Живой интерес

Interfax-Russia.ru – Новосибирские ученые намерены создать первую в мире виртуальную модель живого организма.

Не секрет, что ученые всего мира давно мечтают создать искусственный организм, полностью повторяющий строение и реакции живого существа. Подобные опыты ведутся уже не первый год и в Новосибирске. Здесь совместно с зарубежными коллегами над созданием компьютерной модели организма круглого червя (нематоды) трудятся ученые Института систем информатики СО РАН имени А.П.Ершова.

"Многие научные коллективы работали и работают над этой задачей, однако до ее решения остается еще далеко. Их главная проблема состоит в том, что обычно задачей занимаются небольшие команды с той или иной специализацией. А в данном случае явно требуется объединение усилий экспериментаторов и теоретиков, специалистов в области нейробиологии, биофизики, кибернетики, компьютерного моделирования, программирования, высокопроизводительных вычислений. Мы понимали это и с самого начала старались идти на контакт с коллегами по задаче, в результате чего в начале 2011 года и появился международный проект OpenWorm, объединивший специалистов из США, Англии, Италии, Ирландии и России", - рассказал научному порталу strf.ru один из авторов проекта, ученый секретарь Института систем информатики имени А.П.Ершова СО РАН Андрей Пальянов.

По его словам, в настоящее время специалисты сосредоточены на воспроизведении мышечной, нервной и сенсорной систем беспозвоночного.

"На сегодня у нас практически завершена новая модель тела червя, оснащенного мышечной системой. В нашу модель включена и водонепроницаемая, заполненная жидкостью под давлением оболочка тела (его гидростатический скелет); и мышечные клетки, каждая из которых расположена на своем месте и представлена десятками мышечных волокон; и модель реалистичного внешнего окружения, позволяющая включать твердые, эластичные и жидкие объекты и учитывающая все основные силы: вязкость, трение, поверхностное натяжение, гравитацию и другое", - рассказал ученый.

В модели нервной системы специалисты планируют отразить не только нервные импульсы, но и химические межклеточные сигналы, также играющие большую роль в регуляции работы организма. Иными словами, виртуальный организм будет "чувствовать" прикосновения, температуру, а также реагировать на химический состав среды и свет.

"В результате можно будет получить нервную систему, работающую так же, как биологическая. По крайней мере, она должна воспроизводить поведение живой системы в каких-то тестовых ситуациях", - уточнил он агентству "Интерфакс-Сибирь".

По словам ученого, для того чтобы понять, как устроена нервная система червя, насчитывающая 302 нейрона (против 86 миллиардов у человека), специалисты разрезали замороженную нематоду на тысячи микроскопических слоев в разных плоскостях, сфотографировали и оцифровали. В результате появилась схема, которая полностью описывает живой аналог. Впрочем, над ней ученым, похоже, еще предстоит поработать.

"Мы знаем все нейроны, но как они соединяются друг с другом, где эти нейроны расположены, мы не знаем. А это очень важно, так как при передаче данных сигнал от нейрона к нейрону затухает с расстоянием", - рассказал младший научный сотрудник Института систем информатики СО РАН Сергей Хайрулин.

Впрочем, другие особенности строения нематоды для ученых секретом уже давно не являются. За годы исследований круглый червь был изучен уже вдоль и поперек своего миллиметрового тела. Ученые полностью установили последовательность его ДНК, включающую около 20 тыс. генов и проследили судьбу каждой из чуть менее тысячи клеток, составляющих его организм.

"Все, что касается физической модели червя, находится в составе единой программной системы и представляется в виде частиц того или иного типа (жидкость, эластичное или твердое тело) и связей между ними. Группы соседних частиц могут быть соединены непроницаемой мембраной, не пропускающей все остальные частицы через заданную плоскость. Эта наша разработка позволила эффективно моделировать замкнутые эластичные оболочки, заполненные жидкостью, будь то клеточная мембрана или оболочка тела червя", - сказал Андрей Пальянов.

Вместе с тем, ученый отметил, что задачей OpenWorm является разработка детальной, вплоть до клеточного уровня, действующей модели нематоды. Цель же всего проекта – получение фундаментальных знаний о принципах работы нервной системы как целого, в условиях, приближенных к естественным.

"С помощью средств 3D-визуализации исследователи смогут в мельчайших деталях наблюдать как саму нейронную и мышечную активность, так и их результат – поведение виртуальной нематоды. Это позволит выйти на совершенно новый, значительно более эффективный и комфортный уровень "отладки" работы той или иной предложенной модели нервной системы, а открытый исходный код позволит любому коллективу исследователей использовать нашу разработку", - пояснил один из авторов проекта.

Также, по мнению ученого, воссоздание в виртуальном пространстве живого организма пусть даже простого червя может пригодиться и при моделировании, например, кровеносной системы или сердечной мышцы человека, а также имеет большое значение в контексте решения проблемы искусственного разума.

"Если раньше под искусственным разумом понималось создание некоего устройства, которое должно было работать, исходя из имеющихся представлений о том, как мог бы действовать разум, то сейчас тенденция такова, что строится максимально близкая к естественному объекту модель. Если модель заработает, значит, все понято правильно", - сказал Пальянов.

По его словам, моделированием человеческого организма сегодня осуществляется в рамках таких серьезных проектов как The Human Brain Project и The Human Connectome Project.

"Но надо помнить, что у червя всего 302 нейрона, у человека же, по последним данным, – более 86 миллиардов. При этом каждый нейрон образует от тысячи до десяти тысяч связей с другими клетками. Так что моделирование нервной системы человека – это, конечно, "журавль в небе", а вот нематоды – это та "синица", которая у нас уже скоро будет в руках", - отметил специалист.

Впрочем, о конкретных сроках реализации проекта пока говорить еще рано. По словам ученого, в настоящее время в Институте систем информатики ждут компьютерного "перевооружения". В ближайшее время в распоряжении ученых должен поступить мощный компьютер. Скорость вычислений увеличится в разы. Но учитывая даже это обстоятельство, чтобы подарить компьютерному червю жизнь, понадобится еще не менее десяти лет.

Обозреватель Наталья Пономарева

Присоединяйтесь к Interfax-Russia в "Twitter‘е", "Вконтакте" и на "Facebook"