Показать меню
Лаборатория
Вначале был червяк
3D-модель внутриклеточной структуры червя С. elegans

Вначале был червяк

Создание цифровых форм жизни намного ближе, чем мы думаем

26 марта 2014 Иван Куликов

Червь, известный биологам как Caenorhabditis elegans, произносится “ценорхабдитис элеганс”, и он пошевелился. Каждую секунду на планете извиваются триллионы почти таких же червяков. Но именно это телодвижение мы расцениваем как исторически рубежное. В некотором смысле от него зависит, каким будет наше будущее. Смотрите видео:

Данный экземпляр войдет в историю, и вот почему. Представим себе коллективную, открытую и постоянно пополняемую онлайн-энциклопедию с максимально полным описанием Ценорхабдитис элеганс – Большую Википедию Червя. Ее статьи детально описывают биологию животного: от поведения до структуры и функций всех органов и тканей вплоть до отдельных клеток и генов – этаких молекулярных инструкций по сборке, запуску и поддержанию клетки в активном состоянии. Теперь вообразим, что накопленные по червю данные перенаправляются в специальный конструктор. Здесь на  основе собранной информации червяк собирается заново - клетка за клеткой, функция за функцией, связь за связью. Сначала виртуально в виде цифровой программной копии. А потом материально – в виде его точной физической модели, действующей самостоятельно, как и природный прототип.

На самом деле, Большая Википедия Червя давно реализована и активно функционирует. Ведь Ценорхабдитис элеганс – червь типа нематоды или плоский червь – исследован вдоль и поперек. Подопытный собрат лабораторной крысы, морской свинки или мухи дрозофилы, он на языке биологов зовется “модельным”, то есть образцово изученным организмом. Выбору ученых способствовало то, что данная нематода – одно из самых скупо скроенных многоклеточных существ в животном мире.

Взрослая особь червяка состоит из 959 клеток, а его нервная система – всего из 302 нейронов, которые реагируют на раздражители, обрабатывают информацию, руководят работой мускульных и прочих клеток и таким образом управляют поведением червя. Более того, именно эта нематода стала первым многоклеточным организмом, чей геном был полностью расшифрован еще в 1998 году.

А вот следующая часть истории – коллективный конструктор червя – стартовала относительно недавно. Года три назад несколько биологов и программистов, работающих в разных концах света, основали исследовательский интернет-проект OpenWorm с целью построить компьютерный симулятор нематоды. Другими словами – создать цифровую форму жизни. Собственно, на видео представлен первый результат их трехлетней деятельности – компьютерная модель двигательной системы червяка. Она оживлена коллективно написанной программой-конструктором, которая имитирует поведение червяковых клеток. Модель пока ограничена 95 мускульными клетками нематоды, каждая из которых связана с несколькими нейронами, то есть может сокращаться или расслабляться по их команде. Можно заставить нематоду извиваться, скручиваться и делать еще несколько движений, список которых невелик – у естественного прототипа он хорошо изучен и описан.

Цифровую нематоду поместили в приятную для нее вязкую среду – цифровой же аналог лабораторного желе из агар-агара, в котором червячки чувствуют себя прекрасно. Желе тоже смоделировали на компьютере с помощью программы Sibernetic. Последнюю, кстати, разрабатывали русские участники проекта -- Андрей Пальянов и Сергей Хайрулин из новосибирского Института систем информатики им. А.П. Ершова. Sibernetic — не просто реалистичная “декорация среды”, а важная часть модели, в которой взаимодействуют виртуальное тело нематоды и окружающее вещество, среда, в которой она живет и двигается. Именно за счет этого взаимодействия цифровая нематода шевелится аналогично настоящей.

Сразу же оговоримся: то, что вы видите – не видеосъемка реального животного под микроскопом. И не трехмерная компьютерная анимация, имитирующая внешность и движения червяка, как в каком-нибудь голливудском мультике. Это – частично живой зверь, поклеточная копия созданного природой организма. Искусственная в том смысле, в каком воспеты подобные ей франкенштейны, големы и галатеи. Галатея, изваянная сульптором Пигмалионом, ожила, благодаря его искусству. В случае нематоды скульпторами оказались биологи и программисты, а статуей — крошечный червяк, но сути дела это не меняет: неживое становится живым. И оно шевелится.

Можно ли считать программный код живым червем? Частично — можно, хотя до полноценной живой модели ему еще далековато. Пока что он имитирует лишь двигательные функции одной десятой части всех клеток червяка. Чтобы придать ему больше жизни нужно, помимо прочего, понять, как именно формируются и взаимодействуют сигналы в его относительно несложном протомозге – ансамбле из тех самых трех сотен нервных клеток. Сейчас эти сигналы удается имитировать на довольно низком уровне, у «настоящих» червяков все выглядит сложней. Ведь двигательная функция не самостоятельна, а зависит от массы прочих – от функции размножения (поиск полового партнера), функции приспособления (поиск безопасных условий и еды), функции обучения (распознавание опасности, защита от хищников) и даже общения (несмотря на простоту устройства, нематоды демонстрируют высокий уровень кооперации). Рано или поздно эти функции и кодирующие их сигналы тоже будут расшифрованы и введены в поклеточный конструктор. А мы, подключившись к OpenWorm или аналогичным биовычислительным платформам, будем скачивать в свои компьютеры и гаджеты полноценные живые существа, а не их игрушечные подобия вроде тамагочи.

