OpenWorm - первый виртуальный организм

OpenWorm – это проект с открытым исходным кодом, целью которого является создание виртуального червя нематоды. Вики и код находятся на GitHub, поэтому каждый желающий может скачать исходники и вносить свои правки. Что делает этот проект отличным от всех остальных попыток создать виртуальный организм, так это то, что его развитие начинается с данных научных экспериментов и заканчивается построением целого червя – клетка за клеткой.

Фейнман сделал открытое утверждение, что понимание чего-либо не является вступлением в психическое состояние нового знания, это скорее физический процесс построения [знания]. Несмотря на многолетние исследования, принципиальное понимание крошечных аскарид все еще ускользает от ученых. Понимая достаточную сложность червя низшего уровня и создавая модель подобия его среды обитания, исследователи ожидают спонтанно возникающего червеобразного поведения сообразно экспериментальным данным.

С помощью всего лишь тысячи клеток реальный червь решает основные проблемы питания, установления социальных контактов и избегания хищников. Его мозг состоит из 302 нейронов, и все их взаимодействия были ранее подробно описаны другими исследователями. Если использовать это взаимодействие в качестве отправной точки, можно описать комплексную модель, объясняющую отделы каждого нейрона и синоптические связи между ними.

Автономная модель червя – это всего лишь стерильное воспроизведение реального прототипа. Ее преимущество заключается в том, что хорошая модель потенциально может быть больше организма, который она воспроизводит. Ради спора мы могли бы вообразить добавление сети из 50 дополнительных нейронов в червя и попытаться обучить его самостоятельно нанизываться на крючок при соответствующих условиях или стимулах.

Проведение такого рода операций в программном обеспечении может проходить существенно быстрее, чем в случае с реальным червем. По крайней мере, на данный момент проект OpenWorm не моделирует развитие и не использует информацию, взятую из реального генома червя. Однако он уже содержит сложное программное обеспечение.

В процессе развития проекта OpenWorm была разработана модульная платформа Java OSGi, известная как Geppetto, с тем, чтобы сделать возможным масштабное интерактивное моделирование биологических систем. Эта модульная платформа имеет встроенный визуализатор WebGL, который работает прямо в браузере.

Браузер OpenWorm позволяет получить доступ к трехмерному представлению червя, клетка за клеткой. Связь описывается с помощью языка NeuroML, который задействует оптимизирующий механизм, использующий генетические алгоритмы для заполнения пробелов в физиологии червя, включая моделирование мышц.

В рамках проекта также используется алгоритм гидродинамики сглаженных частиц для моделирования взаимодействия тела и окружающей среды с помощью графических процессоров. Изначально разработанный на языке C++ с визуализацией OpenGL, он был затем перенесен на Java в качестве комплекта для Geppetto.

Как мы можем представить себе создание самонасаживающегося червя?

В реальном мире существует один-единственный механизм перепрограммирования нервно-контролируемого поведения извне – это вирусная инфекция. Литература изобилует примерами того, как вирусы заставляли муравьев подниматься на вершины высоких травинок, чтобы быть съеденными и, таким образом, передать вирус следующему адресату.

То же самое касалось заражения мышей с целью атрофировать у них чувство страха – и они попадались в лапы котов. По сути, вирус – это просто удобный способ упаковки молекулярных агентов, которые используются для изменения уже существующей модели поведения.

Однако потребность в вирусном преобразовании поведения может быть излишней в моделировании. Можно, например, представить разведение или программирование червей с гиперфункцией передачи железа с целью накопления его или других металлов в крови.

После многочисленных итераций по кормлению червей продуктами, насыщенными железом, и воздействию на них острыми предметами, в некоторых случаях мы могли бы прийти к [самостоятельному] прибеганию к терапевтическим методам кровопускания, которые так ценились врачами каменного века.

Эти ребята могли бы избавиться от избыточного железа и пользовались бы уважением среди потенциальных приятелей за уникальный талант к выживанию.

В среде моделирования, которая включает генетику и селекцию, можно было бы сделать самостоятельное насаживание на крючок чем-то большим, чем простым механизмом для предотвращения гемохроматоза (медицинский термин, обозначающий избыток железа).

Это может превратиться в смысл существования червя. Хотя это явное извращение природы приведено только для примера (нематода очень крошечная), оно наглядно иллюстрируют действенность такого подхода. Недавно мы наблюдали замечательный эффект моделирования, показанный с помощью технологии Nvidia’s PhysX.