Одним из самых простых и вдоль и поперёк изученных организмов в мире является нематода C. elegans. В течение 13 лет проект под названием OpenWorm пытался смоделировать его — и полностью провалился

Сильный ветер Санта-Ана уже дул на улице, когда я запустил на своём компьютере первую симуляцию червя. Я не хакер, но это было достаточно просто: открыть терминал, вставить несколько команд из GitHub, наблюдать, как символы каскадом падают по экрану. Прямо как в кино. Я просматривал проходящий код в поисках знакомых слов — нейрон, синапс — когда друг пришёл за мной, чтобы пойти поужинать. «Секунду, — крикнул я из своего кабинета. — Я тут запускаю червя на своём компьютере».

В корейском ресторане царила сумасшедшая атмосфера; ветер сгибал пальмы пополам и гонял тележки по парковке. Атмосфера казалась напряжённой и нереальной, как подкаст на двойной скорости. «Ты что, занимаешься киберпреступностью?» — спросил мой друг. Я попытался объяснить через шум: «Нет, не червь, как Stuxnet. Червь, как у Ричарда Скарри» [Ричард Скарри – известный американский иллюстратор детских книжек, одна из которых называется «Приключения обыкновенного червяка» / прим. перев.].

К тому времени, когда я вернулся домой, уже стемнело, и первые искры пожаров уже упали на Альтадену. На моём ноутбуке, в объёмном пиксельном поле, меня ждал червь. Заострённый с обоих концов, он парил в тумане частиц, жутко прямой и неподвижный. Конечно, он не был живым. Но всё равно он казался мне мертвее мёртвого. «Браво, — сказал Стивен Ларсон, когда я связался с ним позже тем же вечером. — Вы дошли до состояния „hello world“ в симуляции».

Ларсон является соучредителем OpenWorm, проекта по созданию программного обеспечения с открытым исходным кодом, который с 2011 года пытается построить компьютерную симуляцию микроскопической нематоды под названием Caenorhabditis elegans. Его цель — ни больше ни меньше, как создать цифровой двойник реального червя, с точностью до молекулы. Если OpenWorm удастся это сделать, то это будет первое виртуальное животное — и воплощение всех наших знаний не только о C. elegans, одном из наиболее изученных животных в науке, но и о том, как мозг взаимодействует с миром, чтобы формировать поведение: «святой Грааль», как его называет OpenWorm, системной биологии.

К сожалению, им это пока не удалось. Симуляция на моём ноутбуке берёт данные, полученные в ходе экспериментов с живыми червями, и преобразует их в вычислительную структуру под названием c302, которая затем управляет симулированной мускулатурой червя C. elegans в жидкостной динамической среде — в целом, это симуляция того, как червь извивается вперёд на плоской пластине, с намазанной на неё липкой субстанцией. Для генерации пяти секунд такого поведения требуется около 10 часов вычислительного времени.

За 10 часов может произойти многое. Уголёк может переместиться с подножия холмов в спящий город под действием ветра. В ту ночь, по совету Ларсона, я подкорректировал временные параметры симуляции, выйдя за пределы «hello world» и углубившись в зловещую долину червя. На следующее утро я проснулся в жуткой оранжевой дымке, и когда я открыл свой ноутбук, ещё не проснувшись окончательно, две вещи заставили моё сердце замереть: Лос-Анджелес был в огне. И мой червь сдвинулся.

На этом этапе вы, возможно, задаёте себе вполне разумный вопрос. В корейском ресторане, между кусочками панчханов, мой друг тоже задал его. Вопрос таков: «э-э-э... а зачем?» Зачем, учитывая всё, что переживает наш хрупкий зелёный мир, учитывая все проблемы, которые нужно решить, кто-то потратил 13 лет на то, чтобы запрограммировать микроскопического червя?

В качестве ответа я приведу одно из самых известных высказываний физика Ричарда Фейнмана: «То, что я не могу создать, я не понимаю». На протяжении большей части своей истории биология была редукционистской наукой, руководствующейся принципом, что лучший способ понять поразительную сложность живых организмов — это разложить их на составные части: органы, клетки, белки, молекулы. Но жизнь — это не часовой механизм, а динамическая система, и из взаимодействия всех этих маленьких частей возникают неожиданные вещи. Чтобы по-настоящему по��ять жизнь, нельзя просто разложить её на части. Нужно уметь собрать её обратно.

Нематода C. elegans — это крошечный червь, длиной едва ли больше ширины волоса, с менее чем тысячей клеток в теле. Из них только 302 являются нейронами — это практически самый маленький мозг, который только может быть. «Я помню, как гордилась, когда мой первый ребёнок достиг возраста, в котором он мог считать до 302», — говорит Нетта Коэн, компьютерный нейробиолог, которая руководит лабораторией по изучению червей в Университете Лидса. Но в маленьком размере нет ничего постыдного, подчёркивает Коэн: C. elegans делает многое, имея мало. В отличие от своих более неприятных сородичей, он не является паразитом, передающим свои потребности в выживании более крупным организмам. Напротив, он является тем, что биологи называют «свободноживущим» животным. «Он может размножаться, он может есть, он может добывать пищу, он может убегать, — говорит Коэн. — Он рождается, развивается, стареет и умирает — и всё это в пределах миллиметра».