Миколаш Алеш. Рабби Лёв оживляет Голема. Гравюра, 1899

Впрочем, и первые результаты OpenWorm – это уже прорыв, и ассоциации с Големом тут снова уместны. Согласно легенде рабби Лёв, создатель искусственного глиняного человека, оживлял свое творение, прикрепляя ему на лоб дощечку с начертанными на ней каббалистическими знаками. С этого момента груда мертвой глины превращалась в живого и полезного в хозяйстве Голема, действующего по записанным инструкциям (аналогу компьютерной программы): колол дрова, тесал камни, носил воду или защищал пражских евреев от притеснителей. Так вот: участникам OpenWorm, говоря условно, удалось расшифровать самые первые знаки с каббалистической дощечки – достаточные, чтобы Голем пошевелил руками и ногами. Поднялся и пошел.

Цена полностью расшифрованной «таблички червяка» – пусть самой крошечной и прикрепленной к модели, которая умеет только ползать, охотиться за вкусными бактериями, спариваться и удирать от хищников, – очень и очень высока. Помещенная в гаджет, она позволит ему самостоятельно обороняться от компьютерных вирусов, находить общий язык с другими устройствами, обучаться привычкам и предпочтениям хозяина и адекватно с ним общаться (чего не скажешь о современных компьютерных программах). Вставленная в компьютерную игру она сможет сражаться с живыми монстрами, а не с их условной имитацией. В теле человека она сможет управлять протезом с высокой точностью. В роботе – самостоятельно координировать свои действия с другими.

Похоже, ползучая биологизация – неизбежное будущее программной индустрии, уж чересчур заманчивые опции зашифрованы в таких «табличках», которые управляют и поведением бактерии, и червяка, и человеческого мозга, а могут управлять и чем-то, что создано и собрано руками человека. Она очень многое изменит уже в ближайшем будущем. Когда программа – это живое существо, которое развивалось, накапливало опыт, осваивало ресурсы, училось, к чему-то привыкало (возможно – даже к нам) и боролось за существование, то нажатие кнопки «delete» станет очевидным нарушением одной из заповедей. А команда копипаст – утверждением другой: плодитесь и размножайтесь. Как бы то ни было, червяк уже пошевелился – добро пожаловать в новую эпоху. Главное шоу только впереди.

Старонова синагога в Праге, где по преданию хранятся останки Голема

 

Эпопея компьютерного червяка: еще немного букв для тех, кому важны детали.

Участники OpenWorm не единственные, у кого возникла идея сконструировать живого червяка: учитывая относительную простоту строения и степень изученности животного она витала в воздухе. В конце 90-х в Университете штата Орегон был создана исследовательская группа для разработки компьютерного симулятора нематоды, которая занималась этим вопросом. Тогда же идеей червяка-киборга загорелись японцы – организаторы проекта Kitano Symbiotic Systems, который, впрочем, ни во что существенное не развился. Чуть позже, в середине нулевых, в Хиросимском университете работала другая группа под руководством Мичийо Судзуки, которая опубликовала две подряд статьи про компьютерную симуляцию червя на основе нейромускульной модели нематоды. И тоже исчезла с горизонта.

Между тем, массив данных о физиологии нематоды постоянно пополнялся, а идея искусственного червяка казалась все более легко реализуемой. Техасец Пол Френгер, медик и специалист по биокибернетике, в 2005 году показал, как создать в “железе” упрощенный симулятор нервной и двигательной системы нематоды на базе простейшего программируемого микроконтроллера BASIC Stamp (“народной” микросхемы для любительского программирования игрушечных роботов и прочей доморощенной автоматики). В контроллер загружается код, имитирующий работу одного из участков нервной системы червя, или коннектома – схемы связи всех нервных клеток, которая была полностью описана у нематоды еще в конце 80-х. Код обрабатывает сенсорный сигнал, подаваемый на вход, а на выходе производит моторную команду, то есть имитируют простейшую двигательную реакцию живой системы на внешний раздражитель. Модель вышла грубой, ведь принцип, по которому червячные нейроны обмениваются сигналами и командуют клетками, далеко не ясен. Но она показывает, что синтетический организм -- не абстрактная идея, а вполне реализуемая штука даже на уровне относительно простых и недорогих устройств, доступных техникам-любителям. Постепенно, с пониманием нервной и мускульной машинерии, биологическая точность таких устройств будет повышаться, а их поведение станет практически неотличимым от поведения животных. В предельном случае настанет момент, когда граница между живым и синтетическим исчезнет: искусственное происхождение перестанет быть критерием, отличающие живое от сфабрикованного.

Наконец, совсем недавно коммиссия по науке ЕС выделила грант на конкурента OpenWorm — проект Si Elegans. Последний, объединив сразу несколько университетов - итальянских, ирландских и испанских — должен окончательно расшифровать нервно-мускульную механику червя. Как бы то ни было, первые значимые результаты по созданию цифровых форм жизни получены на рубеже 2014 года все же в рамках открытого сетевого проекта OpenWorm, созданного энтузиастами.

Все материалы Культпросвета