Η ιδέα της δημιουργίας ενός ψηφιακού δίδυμου ενός οργανισμού, και μάλιστα ενός τόσο μικρού και απλού όπως το C. elegans, φαντάζει ακατόρθωτη. Ωστόσο, για τους επιστήμονες του έργου OpenWorm, αυτή η πρόκληση είναι το κλειδί για την κατανόηση της πολύπλοκης σχέσης ανάμεσα στη ζωή, τη βιολογία και την υπολογιστική προσομοίωση. Με στόχο την αποτύπωση της ζωής σε ψηφιακή μορφή, οι ερευνητές προσπαθούν να κατανοήσουν όχι μόνο το μυστηριώδες νευρικό σύστημα του σκουληκιού, αλλά και τις αλληλεπιδράσεις που οδηγούν σε συμπεριφορά.

Παρά τις προόδους, το έργο παραμένει σε μεγάλη απόσταση από την πλήρη επίτευξη του στόχου του, προκαλώντας συζητήσεις γύρω από τη φύση της ζωής και της πληροφορίας. Μέσα από το ταξίδι της προσομοίωσης του C. elegans, εξετάζεται η έννοια του ζωντανού και το πώς η τεχνολογία μπορεί να διευρύνει τις επιστημονικές μας γνώσεις για τη ζωή και τον εγκέφαλο.

Ο Στίβεν Λάρσον είναι συνιδρυτής του OpenWorm, μιας προσπάθειας λογισμικού ανοικτού κώδικα που προσπαθεί, από το 2011, να δημιουργήσει μια προσομοίωση ενός μικροσκοπικού νηματώδους που ονομάζεται Caenorhabditis elegans. Ο στόχος του δεν είναι άλλος από ένα ψηφιακό δίδυμο του πραγματικού σκουληκιού, ακριβές μέχρι το μόριο. Αν το OpenWorm τα καταφέρει, θα είναι το πρώτο εικονικό ζώο – και μια ενσάρκωση όλων των γνώσεών μας όχι μόνο για το C. elegans, που είναι ένα από τα πιο μελετημένα ζώα στην επιστήμη, αλλά και για το πώς οι εγκέφαλοι αλληλεπιδρούν με τον κόσμο για να παράγουν συμπεριφορά: το «ιερό δισκοπότηρο», όπως το θέτει το OpenWorm, της συστημικής βιολογίας.

Δυστυχώς, δεν το έχουν καταφέρει. Η προσομοίωση στον φορητό υπολογιστή παίρνει δεδομένα που προέρχονται από πειράματα που έχουν γίνει με ζωντανά σκουλήκια και τα μεταφράζει σε ένα υπολογιστικό πλαίσιο που ονομάζεται c302, το οποίο στη συνέχεια οδηγεί την προσομοίωση του μυϊκού συστήματος ενός σκουληκιού C. elegans σε ένα ρευστοδυναμικό περιβάλλον – συνολικά, μια προσομοίωση του πώς ένα σκουλήκι σέρνεται προς τα εμπρός σε μια επίπεδη πλάκα από γλίτσα. Χρειάζονται περίπου 10 ώρες υπολογιστικού χρόνου για τη δημιουργία πέντε δευτερολέπτων αυτής της συμπεριφοράς.

Αλλά γιατί, μπροστά σε όλα όσα υπομένει ο επισφαλής κόσμος μας, μπροστά σε όλα τα προβλήματα που υπάρχουν εκεί έξω για να λυθούν, θα ξόδευε κανείς 13 χρόνια προσπαθώντας να κωδικοποιήσει την ύπαρξη ενός μικροσκοπικού σκουληκιού;

Μια απάντηση θα μπορούσε να είναι μια από τις πιο διάσημες ρήσεις του φυσικού Richard Feynman: Δεν καταλαβαίνω ό,τι δεν μπορώ να δημιουργήσω. Για μεγάλο μέρος της ιστορίας της, η βιολογία ήταν μια επιστήμη της αναγωγής, καθοδηγούμενη από την αρχή ότι ο καλύτερος τρόπος για να κατανοήσουμε την απίστευτη πολυπλοκότητα των έμβιων όντων είναι να τα αναλύσουμε στα συστατικά τους μέρη – όργανα, κύτταρα, πρωτεΐνες, μόρια. Αλλά η ζωή δεν είναι ένα ρολόι- είναι ένα δυναμικό σύστημα, και απροσδόκητα πράγματα προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ όλων αυτών των μικρών μερών. Για να κατανοήσεις πραγματικά τη ζωή, δεν μπορείς απλά να την αναλύσεις. Πρέπει επίσης να μπορείς να τη συναρμολογήσεις.

