Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Тьюринг предположил, что вещества, называемые морфогенами («формообразователями»), каким-то образом ответственны за путь развития. Эти закономерности описываются уравнениями скорости химических реакций, подчиняющимися закону действия масс и закону диффузии Фика, который показывает, как молекулы движутся в соответствии с градиентами концентрации (этот же закон определяет, как аромат чеснока распространяется от открытого рта к человеку, сидящему по другую сторону стола). Они объединяются в «уравнения реакции-диффузии», уравнения в частных производных, которые описывают, как концентрации реагирующих молекул изменяются в пространстве и времени.

Объединив нелинейные реакции и диффузию, можно преодолеть разрыв между молекулярным миром и миром закономерностей, видимых невооруженным взглядом. В модели Тьюринга одно химическое вещество, известное как «активатор», является автокаталитическим и поэтому вызывает положительную обратную связь. Другое – «ингибитор», подавляющий действие активатора. Тьюринг продемонстрировал, как система реакции-диффузии, состоящая всего из двух химических соединений, теоретически может создавать пятна или полосы. Его модель также могла создавать стационарные волны, «пятнистый» узор (похожий на пятна на черно-белой корове), бегущие волны (подобные колебаниям, которые могут шевелить жгутик сперматозоида). Статья Тьюринга стала первым случаем использования математического моделирования, основанного на законах природы, для иллюстрации того, как два взаимодействующих химических вещества с разными скоростями диффузии могут, без равновесия, генерировать стабильные закономерности[335]. И никакого виталистического принципа.

Идея о том, что в условиях, далеких от равновесия, диффузия может привести к неравномерному распределению компонентов – устойчивой закономерности, – была неожиданной, поскольку формы диффузии, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обычно уменьшают различия в концентрации: чесночное дыхание, к счастью, рассеивается в воздухе, а завитки, образованные горячим пенистым молоком, добавленным в черный кофе, в конечном итоге исчезают, образуя мутную смесь.

Оксфордский математик-биолог Джеймс Мюррей, с которым мы разговаривали для The Arrow of Time, придумал один оригинальный (если не сказать немного странный) способ понять закономерности Тьюринга, рассмотрев горящее поле травы, на котором живут кузнечики. Когда кузнечикам становится слишком жарко, они обильно потеют, настолько сильно, что пот капает на близлежащую траву, чтобы она не горела. Паттерны возникают, когда огонь (активатор) начинает распространяться с заданной скоростью и, спасаясь от жары, кузнечики двигаются быстрее, выделяя пот, чтобы погасить пламя. В результате получается узор, состоящий из обугленных и зеленых участков травы[336].

Работа Тьюринга представляет собой важную веху, имеющую более широкие последствия, чем просто понимание формирования закономерностей в биологии. Свои расчеты он проводил на Манчестерском Марке I, первом в мире коммерчески доступном электронном компьютере общего назначения, и в статье размышлял о том, что «с помощью цифрового компьютера» можно изучать более сложные случаи формирования биологических закономерностей.

К сожалению, Тьюрингу не удалось развить эти новаторские идеи о вычислении закономерностей природы: через два года после публикации статьи он покончил с собой, выпив стакан растворенного цианида и закусив яблоком, чтобы сделать свой последний напиток вкуснее[337]. В течение следующих нескольких десятилетий его работа по большей части игнорировалась химиками и биологами, которые были очарованы новыми открытиями, возникшими из двойной спирали ДНК.

Лишь в 1990 г. появились убедительные экспериментальные доказательства существования закономерности Тьюринга в химии[338]. Теперь, спустя десятилетия дополнительных исследований, растущая мощь компьютеров помогла укротить уравнения в частных производных, и теория Тьюринга предложила возможное объяснение целому ряду отметин, встречающихся в природе: от зебр до жирафов, ягуаров[339] и морских ракушек, а также расположения пальцев передних и задних лап[340] и волосяных фолликулов у мышей[341]. Оживив биологию на компьютере, Тьюринг стал еще одним пионером в попытках создать виртуального человека.

Проект К

Хотя Ходжкин и Хаксли разработали одну из самых успешных моделей сложного биологического процесса, революция в молекулярной биологии, произошедшая в 1953 г. после публикации Криком и Уотсоном структуры двойной спирали ДНК затмила ее[342]. В течение следующего десятилетия научный интерес сосредоточился на том, как белки и молекулы жизни взаимодействуют внутри клетки. Изучая простые организмы, возможно, мы смогли бы понять детали жизни.