Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Однако существовали важные различия. Нерв имеет такой потенциал действия, что волна по нему прокатывается за тысячные доли секунды, а эквивалентный процесс в сердце занимает гораздо больше времени – около половины секунды. Другие различия возникли в отношении количества дифференциальных уравнений и ионных каналов (канал может быть представлен более чем одним дифференциальным уравнением).

Процессы активации и инактивации натриевых каналов потребовали от Ходжкина и Хаксли использования (по крайней мере) двух связанных дифференциальных уравнений. Им также потребовалось одно для калиевого канала и еще одно для аксонного потенциала, всего получилось четыре связанных уравнения. В своей модели сердца Нобл сохранил формулировку двух дифференциальных уравнений для натриевого канала, при этом адаптировав константы для сердца. В свете своих экспериментов с Хаттером он радикально отошел от уравнений, использованных Хаксли и Ходжкином для калиевого канала, изменив ход времени примерно в 100 раз и добавив связанное дифференциальное уравнение для клеточного потенциала. Нобл вспоминает: «У Хаксли и Ходжкина было три уравнения, плюс необходимое дифференциальное для потенциала клетки. У меня было четыре, плюс необходимое дифференциальное для потенциала клетки»[146].

Чтобы создать свою простую виртуальную модель сердечной клетки, Нобл жил по «сумасшедшему графику» в течение двух или даже трех дней, начиная с ночи за Mercury. В 5 утра он ходил на скотобойню, чтобы собрать свежие овечьи сердца для экспериментов, которые проводил до полуночи; затем, взбодрившись крепким кофе, он начинал модифицировать ленты, которые подавал в Mercury к 2 часам ночи. Он должен был оставаться на месте на случай, если что-то пойдет не так, и в следующие два часа мог моделировать на компьютере то, что сегодня занимает миллисекунды[147].

Через несколько недель Нобл преодолел ключевую веху. Когда он составил график результатов, полученных с помощью телетайпа, «результаты выглядели очень красиво». Они выявили колебания – его виртуальная сердечная клетка билась! Через несколько месяцев он успешно представил в журнале Nature две статьи, объясняющие, почему ритм является эмерджентным свойством компонентов волокон Пуркинье – проводящих волокон, которые определяют сердцебиение. Подробности появились два года спустя в Journal of Physiology, где Нобл писал: «Можно видеть, что общая форма потенциала действия <…> очень близко соответствует той, которая наблюдается экспериментально в волокнах Пуркинье»[148].

Нобл, в 1963 г. переехавший в Оксфорд, вместе с Ричардом Цзянем, Дарио Ди Франческо, Доном Хильгеманном и другими (такими, как новозеландец Питер Хантер), разработал свою модель клеток сердца, в 1975 г. расширив репертуар дифференциальных уравнений до 10 переменных[149], затем, спустя десятилетие, до 16[150]. Первая модель желудочковой клетки, которая включала новое понимание токов кальция, появилась в 1977 г.[151].

Рисунок 19. Колебания сердца. Адаптировано из Anion conductance of cardiac Muscle («Анионная проводимость сердечной мышцы»), Денис Нобл (докторская диссертация, 1961)

К 1980 г. Нобл и его коллеги имели достаточное представление обо всех действиях – электрических, химических и механических, – участвующих в сокращении одной сердечной клетки. Активность сердечных клеток была сведена к примерно 30 уравнениям, которые отражали ключевые химические процессы, в частности каналы, которые позволяют электрическим сигналам проникать в сердечные клетки и выходить из них. Таким образом, первоначальная модель Нобла превратилась в более 100 моделей сердечных клеток, используемых сегодня, от клеток синоатриального узла (который является водителем ритма сердца) до клеток предсердий, а также клеток различных видов, от кроликов до морских свинок.

Подобно скальпелю, эти модели могут обнаружить самое важное в биении сердца. Неудача может быть столь же колоссальной, как и успех. Выяснение того, почему модель не воспроизводит правильные ритмы, может оказаться столь же полезным, как и построение модели, которая работает с первого раза. Как выразился Нобл: «Одна из функций моделей – быть неверными», поскольку впечатляющий провал может выявить ошибочные предположения и недостатки в нашем понимании[152].

К виртуальному человеку

Вычислительная техника прошла долгий путь с момента разработки первых электронных компьютеров: «Колосс» в Блетчли-парке, сокративший Вторую мировую войну за счет взлома нацистских кодов; Ferranti Mercury, на котором работал Нобл; или бортовой управляющий компьютер «Аполлона» – 70-фунтовый 16-битный компьютер, который высадил двух человек на Луну[153]. В последние годы наша способность вкладывать искру жизни в математические уравнения изменилась с появлением высокопроизводительных вычислителей – суперкомпьютеров[154].