Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Пример Эйнштейна помогает признать, что в биологии человека не существует какой-либо привилегированной точки отсчета, и изучение эмерджентного целого человека так же обоснованно, как и изучение ДНК. С точки зрения анатома 213 костей[259] и 640 или более мышц[260], которые сочленяют вас, могут показаться сложными. Но эта степень сложности меркнет, если сменить угол обзора. Вы состоите из 37,2 триллиона клеток – это миллион миллионов основных биологических единиц. Ими ничто не управляет, и, действуя вместе, они позволяют вам дышать, переваривать пищу, двигаться и думать. Пока вы думаете о бесконечной борьбе за сотрудничество между семью миллиардами людей на нашей планете, степень молекулярного сотрудничества внутри вашего тела сейчас, когда вы читаете это предложение, поистине экстраординарна. Вы – настоящее чудо.

Теперь представьте свое тело с точки зрения одного из десятков миллионов белков всего лишь в одной из ваших 37,2 триллиона клеток. Или, как модно говорить в последнее время, с точки зрения вашего кода ДНК. С какого уровня лучше начать строить виртуального человека? Как однажды заметил нобелевский лауреат Сидни Бреннер: «Я знаю один подход, который потерпит неудачу: начать с генов, создать из них белки и попытаться построить все снизу вверх»[261].

Хотя мышление «снизу вверх» обычно начинается с ДНК, необходимо учитывать и эффекты «сверху вниз». Например, тип и направление воздействия на клетку меняет способ использования ее генов[262]. Мы не роботизированные сосуды для эгоистичных генов, а совокупность клеточных колоний тысяч генов, которые находятся в диалоге с внешним миром[263]. Несмотря на это, взгляды «сверху вниз» и «снизу вверх» должны давать одни и те же ответы: хотя сама эволюция была открыта при рассмотрении широкого спектра жизни, важны также и мутации ДНК – прекрасный пример согласованности.

В биологических системах не существует привилегированного уровня причинности[264]. Многие считают клетку основным строительным блоком тела. Возможно, это подходящий уровень для того, чтобы начать создавать виртуального человека, но по банальной причине: нужно начать хоть с чего-то[265]. Действительно важно вот что: повествование о работе тела на клеточном уровне должно соответствовать подробной истории, рассказанной на молекулярном уровне (например, ДНК), а также на более высоких уровнях организации, от органов к телу одного человека к целой популяции.

Не будем пока беспокоиться о размере каждой клетки или головокружительных деталях ее внутренностей. Вместо этого давайте сосредоточимся на том, что делают клетки и как они работают. Мы можем добиться прогресса в создании виртуального человека, воспользовавшись выдающимися знаниями о жизни, полученными благодаря молекулярной биологии, самому впечатляющему недавнему достижению биомедицины. В этой волне фундаментального понимания поможет разобраться компьютерное моделирование.

Попытаемся понять, как тонко организованная химическая хореография внутри клетки реагирует на различные обстоятельства. Внутри клетки существует множество промежуточных продуктов – молекул, контролирующих реакции метаболизма, а также белков, ферментов (которые ускоряют химические реакции, участвующие в росте), выработку энергии и другие функции организма. Например, когда клетка сталкивается с пищей, фермент расщепляет ее на молекулу, которая может быть использована следующим ферментом и следующим, в конечном итоге генерируя энергию.

Но вместо того, чтобы просто наблюдать за происходящим и давать словесное объяснение (традиционный подход, принятый муравьями Бэкона в биологии и медицине), мы должны сплести нити понимания в математическую форму, что дает более глубокое понимание, чем простая справочная таблица, где вы связываете химический состав клетки с тем, испытывает ли она кислородное голодание, подвергается вторжению вируса или активируется гормоном. Этот подход также способен на большее, чем машина, обученная предсказывать, как клетки поведут себя в ограниченном наборе обстоятельств. Математическая теория – если ее правильно поняли – способна описать известное поведение и, что немаловажно, показать, что произойдет в совершенно новых обстоятельствах.

Изменения можно отразить в форме обыкновенных дифференциальных уравнений (хотя следует отметить, что существуют и другие способы представления изменений, например, стохастические дифференциальные уравнения, которые привносят случайность). Чтобы заставить ОДУ работать, их необходимо дополнить экспериментальными данными о сложных сетях химических процессов внутри живой клетки. Нам нужны коэффициенты или параметры скорости, которые выражают, насколько быстро одно клеточное химическое вещество превращается в другое.