарда Фейнмана: то, что я не могу создать, я не понимаю.
На протяжении большей части своей истории биология была наукой, которая руководствуется принципом, согласно которому лучший способ понять потрясающую сложность живых существ — это расчленить их на составные части — органы, клетки, белки, молекулы.
Но жизнь-это не часовой механизм; это динамическая система, и неожиданные вещи возникают из-за взаимодействия всех этих маленьких частей. Чтобы по-настоящему понять жизнь, вы не можете просто разбить живое существо на части. Вы тоже должны быть в состоянии собрать все воедино.
Нематода C. elegans-крошечный червь с менее чем тысячей клеток в теле, длина которого едва достигает толщины волоса на вашей голове. Из этих тысяч клеток тела нематоды только 302 являются нейронами-это примерно минимум для органа, который можно назвать мозгом.
Но с его небольшим набором C. elegans делает много. В отличие от своих более неприятных собратьев, это не паразит, который закрывает свои потребности в выживании за счет более крупных организмов. «Он может размножаться, он может есть, он может добывать пищу, он может убегать», — сказала Нетта Коэн, специалист по вычислительной нейробиологии, которая руководит лабораторией червей в Университете Лидса.. «Он рождается и развивается, стареет и умирает — и все это с точностью до миллиметра».
Специалисты по червям, такие как Коэн, поспешат сообщить вам, что не менее четырех Нобелевских премий были присуждены за исследования C. elegans. Эта нематода была первым животным, чей геном был секвенирован (выделен) и чьи нейроны и связи между ними были зафиксированы в формате карты.
Но есть разница между схемами и руководством по эксплуатации. «Мы знаем проводку; мы не знаем динамику», — сказал Коэн. «Можно подумать, что это идеальная задача для решения физиком, специалистом по информатике или математиком».
Они определенно пытались. Первым симуляцию C. elegans попытался создать Сидни Бреннер, который из скромного червя сделал научную суперзвезду своей культовой работой 1986 года «структура нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans», известной в профессиональных кругах как «разум червя».
В лаборатории в Кембридже, Англия, команда Бреннера провела 13 лет, нарезая червей и фотографируя их через электронный микроскоп, полагаясь на мини-компьютер первого поколения — тот, который запрограммирован на С помощью перфоленты — чтобы воспроизвести собранные данные в виде элементарной карты нервной системы червя.
С тех пор каждые 10 или 20 лет специалисты по информатике пытались расширить работу Бреннера. Но биология, как правило, быстро унимает компьютерщиков. В 2003 году специалист по информатике Дэвид Харел назвал моделирование C. elegans труден для биологии, области, в которой, по его мнению, назрел «чрезвычайно важный переход от анализа к синтезу». Хотя Харел определенно был прав в этом, ему никогда не удавалось смоделировать что-то большее, чем вульва червя.
Со своей стороны, Коэн потратил большую часть 20 лет на публикацию революционных вычислительных моделей, объясняющих синусоидальное изгибание C. elegans, когда он продвигается вперед при разной вязкости. Но то, как червь движется назад, — это совсем другая, нерешенная проблема, и даже не спрашивайте о том, как червь движется вверх и вниз, или, если уж на то пошло, почему.
Все имеющиеся у нас данные о поведении C. elegans получены от червей в плоских чашках с агаром. Насколько нам известно, в дикой природе они могут вести себя совершенно иначе. «Почему бы и нет?»Сказала Коэн со смехом. «Это биология».
Когда OpenWorm объявила о своих намерениях в 2011 году, Стивен Ларсон, инженер, который «нашел религию» в открытом исходном коде, подумал, что если бы он мог просто созвать группу преданных своему делу исследователей вычислительной техники, чтобы попробовать свои силы в биологии, они могли бы добиться значительного прогресса в моделировании.
Тринадцать лет спустя он еще больше раскаивается. «Проектом мог бы стать собор», — сказал мне Ларсон. «Если у меня нет возможности закончить это, то, по крайней мере, другие люди могут увидеть это и развить дальше».
