Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Опять же, нет ничего, отвечающего за все эти органеллы, как и за составляющие их молекулы. Не существует привилегированного уровня причинности. И, как утверждал Эйнштейн, законы природы должны рассказывать одну и ту же историю со всех возможных точек зрения. Можем ли мы создать многоуровневую математическую модель, которая свяжет наше, хотя и ограниченное, понимание инструкций ДНК, описывающих клетку, с измерениями деталей клеточной биохимии и анатомии? Есть уверенность, что можем, и, как мы вскоре узнаем, многие ученые теперь способны выращивать виртуальные клетки.

Глава 6 Виртуальная клетка

«Математик, подобно художнику или поэту, создает образы, причем математические образы сохраняются дольше, потому что всегда несут в себе идею».

Г. Г. ХАРДИ, «АПОЛОГИЯ МАТЕМАТИКА»[331][332]

С появлением моделирования паутины химических процессов внутри клеток и того, как они меняются с течением времени, идеи молекулярной биологии внутри виртуальных клеток начали воплощаться в жизнь. Мы увидели, как, даже пренебрегая многими деталями, можно создавать персонализированные лекарства и многое другое для виртуального двойника. Но живые существа также представляют собой динамические модели в пространстве. Чтобы создать настоящие виртуальные клетки, нам необходимо понять эти закономерности, найти способы выразить их в математической форме и придумать, как смоделировать их на компьютере.

Примерно в начале XX в. ученые начали понимать, как химия может создавать реалистичные конструкции. В 1896 г. немецкий химик Рафаэль Лизеганг (1869–1947) показал, что капля нитрата серебра в геле, содержащем бихромат калия, приводит к образованию колец бихромата серебра. Он предположил, что аналогичный процесс лежит в основе полосчатых эффектов на крыльях бабочек и шкурах животных.

Более творческая химия появилась в 1911 г., когда французский врач Стефан Ледюк (1853–1939) в своей статье The Mechanism of Life указал, что «живые существа по большей части обладают замечательной степенью симметрии»[333], и использовал химию – осаждение неорганических солей, диффузию и осмос, – чтобы создать калейдоскоп форм в том, что он назвал «синтетической биологией». Понимание динамической природы химических мотивов развилось дальше в середине XX в. в Советском Союзе с исследованием закономерностей в пространстве и времени – от химических «часов» до концентрических полос и спиралей – самоорганизующихся пространственных и временных структур, образованных замечательной химической реакцией Белоусова – Жаботинского, о которой мы говорили в нашей первой книге The Arrow of Time.

Рисунок 29. Эволюция спиральных волн, аналогичных наблюдаемым в реакции Белоусова – Жаботинского, возникающих в результате добавления в гель раствора гидроксида натрия поверх слоя хлорида алюминия (воспроизведено с разрешения Манал Аммар и Мазена Аль-Гуля, химический факультет Американского университета Бейрута)

В своей книге 1940 г. «Апология математика» Г. Г. Харди описал математика как «создателя образов». Чтобы математика могла выйти за рамки моделирования биохимических сетей внутри клеток и изучить закономерности их жизнедеятельности, необходимо перейти от использования обыкновенных дифференциальных уравнений к уравнениям в частных производных. Эти уравнения могут столкнуться с очевидным парадоксом: живые существа динамичны и изменяются, однако химические вещества могут реагировать и диффундировать, создавая устойчивые структуры, такие как органелла, печень или тело.

Этот парадокс был решен Аланом Тьюрингом, во время Второй мировой войны взломавшим нацистский шифратор «Энигма». Прочитав книгу Дарси Томпсона «О росте и форме»[334], в которой было собрано воедино все на тот момент известное о природных закономерностях – формах клеток, сот, кораллов, ракушек, рогов, костей, растений и многого другого, – Тьюринг разработал математическую модель, объясняющую, как случайные колебания могут закладывать структуру: диффундирующие и реагирующие химические вещества создают не однородность, не хаос, а нечто среднее – закономерность.

Несмотря на то, что Тьюринг наиболее известен своей работой в области вычислений, его роль в биологии навсегда закреплена статьей в Philosophical Transactions of the Royal Society 1952 г., опубликованной, когда ему было 40 лет и он работал в Манчестерском университете. В «Химической основе морфогенеза» Тьюринг исследовал, как сферический (симметричный) пучок идентичных клеток развивается в (асимметричный) организм.