Ο νηματώδης C. elegans είναι ένα μικροσκοπικό σκουλήκι, μόλις όσο το μήκος μιας τρίχας, με λιγότερα από χίλια κύτταρα στο σώμα του. Από αυτά, μόνο 302 είναι νευρώνες – όσο μικρότερος μπορεί να γίνει ένας εγκέφαλος. «Θυμάμαι, όταν γεννήθηκε το πρώτο μου παιδί, πόσο περήφανη ήμουν όταν έφτασε στην ηλικία που μπορούσε να μετρήσει μέχρι τα 302», δήλωσε η Netta Cohen, μια νευροεπιστήμονας υπολογιστικών συστημάτων που διευθύνει ένα εργαστήριο σκουληκιών στο Πανεπιστήμιο του Leeds. Αλλά δεν υπάρχει ντροπή στη μικρότητα, τόνισε η Cohen: Το C. elegans κάνει πολλά με λίγα. Σε αντίθεση με τα πιο δυσάρεστα ξαδέλφια του, δεν είναι παράσιτο, αναθέτοντας τις ανάγκες επιβίωσής του σε μεγαλύτερους οργανισμούς. Αντίθετα, είναι αυτό που οι βιολόγοι αποκαλούν «ελεύθερο ζώο». «Μπορεί να αναπαράγεται, να τρώει, να αναζητά τροφή, να δραπετεύει», δήλωσε η Cohen. «Γεννιέται και αναπτύσσεται, γερνάει και πεθαίνει – όλα μέσα σε ένα χιλιοστό».

Οι άνθρωποι των σκουληκιών, όπως η Cohen, σπεύδουν να σου πουν ότι όχι λιγότερα από τέσσερα βραβεία Νόμπελ έχουν απονεμηθεί για την εργασία πάνω στο C. elegans, το οποίο ήταν το πρώτο ζώο στο οποίο έγινε η αλληλουχία του γονιδιώματος και η χαρτογράφηση των νευρώνων του. Αλλά υπάρχει διαφορά μεταξύ των σχημάτων και του εγχειριδίου λειτουργίας. «Γνωρίζουμε την καλωδίωση- δεν γνωρίζουμε τη δυναμική», δήλωσε η Cohen. «Θα πίστευε κανείς ότι αυτό είναι ένα ιδανικό πρόβλημα για να το λύσει ένας φυσικός ή ένας επιστήμονας υπολογιστών ή ένας μαθηματικός».

Σίγουρα προσπάθησαν. Ο πρώτος προσομοιωτής του C. elegans ήταν ο Sydney Brenner, ο οποίος ανέδειξε το ταπεινό σκουλήκι από τον σωρό της κομποστοποίησης σε επιστημονικό σουπερστάρ με την εργασία-ορόσημο του 1986 «The Structure of the Nervous System of the Nematode Caenorhabditis elegans», ευλαβικά γνωστή στους κύκλους των σκουληκιών ως «Το μυαλό ενός σκουληκιού». Σε ένα εργαστήριο στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας, η ομάδα του Brenner πέρασε 13 χρόνια κόβοντας σχολαστικά σκουλήκια και φωτογραφίζοντάς τα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, βασιζόμενη σε έναν μίνι-υπολογιστή πρώτης γενιάς -το είδος που προγραμματιζόταν με διάτρητη χαρτοταινία- για να ανασυνθέσει τα δεδομένα της σε έναν υποτυπώδη χάρτη του νευρικού συστήματος του σκουληκιού.

Από τότε, κάθε 10 ή 20 χρόνια, οι επιστήμονες πληροφορικής προσπαθούν να επεκτείνουν το έργο του Brenner. Αλλά η βιολογία τείνει να ταπεινώνει γρήγορα τους ανθρώπους των υπολογιστών. Το 2003, ο επιστήμονας υπολογιστών David Harel χαρακτήρισε την προσομοίωση του C. elegans «μεγάλη πρόκληση» για τη βιολογία, ένα πεδίο που θεωρούσε ότι είχε καθυστερήσει μια «εξαιρετικά σημαντική μετάβαση από την ανάλυση στη σύνθεση». Αν και ο Harel είχε σίγουρα δίκιο σε αυτό, δεν κατάφερε ποτέ να μοντελοποιήσει κάτι περισσότερο από το αιδοίο του σκουληκιού -true story.

