Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества. Питер Ковени

. Можно дополнить: «Чего не могу точно смоделировать, того не понимаю». Мы уверены, что понимаем, как самолеты летают и как ведут себя во время турбулентности или отказа двигателя, поскольку авиасимулятор может точно предсказать, что произойдет. Пилоты регулярно отрабатывают как обычные, так и непредвиденные ситуации, используя симуляторы и получая опыт, который могут так и не применить при управлении реальным самолетом.

      Каковы перспективы моделирования себя на компьютере? На первый взгляд, это звучит скорее как научная фантастика, чем реальность. Однако в этой области был достигнут значительный прогресс. Данная книга знакомит с первыми шагами на пути к созданию собственного цифрового двойника и с трудностями в достижении этой цели, что само по себе является увлекательным путешествием.

      Одна из ключевых тем книги – стремление видеть в биологии столько же теории, сколько и в физике. В 1976 г., сразу после аспирантуры, когда я ушел из физики, чтобы переквалифицироваться в биолога, я сразу заметил разницу. В физике, как и в химии, существовала высокоразвитая теория, которая помогала направлять и даже предсказывать эксперименты и поведение. Так, исходя из теоретических соображений, удалось изобрести транзисторы и лазеры и синтезировать совершенно новые соединения. В результате даже был построен ускоритель стоимостью в несколько миллиардов долларов для поиска теоретически предсказанного бозона Хиггса. Теория далека от совершенства. Например, не существует хорошей теории высокотемпературной сверхпроводимости, и мы не можем предсказать детальное сверхпроводящее поведение смеси металлов.

      Биология в 1970-х гг., напротив, казалась в основном наблюдательной и эмпирической. У нее была одна всеобъемлющая теория – о естественном отборе, действующем как движущая сила эволюции всей жизни. Хотя эта теория обладала огромной объяснительной силой, ей не хватало детальной предсказательной силы. В биологии также было то, что я назвал бы локальными теориями или моделями: понимание того, как импульс распространяется по нерву, как работают различные биологические моторы или как человек реагирует на дозу адреналина. Но чего не было, так это всеобъемлющей способности предсказывать на основе набора начальных условий, как система (даже такая базовая единица, как клетка) будет вести себя с течением времени при произвольном наборе условий.

      Проблема заключается в том, что количество факторов, участвующих в поддержании жизни, невероятно огромно. На каком-то базовом уровне существует наш геном, последовательность которого с большой помпой была раскрыта в начале этого столетия с перспективой вступить в новую эру биологии. Геном состоит из десятков тысяч генов, экспрессирующихся в разной степени и в разное время. Более того, экспрессия генов модулируется химическими метками на ДНК или связанными с ней белками, которые сохраняются при делении клеток, что является предметом эпигенетики. Наконец, экспрессия генов и их функции в клетке являются результатом их взаимодействия друг с другом и окружающей средой с образованием гигантской сети. Таким образом, любые надежды на возможность предсказывать на основе генов, зная их последовательность, оказались пустыми. Если это так даже для одной клетки, можно себе представить, насколько сложно теоретически предсказать будущее органа, не говоря уже о целом человеке.

      Последние 20 лет биологическая революция XX в. дополнялась революцией в области вычислений и данных. Теперь у нас есть огромные объемы данных. Вместо одной последовательности человеческого генома мы имеем сотни тысяч, а также обширные последовательности геномов огромного числа видов. У нас есть карты транскриптомов, которые сообщают нам, какие гены экспрессируются (процесс, посредством которого информация, закодированная в гене, приводится в действие), в каких клетках и когда, и у нас есть карты интерактомов, отображающие взаимодействие между тысячами генов. Наряду с этим мы располагаем масштабными сведениями о физиологии и заболеваниях человека. У нас есть данные о личных характеристиках здоровья миллионов людей. Анализ и интерпретация всех этих данных находятся за пределами возможностей любого отдельного человека или даже группы. Но в то же время стремительно развивается наука о данных. Вычислительные методы, позволяющие связывать большие наборы данных и понимать их, постоянно совершенствуются.

      Позволят ли эти достижения, в сочетании с активным развитием теории, в конечном итоге смоделировать форму жизни? В данной книге утверждается, что сочетание этих разработок даст нам возможность достичь амбициозной цели моделирования практически каждого органа и процесса в теле человека. Когда это будет сделано, мы сможем задавать следующие вопросы. Как этот человек отреагирует на конкретное лечение? В какой момент у него может развиться тяжелая болезнь? Можно ли предотвратить это, приняв меры на раннем этапе, и если да, то какие действия могут помочь? Как иммунная система одного человека отреагирует на инфекцию по сравнению с иммунной системой другого?

      В книге описан прогресс практически во всех областях компьютерной биомедицины: от молекул и клеток до органов и человека. Когда я читал ее, у меня сложилось впечатление, что есть области, где цифровая симуляция – виртуальная копия реальности – уже почти существует. Одни цели кажутся