Канатоходец идёт над пропастью. Пока он держит равновесие и не делает резких движений, он в безопасности. Но стоит отклониться слишком сильно — и падения не избежать. Примерно так же устроена жизнь на всех уровнях: от белков внутри клетки до целых экосистем. У каждого организма есть свой «канат» — допустимые границы температуры, давления, химического состава, в которых он может существовать.
Учёные давно ищут способы описать этот «канат» математически. Обычно для этого используют модели, где состояние организма — точка в многомерном пространстве, а его изменения — траектория. Но классические методы, основанные на поиске устойчивых точек равновесия, здесь не всегда работают. Ведь смерть часто наступает не в точке, а в процессе: траектория выходит за границы дозволенного, и обратного пути нет. Авторы новой работы предложили метод разложения пространства состояний на области с разной судьбой. Они нашли особые поверхности — «разделители смертности», «упорядочивающие» и «коллапсирующие» многообразия, — которые делят всё пространство на зоны. В одной зоне все траектории ведут к выживанию, в другой — к гибели, в третьей — исход зависит от начальных условий.
Исследователи применили свой подход к трём системам: сети белков внутри клетки, одиночной клетке с тем же набором белков и двум связанным клеткам. В каждом случае удалось построить полную карту выживания — своего рода атлас, где видно, какие начальные состояния приводят к жизни, а какие — к смерти. Это похоже на прогноз погоды: зная текущие условия, можно сказать, продержится ли организм до завтра. Метод масштабируется и на более сложные системы, обещая помочь в создании лекарств, прогнозировании экологических катастроф и даже в понимании старения.
Так математика превращает интуитивное ощущение «каната под ногами» в строгую науку. Канатоходец теперь не просто чувствует равновесие — он видит карту всех возможных шагов и точно знает, какой из них станет последним.
В одной из моделей учёные обнаружили, что две одинаковые клетки, находящиеся в одинаковых условиях, могут иметь разную судьбу: одна выживет, а другая погибнет — всё решает крошечное различие в начальном состоянии, незаметное глазу.
В романе «Марсианин» Энди Вейера астронавт выживает благодаря точному расчёту ресурсов — по сути, он интуитивно строит свою «карту выживания» в пространстве ограничений.