Люди, занимающиеся изучением червей, такие как Коэн, сразу же расскажут вам, что не менее четырёх Нобелевских премий было присуждено за работу над C. elegans, который был первым животным, у которого был секвенирован геном и составлена карта нейронов. Но есть разница между схемами и инструкцией по эксплуатации. «Мы знаем схему подключения, но не знаем динамику, — сказал Коэн. — Можно подумать, что это идеальная задача для физика, компьютерного учёного или математика».

Они, безусловно, пытались. Первым исследователем C. elegans был Сидней Бреннер, который поднял скромного червя из компостной кучи до научной суперзвёзды благодаря своей знаковой статье 1986 года «Структура нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans», известной в кругах исследователей червей как «Разум червя» [The Mind of a Worm]. В лаборатории в Кембридже, Англия, команда Бреннера провела 13 лет, кропотливо разрезая червей и фотографируя их через электронный микроскоп, полагаясь на мини-компьютер первого поколения — такой, который программировался с помощью перфоленты — чтобы восстановить свои данные в виде элементарной карты нервной системы червя.

С тех пор каждые 10–20 лет компьютерные учёные пытались развить работу Бреннера. Но биология, как правило, быстро умеряет амбиции компьютерщиков. В 2003 году компьютерный учёный Дэвид Харел объявил симуляцию C. elegans «великим вызовом» для биологии, области, которая, по его мнению, давно нуждалась в «чрезвычайно важном переходе от анализа к синтезу». Хотя Харел, безусловно, был прав в этом, ему так и не удалось смоделировать ничего, кроме вульвы червя (серьёзно).

Со своей стороны, Коэн провела большую часть последних 20 лет, публикуя революционные вычислительные модели, которые объясняют синусоидальное извивание C. elegans, когда он продвигается вперёд через различные вязкие среды. Но то, как червь движется назад, — это совершенно другая, нерешённая проблема, и даже не спрашивайте, как червь движется вверх и вниз, или, если на то пошло, почему. Все данные, которые у нас есть о поведении C. elegans, получены от червей в плоских агаровых чашках. Насколько мы знаем, в дикой природе они могут вести себя совершенно иначе. «Почему бы и нет? — сказала Коэн со смехом. — Это же биология».

Когда OpenWorm объявил о своих намерениях в 2011 году, Стивен Ларсон, инженер, который «обрёл веру» в открытый исходный код, полагал, что если ему удастся собрать группу преданных своему делу исследователей в области вычислений, чтобы заняться биологией, они смогут добиться значительного прогресса в моделировании. Тринадцать лет спустя он ведёт себя поскромнее. «Этот проект может стать моим кафедральным собором, — сказал мне Ларсон. — Если я не смогу его завершить, то по крайней мере другие люди смогут увидеть его и развивать дальше».

Возможно, это говорит усталость: руководство проектом с открытым исходным кодом с минимальным бюджетом в течение любого периода времени может измотать даже самого преданного идеалиста. Возможно, это обманчивая сложность мозга C. elegans, который по-прежнему не поддаётся простому изучению. А может быть, это просто неудачное время.

OpenWorm не проводит собственных исследований. Вместо этого группа волонтёров проекта отбирает информацию из литературы по C. elegans и интегрирует в свою симуляцию все данные, которые удаётся найти. Это означает, что они зависят от лабораторий по изучению червей, таких как лаборатория Коэна, которые медленно производят данные, реально полезные для вычислительных задач. Но за последнее десятилетие экспериментаторы усовершенствовали микроскопы и генетические методы, что позволило получить больше более качественных записей о работе мозга червя. В то же время появились инструменты машинного обучения, позволяющие осмыслить все эти данные, а вычислительная мощность достигла невероятных высот. Это сближение областей вселяет в Ларсона надежду. «В эпоху почти экспоненциального технологического роста то, что казалось безумным, может оказаться вполне осуществимым», — сказал он.

Я спросил Коэн, которая входит в научный консультативный совет OpenWorm, действительно ли это осуществимо. «Предположим, что это возможно, — ответила она. — Тогда что нам для этого нужно сделать?» Коэн — одна из 37 соавторов недавней статьи, в которой излагается новый план: использовать технологию генетической визуализации, чтобы активировать каждый нейрон в нервной системе червя по одному, измеряя его влияние на остальные 301. Повторяя этот методичный процесс сотни тысяч раз в параллельных экспериментах, можно собрать достаточно данных, чтобы наконец дать специалистам по вычислениям материал для работы — этого даже достаточно для полного «реверс-инжиниринга» червя.