Από την πλευρά της, η Cohen έχει περάσει το μεγαλύτερο μέρος της 20ετίας δημοσιεύοντας πρωτοποριακά υπολογιστικά μοντέλα που εξηγούν το ημιτονοειδές σύρσιμο του C. elegans καθώς κινείται προς τα εμπρός μέσα από διαφορετικά ιξώδη. Αλλά το πώς το σκουλήκι κινείται προς τα πίσω είναι ένα εντελώς διαφορετικό, άλυτο πρόβλημα – και μην ρωτήσεις καν για το πώς ένα σκουλήκι κινείται προς τα πάνω και προς τα κάτω, ή, εδώ που τα λέμε, γιατί. Όλα τα δεδομένα που έχουμε για τη συμπεριφορά του C. elegans προέρχονται από σκουλήκια σε επίπεδα τριβλία άγαρ. Απ’ όσο ξέρουμε, μπορεί να κάνουν πράγματα εντελώς διαφορετικά στη φύση. «Γιατί όχι;» είπε η Cohen γελώντας. «Είναι βιολογία».

Όταν το OpenWorm ανακοίνωσε τις προθέσεις του το 2011, ο Stephen Larson, ένας μηχανικός που είχε «βρει τη θρησκεία» του στον ανοιχτό κώδικα, πίστευε ότι αν μπορούσε να συγκαλέσει μια ομάδα αφοσιωμένων ερευνητών που ασχολούνταν με τους υπολογιστές για να ασχοληθούν με τη βιολογία, θα μπορούσαν να σημειώσουν σημαντική πρόοδο σε μια προσομοίωση. Δεκατρία χρόνια αργότερα, είναι πιο μετριοπαθής. «Το έργο θα μπορούσε να είναι ένας καθεδρικός ναός», μου είπε ο Larson. «Αν εγώ δεν έχω τη δυνατότητα να το ολοκληρώσω, τότε τουλάχιστον άλλοι άνθρωποι μπορούν να το δουν και να το αξιοποιήσουν».

Η ηγεσία ενός έργου ανοιχτού κώδικα με ελάχιστα χρήματα, για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα, μπορεί να εξαντλήσει ακόμη και τον πιο αφοσιωμένο ιδεαλιστή. Θα μπορούσε να είναι η παραπλανητική πολυπλοκότητα του εγκεφάλου του C. elegans, ο οποίος συνεχίζει να αψηφά την εύκολη σύλληψη. Θα μπορούσε επίσης να είναι απλά κακός συγχρονισμός.

Το OpenWorm δεν κάνει τη δική του έρευνα. Αντίθετα, η ομάδα εθελοντών του προγράμματος συλλέγει από τη βιβλιογραφία του C. elegans, ενσωματώνοντας στην προσομοίωσή τους όποια δεδομένα μπορούν να βρουν. Αυτό σημαίνει ότι εξαρτώνται από εργαστήρια σκουληκιών όπως αυτό της Cohen, τα οποία έχουν αργήσει να παράγουν το είδος των εισροών που είναι πραγματικά χρήσιμες για μια υπολογιστική προσπάθεια. Αλλά κατά την τελευταία δεκαετία περίπου, οι πειραματιστές έχουν ενισχύσει τα μικροσκόπια και έχουν τελειοποιήσει τις γενετικές τεχνικές, παράγοντας περισσότερες και καλύτερες καταγραφές του εγκεφάλου του σκουληκιού καθώς κάνει τις δουλειές του. Ταυτόχρονα, εμφανίστηκαν εργαλεία μηχανικής μάθησης για να βγάλουν νόημα από όλα αυτά τα δεδομένα, και η υπολογιστική ισχύς είναι στα ύψη. Η σύγκλιση αυτή κάνει τον Larson αισιόδοξο. «Όταν βρίσκεσαι σε μια εποχή σχεδόν εκθετικής τεχνολογικής επέκτασης, κάτι που ακούγεται τρελό είναι ίσως εφικτό», είπε.

