Kompletní simulace živého organismu pomocí počítače

Karel Javůrek  |  Technika

Vědcům se podařilo uskutečnit průlom v oblasti zkoumání organismů a jejich života. Poprvé se vše podařilo simulovat na počítači.

To, co rozlišuje živou a neživou hmotu, není složení, ale uspořádání a logické operace na vyšší úrovni hmoty. O tom, že tato hranice vlastně není tak jednoznačná a oddělitelná, se již v poslední době objevují jasné podklady a testy.

IBM slibuje, že bude mít k dispozici tak výkonný superpočítač, který přibližně v roce 2020 dokáže simulovat celý jeden lidský mozek. Taková revoluce v historii našeho druhu i celé planety a nejbližšího vesmíru však nebude z ničeho nic.

K dosažení milníků se postupuje skrze jednotlivé kroky, které se postupně škálují a prohlubují. O jeden zásadní krok se postarali vědci ze Stanfordské univerzity, kteří se pokusili kompletně zrekonstruovat jednoduchý organismus pomocí počítače, respektive počítačového programu tvořeného algoritmy.

Jako základní organismus použili jednoduchou bakterii Mycoplasma genitalium, jejíž genom je tvořen 521 geny a 582 970 párovacími bázemi. Takový člověk má 20–25 tisíc genů a 3,1–3,2 miliard bází.

Bakterie žijící v počítači

V DNA je ukryt v zakódované podobě celý program pro tvorbu organismu; stejně jako kdyby to byl počítačový kód. V jednotlivých částech jsou ukryty instrukce pro replikaci DNA, opravu, přenos energie a další části potřebné pro „běh organismu“.

Vědci již v minulosti s touto bakterii experimentovali, teprve nyní ale dokázali simulovat celý její životní cyklus. Biologové a programátoři analyzovali data z devíti set publikací a vytvořili počítačový model celého organismu a jeho molekulárních částí (celkem 1 900 parametrů).

Pomocí objektového programování a MATLABu dokázali spustit simulaci interakce 28 kategorií molekul včetně proteinů, RNA, DNA a dalších prvků. Simulace běžela na výkonném serveru s Linuxem a se 128 procesorovými jádry. Trvala přibližně deset hodin a vygenerovala 500 MB dat.

Výsledkem bylo úspěšné rozpoznání fenotypu, přesné vytvoření organismu ze základních dat. Jinými slovy 100% simulace, nebo chcete-li věrná virtuální kopie.

Dokonce se podařilo získat odpovědi na různé biologické otázky, které předtím nebylo možné zjistit ze sledování organismu v reálném prostředí. Vědci již znají například délku cyklu v jednotlivých stádiích vývoje buněk.

Podívejte se na video: bioinženýrství a budoucí přesun výzkumu do počítačových modelů.

Otázka času

Průlom v oblasti simulace sice jednoduchého, ale z jiného pohledu také komplexního živého organismu pouze ukazuje směr, kterým naše vědění o fungování všeho postupuje.

Už dávno si nemá cenu klást otázku, zda je možné simulovat mozek. Otázkou pouze je, zda se to stihne v roce 2020 či o pár let dříve nebo později. Samozřejmě, že člověk je mnohem náročnější „kalibr“ na simulaci, ale postup ve vědě je díky stále většímu výpočetnímu výkonu exponenciální.

Lidský mozek má v této oblasti velmi špatnou představivost. Stačí si připomenout sekvencování lidského genomu, kdy během prvních sedmi let dokázali vědci zpracovat pouze jedno procento. Za dalších šest let již ale stihli zbývajících 99 % (projekt běžel v letech 1990 až 2003).

Zjednodušeně lze říci, že pro simulaci mozku je potřeba pouze více tranzistorů . Vzhledem k novým technologiím, které v budoucnu nahradí i samotné tranzistory, je lepší přirovnat to přímo k obecnému výpočetnímu výkonu.

A jaký je tedy rozdíl mezi živou a neživou hmotou? Dle těchto i jiných indicií vlastně žádný, jde pouze o úroveň logické struktury hmoty. Pokud si to stále nedokážete představit, stačí se zamyslet nad počítačem, který máte zrovna před vámi.

Počítač pracuje v základu pouze se dvěma stavy – zapnuto a vypnuto. Pomocí těchto dvou rozdílů dokáže vytvářet komplexní logické posloupnosti, které umožňují snímání fotonů z reálného prostředí, jejich stále věrnější simulaci a další neuvěřitelné a současně již zcela běžné věci. Pouze jedničky a nuly přenesou data textu tohoto článku a zobrazení je na vaší obrazovce v jakémkoli místě na Zemi i v nejbližším vesmíru.

Nejčtenější