Это амбициозное предложение, которое потребует беспрецедентного уровня сотрудничества между примерно 20 различными лабораториями, занимающимися изучением червей. Гал Хаспел, компьютерный нейробиолог из Технологического института Нью-Джерси и ведущий автор статьи по обратному инжинирингу, оценивает, что для его реализации может потребоваться до 10 лет, десятки миллионов долларов и от 100 000 до 200 000 живых червей. В ходе этого процесса будет собрано больше данных о C. elegans, чем было собрано во всей науке на сегодняшний д��нь. И что, в конце концов, смогут показать специалисты по реверс-инжинирингу? «Все эти люди и все эти компьютеры, — сказал Хаспел. — И в итоге мы сделаем то, что сейчас может сделать одно маленькое животное».

Он иронизирует. Хаспел также сравнил проект с полётом НАСА на Луну: это тот вид деятельности, который продвигает технологию вперёд, подталкивая инженеров к созданию лучших инструментов, а учёных — к совместной работе. По мнению Хаспела, симуляция червя — это возможность для нового вида науки, основанной на автоматизации, больших данных и машинном обучении. И хотя конечный продукт — всего лишь червь, причём дорогой и неэффективный — в некотором смысле самый сложный в мире тамагочи — он может стать ступенькой к пониманию более сложных нервных систем и, в конечном итоге, человеческого разума.

Прошлым летом разработчик криптовалюты опубликовал на X анимированный GIF-файл с виртуальным червём C. elegans, прыгающим по экрану. Анимация была создана с помощью того же кода, который я запустил на своём ноутбуке и который доступен бесплатно на GitHub OpenWorm. «Если матрица червя работает на моём M1 Mac, — заявил он, — каковы шансы, что мы действительно находимся в базовой реальности?» Возможно, мы и есть черви, имел он в виду, и на космическом MacBook на каком-то более высоком уровне реальности кто-то управляет нами. Пост стал вирусным; Илону Маску, конечно же, он понравился.

Когда я упомянул матрицу червей директору проекта OpenWorm, Падраигу Глисону, компьютерному нейробиологу из Университетского колледжа Лондона, он заметно поморщился. «Некоторые люди приходят к этому, потому что хотят философских дискуссий на эту тему. Это нормально, — сказал он. — Мой приоритет — было бы очень хорошо посмотреть на биологию».

Глисон — это Воз для Ларсона-Джобса: он меньше заинтересован в создании «суперчервя», чем в платформе, которая объединяет более мелкие, более детализированные модели биологического механизма C. elegans. Компьютерное моделирование — обычная практика в биологии; это недорогой способ кодировать и тестировать теории в виде «мысленных экспериментов», прежде чем приступать к агаровым чашкам и корму для червей. Обычно биологические модели касаются какого-то небольшого аспекта исследуемого организма — например, нескольких нейронов, отвечающих за передвижение. Когда речь заходит о моделировании, «мы не хотим, чтобы карта была такой же хорошей, как территория. Это противоречило бы цели», — объясняет Эдуардо Изкиердо, вычислительный нейробиолог из Технологического института Роуз-Халман, специализирующийся на моделировании червей. «Мы ищем что-то, что поможет нам обдумать известное нам».

Никто не спутает биологическую модель с реальным объектом. Но полноценная симуляция открывает совсем другую банку с червями [английский фразеологизм, означающий создание сложной ситуации с новыми, неожиданными проблемами / прим. перев.]. Если использовать выражение Изкиердо, это карта, которая так же хороша, как и территория, и как таковая она вызывает новые спекуляции о природе этой территории, не говоря уже о самой жизни. Если модель помогает учёным ответить на вопросы, то симуляция их поднимает. Например, что отличает виртуального червя от его живого сородича, если они идентичны вплоть до молекулярного уровня?

По мнению Ларсона, полностью точная симуляция червя станет событием, расширяющим границы категории: вместо того, чтобы опровергнуть наше нынешнее понимание жизни, она может его расширить. «Если мы хотим сказать, что жизнь может быть реализована только системами физических молекул, которые физически существуют на планете, то что-то в компьютере, не имеющее физических молекул, не может быть живым», — сказал он. «Но если мы расширим наше определение жизни, чтобы оно больше касалось информации, то, возможно, существует версия жизни, которую можно применить к симулированному животному. И тогда возникает вопрос: имеет ли это значение?»

Я думаю, что это имеет значение. Жизнь — это информация, но это ещё и нечто большее — то, что мы ощущаем наиболее остро, когда её нет. Мне интересно, не следует ли в свете этого изменить высказывание Фейнмана. Дело не в том, что творение порождает понимание. Дело в том, что только пытаясь воссоздать жизнь, мы можем понять, насколько она незаменима.

Конечно, я говорю это, потому что меня окружает разрушение. Воздух сейчас токсичен, и хлопья белого пепла забились во все щели дома. На краю зоны эвакуации, достаточно близко, чтобы чувствовать запах дыма, я отвлекаюсь, запуская всё больше и больше прото-симуляций C. elegans. Наблюдая за ними, я не могу не удивляться тому, как легко уничтожить жизнь и как трудно её создать. Достаточно одной искры, чтобы за одну ночь сжечь вековые достижения, но чтобы заставить виртуального червяка продвинуться на один жалкий сантиметр? Это работа десятилетий, и она может никогда не закончиться.