Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Это сводит массив сотен тысяч клеток сердечной ткани к двум уравнениям в частных производных – уравнениям, которые математики используют для фиксации изменений в пространстве и времени в более крупных, «инженерных» масштабах. Эту «непрерывную модель», известную как бидоменная модель, необходимо еще раз преобразовать в другую форму дискретной модели – разделить сердце сеткой – для проведения моделирования. В результате два уравнения в частных производных (которые трудно решить) разбиваются сеткой на десятки тысяч поддающихся решению алгебраических уравнений, которые становятся тем более верными, чем меньше приращения пространства и времени.

Вместе с Раем Уинслоу в 1989 г. Денис Нобл начал работу над моделью многоклеточной ткани и всего сердца, используя суперкомпьютер в Исследовательском центре высокопроизводительных вычислений армии США при Университете Миннесоты. Этот влиятельный параллельный процессор, получивший название Connection Machine CM-2, был детищем американского ученого-компьютерщика, «инженера» (должность, которую он позже занял в Disney Inc.) и изобретателя Даниэля Хиллиса. Компьютер сконструировала компания Thinking Machines Inc., базировавшаяся в Уолтеме, Массачусетс. В CM-2 было 64 000 очень простых процессоров, и, как объяснил Нобл: «Благодаря этому мы могли сопоставить блоки ткани с самими процессорами, в простейшем случае назначив каждому процессору модель клетки и создав таким образом блок ткани, соответствующий 64 000 клеток».

В 1990 г., когда на CM-2 создавалась виртуальная сердечная ткань, Нобл посетил Окленд, где встретил Дениса Луазеля, одного из основателей Оклендского института биоинженерии. «Я специалист по электричеству, он – механик, и нам с ним не потребовалось много времени, чтобы увидеть, чего не хватает в примитивных электрофизиологических моделях сердца, с которыми я пришел, – вспоминал Нобл. – Он задал, казалось бы, простой вопрос: „Где в ваших моделях энергетический баланс?“ А его не было! Это положило начало объединению метаболизма с электрофизиологией». Проницательные и терпеливые вопросы Луазеля позже побудили Нобла отправиться в Оксфорд, где вместе с Кираном Кларком и Ричардом Воган-Джонсом он моделировал ишемию (когда кровоток в сердце снижается или ограничивается).

В начале 1990-х гг. Нобл продолжал вмешивать в свою модель сердца биохимические процессы и процессы питания, в частности АТФ, или аденозинтрифосфат, энергетическую валюту жизни, которая управляет сокращением мышц и биением сердца, а также функционированием мозга. Подобно тому, как энергия может храниться в изогнутой пружине, так и АТФ запирает ее в своих богатых энергией фосфатных связях. Троньте одну из этих химических связей, и получите энергию для выполнения полезной работы в живой клетке.

Примерно в это же время воплотилась в жизнь и идея того, что сегодня называется «Проект Физиом»[407]. Нобл вместе с Питером Хантером из Окленда разработали основу для моделирования человеческого тела с использованием вычислительных методов, включающих биохимическую, биофизическую и анатомическую информацию о клетках, тканях и органах. «То, с чем я столкнулся в течение нескольких недель в качестве приглашенного профессора в Батленде, было просто ошеломляющим, – вспоминал Нобл. – Я считаю Питера Хантера интуитивным провидцем всего проекта».

К тому времени, когда Нобл работал с Уинслоу, Хантер оцифровывал собачьи сердца, постепенно снимая тонкие слои и отображая ориентацию волокон по всей поверхности, а затем получая двухмерные изображения, которые можно было преобразовать в цифровую 3D-версию[408]. Нобл вспоминал, что, когда стал свидетелем этого процесса, поразился, насколько кропотливой была эта работа, и насколько полезной: «Идея заключалась в том, что эту базу данных можно будет в конечном итоге объединить с уравнениями механических, электрических и биохимических свойств клеток в каждой области сердца, чтобы создать первый в мире виртуальный орган»[409].

Впервые они начали сотрудничать в 1970-х гг., когда Хантер учился в Оксфорде, готовясь к написанию диссертации по механике сердца. Нобл вспоминал: «Однажды он посмотрел мне через плечо, пока я обсуждал конкретную математическую задачу о возбудимых клетках, и спокойно сказал: „Я думаю, решение такое“. И оказался прав».