Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Работа Хаксли и Ходжкина, получившая Нобелевскую премию, основывалась на достижениях многих других. Как мы видели в первой главе, измерения нервных импульсов стали возможны благодаря Кеннету Коулу с помощью техники фиксации напряжения. Ходжкин отправил корректуры своих новаторских работ с Хаксли Коулу, который тогда работал в Военно-морском медицинском научно-исследовательском институте в Бетесде.

В 1950 г., в то время как Хаксли использовал калькулятор с ручным приводом, Коул решил запустить модель на Стандартном восточном автоматическом компьютере[142] в Вашингтоне. Этому новаторскому образцу вычислительной нейробиологии потребовалось полчаса, чтобы вычислить 5-миллисекундную длительность одного вида потенциала действия. Коул пошутил, что его компьютерная модель имеет 16 «сил Хаксли». Пару лет спустя компьютер, состоящий из четырех стоек с электронными лампами от пола до потолка, производил расчеты за секунды[143]. Чтобы выразить, сколько времени на самом деле требуется для моделирования, используют понятие «время настенных часов»: иногда время на часах опережает реальность, иногда отстает от нее, а иногда, как мы обсудим позже, настолько отстает от реальности, что моделирование нецелесообразно.

К 1959 г., когда Эндрю Хаксли использовал кембриджский компьютер EDSAC, чтобы продемонстрировать колебания в модели нерва[144], молодой английский ученый по имени Денис Нобл начал применять эти открытия к сердечным клеткам. Нобл работал в Университетском колледже Лондона под руководством физиолога Отто Хаттера (1924–2020), который проделал важную работу над клетками-кардиостимуляторами сердца. Можно ли применить открытия Ходжкина и Хаксли 1952 г. к сердечным импульсам?

На пути Дениса Нобла к виртуальной клетке сердца было много препятствий: изучаемые им сердечные волокна по сравнению с гигантским аксоном кальмара были крошечными (примерно 50 мкм, или 50 миллионных долей метра, по сравнению с 1000 мкм у кальмара). И Нобл, будучи еще студентом, ничего не знал о компьютерах. Более того, он бросил математику в 16 лет и не имел никаких знаний в области математического анализа. Неудивительно, что смысл статьи Ходжкина – Хаксли дался ему тяжело.

После того как Нобл записал электрическую активность сердечных клеток, он захотел узнать, смогут ли математические методы объяснить их ритмичное сокращение. Он записался на курсы, чтобы ознакомиться с математическим анализом. Сначала он использовал ручной калькулятор, но, к своему ужасу, понял, что так для расчета потенциала сердечного действия длительностью 500 мс ему потребуются месяцы.

Чтобы ускорить процесс, Нобл решил использовать первый ламповый компьютер в Блумсбери, где базируется Университетский колледж Лондона. Ferranti Mercury – машина массой в тонну, с производительностью 10 000 флопсов, и, как он вспоминал, «не имевшая ни экрана, ни графики, ни окон, ни памяти, ни даже фортрана, который мог бы помочь пользователю, – программирование выполнялось с помощью смеси машинного кода и примитивной структуры, называемой автокодом».

Время за компьютером было драгоценным и пользовалось огромным спросом. «Я считаю, что был единственным биологом во всем университете, который осмелился попросить о времени за Mercury», – вспоминал он. Ноблу отказали: «Вы недостаточно знаете математику и даже программировать не умеете!»

Он купил книгу по программированию, углубился в написание кода, и в конце концов вернулся к хранителям Ferranti Mercury, чтобы побороться за время за машиной. «Я набросал на листе бумаги циклические изменения электрического потенциала, зарегистрированные экспериментально, показал им уравнения, которые я подогнал к результатам своих экспериментов, и сказал: „Надеюсь, машина сгенерирует то, что я записал, экспериментально“. Один вопрос остановил меня: „Мистер Нобл, где в ваших уравнениях осциллятор?“»

Дознаватели, слишком хорошо осведомленные о регулярности сердцебиения, искали схему, которая производит периодический, колеблющийся электронный сигнал, такой как синусоидальный или прямоугольный сигнал. Позже Нобл размышлял, что, основываясь на знании модели Ходжкина – Хаксли, ему следовало сказать следующее: «Осциллятор является неотъемлемым свойством всей системы, а не какого-либо отдельного компонента, поэтому нет никакого смысла включать в уравнения колебания, которые он пытается объяснить»[145].

В конце концов, не имело значения, что это является эмерджентным свойством. Чистый энтузиазм Нобла – от настойчивых размахиваний руками до набросков на обратной стороне конверта – убедил хранителей компьютера дать молодому биологу ночную смену с 2 до 4 часов ночи. Теперь он мог использовать Ferranti Mercury, чтобы анимировать математические расчеты различных контуров сердечной обратной связи, где ионные каналы зависят от напряжения, меняющегося по мере того, как они проталкивают заряженные атомы внутрь и наружу клеток (похоже на «цикл Ходжкина» в аксонах).