Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Помимо отдельных клеток, нам необходимо моделировать виртуальные ткани и органы. Например, когда дело доходит до кардиомедицины, нужны модели, позволяющие связать географию сердца с химическими процессами в миллионах точек органа, создающих биение. Во-первых, модель сердца Дениса Нобла в 1991 г. была расширена до слоя клеток, показывая, как при сердечных аритмиях могут возникать спиральные волны, родственники спиралей в реакции Белоусова – Жаботинского[393]. С конца 1990-х гг. модели сердечных клеток охватили весь орган. В 1998 г. появилась первая модель человеческого желудочка, как нормального сердца, так и сердца человека, страдающего сердечной недостаточностью, когда личный насос становится слишком слабым или жестким, чтобы качать кровь должным образом[394]. Как мы вскоре увидим, в последние годы многие команды занимались разработкой виртуальных сердец.

Рисунок 31. (a) Трехмерное моделирование PhysiCell (вид в разрезе) опухоли, атакованной иммунными клетками, через 21 день. Из книги PhysiCell: An open-Source Physics-Based cell Simulator for 3-d Multicellular Systems, Ахмадреза Гаффаризаде и др. (PLoS Comput Biol 14 [2]. © 2018 Ghaffarizadeh et al.) (б) Модель PhysiCell микрометастазов (светлых клеток), растущих в тканях (темные клетки), в рамках проекта цифрового двойника. (Предварительный результат адаптирован с разрешения Хибера Лимы)

Чтобы иметь дело со всем человеческим сердцем, этим командам приходится использовать уравнения в частных производных, которые значительно сложнее, чем обычные дифференциальные уравнения в самой первой модели сердечной клетки. Чтобы оно могло биться, виртуальное сердце должно соединить уравнения в частных производных с обыкновенными дифференциальными уравнениями, используемыми для описания множества составляющих его клеток в многомасштабном описании, которое может простираться до молекулярного уровня. Чтобы создать чудесный насос в груди, нужно нечто большее, чем просто данные, теория и высокопроизводительные компьютеры. Необходимо также соединить разрозненные теории воедино в многомасштабной мультифизической модели. С помощью этого четвертого шага вы сможете объединить вещество, форму и функцию – в виде цифровых двойников органов – внутри виртуального тела.

Глава 7 Как создать человеческое сердце?

«Нет пределов тому, что может исследовать наука».

ЭРНЕСТ СОЛЬВЕ

«Шабаш ведьм» – так Альберт Эйнштейн однажды описал первый Сольвеевский конгресс, августейшее собрание 1911 г., названное в честь его главного участника – богатого бельгийского химика и промышленника Эрнеста Сольве (1838–1922)[395]. Это собрание в Брюсселе более века назад стало первой международной конференцией, посвященной физике, и изменило будущее всей области, поскольку нанесло на карту теоретическую физику.

Делегаты, среди которых были Эйнштейн, Мария Кюри, Анри Пуанкаре, Эрнест Резерфорд и другие светила, боролись с революционными последствиями квантовой теории, родившейся всего несколькими годами ранее. В то время понимание теории устройства атомного мира было столь же озадачивающим, сколь и объясняющим. Как мы увидим в девятой главе, до сих пор существуют споры о том, как интерпретировать квантовую механику. Но что касается Conseils Solvay, или Сольвеевских конгрессов, за последнее столетие они приобрели большую значимость и стали одними из самых известных во всей науке.

Где же еще обсуждать создание виртуального человека? В апреле 2016 г. мы оба с примерно 50 исследователями со всего мира собрались на Сольвеевском конгрессе в кампусе Свободного университета Брюсселя, чтобы обсудить ряд тем, которые для случайного наблюдателя, казалось, имели мало общего: критика больших данных и искусственного интеллекта, которую мы изложили ранее[396], а также статьи, варьировавшиеся от молекулярных и геномных исследований до работы с клетками, органами и организмами, от моделирования вирусной инфекционности до создания виртуальных артерий и моделирования кровотока в мозге.

Однако в основе наших разрозненных дискуссий лежала одна проблема, центральная в попытках смоделировать особенности мира и лежащая в основе пятого шага, необходимого для создания виртуального человека. Как придумать единую модель, которая сможет охватить явления в широких и разнообразных масштабах в пространстве и времени и на стыке множества различных дисциплин, таких как физика, химия, материаловедение, молекулярная биология и медицина[397]?

Человеческое тело представляет собой особую проблему, поскольку является химической машиной такой ошеломляющей сложности, что нелегко масштабировать модели с молекулярного уровня до уровня клетки, не говоря уже об органах или уровне всего человека, и наоборот. Задача состоит в том, чтобы создать многомасштабную модель, а если опираться на разные направления теории (например, для управления электрическими и механическими процессами), то и мультифизическую модель.