Это могут быть разговоры о выгорании. Возглавить проект с открытым исходным кодом с минимальными затратами в течение любого периода времени может подорвать силы даже самого преданного идеалиста. Это может быть обманчивая сложность мозга C. elegans, который не поддается легкому анализу. Также это может быть просто неудачное время.
OpenWorm не проводит собственных исследований. Вместо этого группа добровольцев проекта берет материал из литературы о C. elegans, интегрируя в свое моделирование любые данные, которые они могут найти. Это означает, что они полагаются на лаборатории исследования червей, которые медленно создают входные данные.
Но за последнее десятилетие или около того экспериментаторы усовершенствовали микроскопы и генетические методы, производя все больше и больше качественных записей мозга червя по мере его существования. В то же время появились инструменты машинного обучения, позволяющие осмысливать все эти данные, а вычислительные мощности зашкаливают.
Конвергенция вселяет в Ларсона надежду. «Когда вы живете во времена почти экспоненциального технологического роста, то, что звучит безумно, может быть достигнуто», — сказал он.
Коэн входит в научно-консультативную группу OpenWorm и задается вопросом, действительно ли это осуществимо. «Что ж, давайте начнем с предпосылки, что это возможно», — сказала она. «Что нам надо сделать?»Коэн является одним из 37 соавторов недавнего аналитического документа, в котором излагается новый план: использовать технологию генетической визуализации для активации каждого нейрона в нервной системе червя один за другим, измеряя его влияние на другие 301. повторенный сотни тысяч раз в параллельных экспериментах, этот методический процесс должен собрать достаточно данных, чтобы вычислителям, наконец, было с чем работать — даже достаточно, чтобы полностью «перепроектировать» червя.
Это амбициозное предложение, которое потребует беспрецедентного уровня сотрудничества примерно между 20 различными лабораториями червей. Гал Хаспел, специалист по вычислительной нейробиологии в Технологическом институте Нью-Джерси и ведущий автор статьи по обратному инжинирингу, оценивает, что выполнение этого может занять до 10 лет, стоить десятки миллионов долларов и потребовать от 100 000 до 200 000 реальных червей.
В ходе этого процесса будет сгенерировано больше данных о C. elegans, чем было собрано всей наукой на сегодняшний день. И что, в конце концов, должны будут показать инженеры? «Все эти люди и все эти компьютеры», — сказал Хаспел. «И в конечном итоге мы сделаем то, что может сделать одно маленькое животное прямо сейчас».
Он кривит душой. Хаспел также сравнил проект с полетом НАСА на Луну: это своего рода задача, которая продвигает технологии вперед, подталкивая инженеров к созданию более совершенных инструментов, а ученых — к совместной работе.
Хаспел считает, что моделирование червя — это возможность для нового вида науки, основанного на автоматизации, больших данных и машинном обучении. И хотя конечным продуктом является всего лишь червяк, причем дорогой и неэффективный — в определенном смысле это самые совершенные в мире тамагочи, — он может стать ступенькой к пониманию более сложных нервных систем и, в конечном счете, когда-либо человеческого разума.
Никто не спутает биологическую модель с реальной. Но полноценная симуляция открывает совершенно иную реальность. Если модель помогает ученым ответить на вопросы, симуляция поднимает их. Например, что отличает виртуального червя от его живых родственников, если они идентичны молекуле?
По словам Ларсона, полностью достоверное моделирование червя будет событием, расширяющим категорию: вместо того, чтобы аннулировать наше нынешнее понимание жизни, оно может расширить его. «Если мы хотим сказать, что жизнеспособность может быть обеспечена только системами физических молекул, которые физически существуют с массой на планете, то что — то в компьютере, у которого нет физических молекул, не может быть живым», — сказал он. «Но если мы расширим наше определение жизни, включив в него больше информации, то, возможно, есть версия жизни, которую вы могли бы применить к смоделированному животному. И тогда возникает вопрос, имеет ли это значение?»
Жизнь-это информация, но это и нечто большее — то, что мы чувствуем сильнее всего, когда оно уходит. Интересно, не стоит ли в этом свете изменить выражение Фейнмана. Дело не в том, что творение порождает понимание. Дело в том, что только пытаясь воссоздать жизнь, мы можем прийти к пониманию того, насколько она незаменима.
По материалам: Wired