Η Cohen, που συμμετέχει στην επιστημονική συμβουλευτική επιτροπή του OpenWorm, ρωτήθηκε αν αυτό είναι πράγματι εφικτό. «Λοιπόν, ας ξεκινήσουμε από την παραδοχή ότι είναι», είπε. «Τι πρέπει να κάνουμε;» Η Cohen είναι μία από τους 37 συν-συγγραφείς σε ένα πρόσφατο έγγραφο γνώμης που περιγράφει ένα νέο σχέδιο: Να χρησιμοποιήσουμε τεχνολογία γενετικής απεικόνισης για να ενεργοποιήσουμε έναν προς έναν κάθε νευρώνα στο νευρικό σύστημα του σκουληκιού, μετρώντας την επίδρασή του στους άλλους 301. Επαναλαμβανόμενη εκατοντάδες χιλιάδες φορές σε παράλληλα πειράματα, αυτή η μεθοδική διαδικασία θα πρέπει να συγκεντρώσει αρκετά δεδομένα για να δώσει στους υπολογιστές, επιτέλους, κάτι για να δουλέψουν – αρκετά, ακόμη και για να «αντιστρέψουν» πλήρως το σκουλήκι.

Πρόκειται για μια φιλόδοξη πρόταση, η οποία θα απαιτήσει ένα πρωτοφανές επίπεδο συνεργασίας μεταξύ περίπου 20 διαφορετικών εργαστηρίων σκουληκιών. Ο Gal Haspel, ένας υπολογιστικός νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Νιου Τζέρσεϊ και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας για την αντίστροφη μηχανική, εκτιμά ότι η πραγματοποίησή της μπορεί να διαρκέσει έως και 10 χρόνια, να κοστίσει δεκάδες εκατομμύρια δολάρια και να απαιτήσει περίπου 100.000 έως 200.000 πραγματικά σκουλήκια. Στην πορεία, θα παραχθούν περισσότερα δεδομένα για το C. elegans από όσα έχουν συλλεχθεί σε όλη την επιστήμη μέχρι σήμερα. Και τι, στο τέλος, θα έχουν να επιδείξουν οι αντίστροφοι μηχανικοί; «Όλους αυτούς τους ανθρώπους και όλους αυτούς τους υπολογιστές», δήλωσε ο Haspel. «Και στο τέλος θα καταλήξουμε να κάνουμε αυτό που μπορεί να κάνει ένα μικρό ζωάκι αυτή τη στιγμή».

Είναι δηκτικός. Ο Haspel συνέκρινε επίσης το έργο με ένα moonshot της NASA: Είναι το είδος του εγχειρήματος που οδηγεί την τεχνολογία προς τα εμπρός, ωθώντας τους μηχανικούς να κατασκευάσουν καλύτερα εργαλεία και τους επιστήμονες να συνεργαστούν. Η προσομοίωση του σκουληκιού είναι μια ευκαιρία, πιστεύει ο Haspel, για ένα νέο είδος επιστήμης, που καθοδηγείται από την αυτοματοποίηση, τα μεγάλα δεδομένα και τη μηχανική μάθηση. Και παρόλο που το τελικό προϊόν είναι μόνο ένα σκουλήκι, και μάλιστα ένα ακριβό και αναποτελεσματικό – κατά μία έννοια το πιο εξελιγμένο Tamagotch στον κόσμο – μπορεί να αποτελέσει ένα σκαλοπάτι προς την κατανόηση πιο πολύπλοκων νευρικών συστημάτων και τελικά, κάποια μέρα, του ανθρώπινου μυαλού.

Το περασμένο καλοκαίρι, ένας προγραμματιστής crypto δημοσίευσε ένα κινούμενο GIF στο X με ένα εικονικό σκουλήκι C. elegans να κάνει βόλτες σε ένα παράθυρο στην οθόνη. Το animation δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα που είναι ελεύθερα διαθέσιμος στο GitHub του OpenWorm. «Αν ο πίνακας του σκουληκιού τρέχει στο δικό μου Mac M1», ανέφερε χαρακτηριστικά, «ποιες είναι οι πιθανότητες να βρισκόμαστε στην πραγματικότητα στη βασική πραγματικότητα;». Ίσως είμαστε εμείς τα σκουλήκια, εννοούσε – και, σε ένα κοσμικό MacBook σε κάποιο ανώτερο επίπεδο της πραγματικότητας, κάποιος μας τρέχει. Η ανάρτηση έγινε viral- στον Elon Musk, φυσικά, άρεσε.

