Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Другие проблемы вращаются вокруг связи физики молекулярного мира с физикой мира, который мы воспринимаем нашими органами чувств. Ранее мы обсуждали истоки стремления понять эту связь в XIX в. в работе Больцмана по статистической механике. Попытки связать микро с макро продолжаются. Нобелевская премия 2013 г. была отмечена ключевым достижением в многомасштабном моделировании в химии, сделанным Мартином Карплусом из Страсбургского университета во Франции и Гарвардского университета, Майклом Левиттом из Стэнфордского университета и Арье Варшелем из Университета Южной Калифорнии. Десятилетиями ранее они объединили классическую физику, которая управляет повседневным миром, с квантовой физикой микроскопической области, возникшей незадолго до первого Сольвеевского конгресса. Классические теории Ньютона предсказывают движение конечностей и пушечных ядер, а чтобы прогнозировать события на атомном уровне, нужны квантовые теории Эрвина Шрёдингера, Поля Дирака и других.

Они нашли практический способ объединить лучшее из обоих миров. В 1967 г. Левитт и Уоршел написали компьютерную программу, которая использовала традиционную ньютоновскую физику для описания структуры покоя больших молекул на основе их аминокислотных последовательностей, а затем расширили алгоритм, включив в него квантовую физику. В 1972 г., работая вместе в Гарварде, Карплус и Уоршел создали программу, способную рассчитывать спектры сложных молекул – уникальную картину света, который они испускают при возбуждении – путем объединения классических и квантово-химических подходов[401]. В 1976 г. они опубликовали первую модель ферментативной реакции и, таким образом, заложили основу для некоторых мощных компьютерных программ, которые сегодня используются для понимания и прогнозирования химических процессов, а также для разработки лекарств[402].

Есть и другие способы справиться с обратной связью между классической и квантовой областями. Один из примеров можно найти в моделировании текущей жидкости, где часть моделирования рассматривается с помощью классической молекулярной динамики, так что поведение молекул-компонентов моделируется, а остальное решается с использованием уравнений Навье – Стокса, которые не учитывают молекулярный хаос в жидкости. Каждый уровень описания должен быть последовательным, поэтому необходимо обеспечить сохранение массы, импульса, а иногда и энергии. В начале 2000-х гг. Питер был одним из первых, кто показал, как это можно сделать[403].

Моделировать такие «неиерархические модели связанных жидкостей» непросто: если поток массы из области, описываемой физикой сплошной среды, следует в область атомов и молекул, описываемую молекулярной динамикой, то виртуальные молекулы должны быть введены в моделирование на лету, чтобы уловить эти приливы и отливы.

Многомасштабное моделирование также связано с практическими проблемами. Одной из них является «дисбаланс нагрузки», когда моделирование тратит так много времени на микроскопическом/мелкозернистом уровне, что возникает узкое место, остальная часть крупномасштабного моделирования «наступает на пятки» и не может перейти к следующему временному шагу. Один из популярных способов сбалансировать нагрузку – заменить мелкозернистую, ресурсоемкую часть модели суррогатом, нейронной сетью или другим искусственным интеллектом, который обучен вести себя таким же образом. Как всегда, по причинам, изложенным ранее, эти суррогатные модели эффективны ровно настолько, насколько хороши данные, использовавшиеся для их обучения. Из всех многомасштабных задач, связанных с человеческим телом, одной из наиболее важных – учитывая глобальное бремя сердечно-сосудистых заболеваний – является моделирование человеческого сердца.

Многомасштабные сердца

Неудивительно, что сердце является одной из главных целей в создании виртуального человека, учитывая непреходящий символизм этого великолепного органа, от его связи с душой и интеллектом в Древнем Египте до представлений об эросе (романтической любви) и агапе (духовной любви) в Древней Греции – к эмодзи здоровья, радости и боли, которые сегодня мелькают в переписках на мобильных устройствах.

Этот чудесный насос работает 100 000 раз каждый день, снабжая ваше тело кислородом и питанием, регулируя температуру, перенося клетки и антитела, защищающие вас от инфекций, и удаляя углекислый газ и продукты жизнедеятельности, и все это через сеть сосудов длиной 60 000 миль, переносящих около 4,5 л крови. Вместе они составляют сердечно-сосудистую систему.