Ο διευθυντής του προγράμματος OpenWorm, Padraig Gleeson, υπολογιστικός νευροεπιστήμονας στο University College του Λονδίνου, σημείωσε: «Κάποιοι άνθρωποι έρχονται σε αυτό επειδή θέλουν φιλοσοφικές συζητήσεις για τέτοιου είδους πράγματα. Αυτό είναι μια χαρά», είπε. «Η προτεραιότητά μου είναι ότι θα ήταν πολύ ωραίο να εξετάσουμε πραγματικά τη βιολογία».

Ο Gleeson ενδιαφέρεται λιγότερο για την κατασκευή του Überworm παρά για μια πλατφόρμα που συσσωρεύει μικρότερα, πιο λεπτομερή μοντέλα του βιολογικού μηχανισμού του C. elegans. Η υπολογιστική μοντελοποίηση είναι κοινή πρακτική στη βιολογία- είναι ένας ανέξοδος τρόπος κωδικοποίησης και δοκιμής θεωριών ως «πειράματα σκέψης» προτού βγουν οι πλάκες άγαρ και η τροφή των σκουληκιών.

Συνήθως, τα βιολογικά μοντέλα αφορούν κάποια μικρή πτυχή του οργανισμού που μελετάται – μια χούφτα νευρώνες, ας πούμε, που οδηγούν την κίνηση προς τα εμπρός. Όταν πρόκειται για μοντελοποίηση, δεν θέλουμε ο χάρτης να είναι τόσο καλός όσο η περιοχή. Αυτό θα αναιρούσε τον σκοπό, εξηγεί ο Eduardo Izquierdo, ένας υπολογιστικός νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Rose-Hulman που επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση σκουληκιών. «Ψάχνουμε για κάτι που θα μας βοηθήσει να σκεφτούμε τα πράγματα».

Κανείς δεν θα μπέρδευε ένα βιολογικό μοντέλο με το πραγματικό. Αλλά μια πλήρης προσομοίωση ανοίγει ένα πολύ διαφορετικό κουτί με σκουλήκια. Για να δανειστώ την αναφορά του Izquierdo, είναι ένας χάρτης τόσο καλός όσο και η περιοχή – και ως τέτοιος, προσκαλεί νέες εικασίες σχετικά με τη φύση αυτής της περιοχής, για να μην πούμε τίποτα για την ίδια τη ζωή. Αν ένα μοντέλο βοηθά τους επιστήμονες να απαντήσουν σε ερωτήματα, μια προσομοίωση τα δημιουργεί. Όπως, τι διαχωρίζει ένα εικονικό σκουλήκι από το ζωντανό συγγενή του, αν τα δύο είναι πανομοιότυπα μέχρι το μόριο;

Όπως το βλέπει ο Larson, μια πλήρως πιστή προσομοίωση σκουληκιού θα είναι ένα γεγονός που θα διευρύνει την κατηγορία: Αντί να ακυρώσει την τρέχουσα κατανόησή μας για τη ζωή, θα μπορούσε να τη διευρύνει. «Αν θέλουμε να πούμε ότι η ζωντάνια μπορεί να ικανοποιηθεί μόνο από συστήματα φυσικών μορίων που υπάρχουν φυσικά με μάζα στον πλανήτη, κάτι σε έναν υπολογιστή που δεν έχει φυσικά μόρια δεν μπορεί να είναι ζωντανό», είπε. «Αλλά αν επεκτείνουμε τον ορισμό της ζωντάνιας ώστε να αφορά περισσότερο την πληροφορία, τότε ίσως υπάρχει μια εκδοχή της ζωντάνιας που θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε σε ένα προσομοιωμένο ζώο. Και τότε το ερώτημα είναι, έχει σημασία;»

Μάλλον έχει. Η ζωή είναι πληροφορία, αλλά είναι και κάτι περισσότερο – κάτι που νιώθουμε πιο έντονα όταν φεύγει. Ίσως υπό αυτό το πρίσμα, η ρήση του Feynman δεν θα έπρεπε να τροποποιηθεί. Δεν είναι ότι η δημιουργία γεννά την κατανόηση, ακριβώς. Είναι ότι μόνο προσπαθώντας να ξαναδημιουργήσουμε τη ζωή μπορούμε να καταλάβουμε πόσο αναντικατάστατη είναι.

Με πληροφορίες από wired

Tags