Spontaniczne pojawienie się replikatorów w sztucznym życiu

Jednym z kamieni węgielnych samolubnego genu (Dawkins) jest spontaniczne pojawienie się replikatorów, tj. Cząsteczek zdolnych do samoreplikacji.

Zostało to wymodelowane in silico w otwartych symulacjach ewolucyjnych / sztucznego życia?

Systemy takie jak Avida lub Tierra wyraźnie określają mechanizmy replikacji; inne algorytmy genetyczne / systemy programowania genetycznego wyraźnie wyszukują mechanizmy replikacji (np. w celu uproszczenia uniwersalnego konstruktora von Neumanna)

Mile widziane są linki do symulacji, w których replikatory wyłaniają się z pierwotnej cyfrowej zupy.

Podejście systemowe

Zacznijmy replikować system czasu rzeczywistego $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , gdzie$\mathcal{X}$ jest empiryczną ciągłą historią danych wejściowych i$\mathcal{Y}$ empiryczną ciągłą historią danych wyjściowych, uwarunkowaną rzeczywistym stanem początkowym układu$I$ . W oparciu o jakąś definicję wymagamy, aby$S$ żył.

Nie możemy symulować replikacji teoretycznego modelu życia z samolubnym genem lub jakimkolwiek innym takim atrybutem, po prostu dlatego, że nie istnieje żaden matematycznie zwięzły model, na którym mogłaby opierać się symulacja. W chwili pisania tego tekstu znane są jedynie wskazówki i szczegóły takiego modelu.

Co więcej, modele są reprezentacjami matematycznymi, które w całej historii ludzkości okazują się przybliżeniami złożoności po usunięciu anomalii i opracowaniu nowych modeli w celu włączenia ich do teorii. ¹

Symulacja z grubsza zdefiniowana

Jeśli zbadamy ogólny algorytm $\mathcal{A}$ do replikacji $S$ , replikację można z grubsza naszkicować w następujący sposób.

• System oceny $S$ , która zasadniczo tworzy hipotezy $H$ .
• Symuluj stan początkowy $I$ .
• Zainicjować szereg dyskretnych bodźce $\mathcal{X}_t$ zbliżoną do rzeczywistej i ciągły$\mathcal{X}$ .
• Uzyskaj wynikowe zachowanie systemu $\mathcal{Y}_t$ jako dyskretne obserwacje$\mathcal{Y}$ .
• Sprawdź różnicę między systemami symulowanymi i rzeczywistymi, aby mieściły się w dopuszczalnym błędzie $\epsilon$ .

Definiowanie spontanicznego pojawiania się

Przez spontaniczne pojawienie się rozumie się, że pojawił się tak duży astronomicznie szereg stanów początkowych i sekwencji bodźców, że istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że jedna z permutacji będzie żywa, w oparciu o jakąś konkretną i rozsądną definicję tego, co żyje.

Definiowanie, czym jest życie

Przeglądając kilka definicji żywych organizmów, najbardziej uzasadnione są następujące:

• Organizm można odróżnić od jego środowiska.
• Organizm może pozyskiwać i buforować potencjalną energię i materiały niezbędne do działania.
• Jego działalność obejmuje ciągłe przejęcia, tworząc dwukierunkową i trwałą relację z otoczeniem.
• Organizm może z grubsza się rozmnażać.
• Powielanie jest podobne, ale nie do końca podobne do rodzica (rodziców).
• Metoda pozyskiwania energii i materiałów może obejmować zużycie innych organizmów lub ich energii i materiałów.

Rywalizacja o zasoby, dobór naturalny i wszystkie inne cechy teorii ewolucji są następstwem powyższych pięciu wymagań. Oprócz tego nie należy odrzucać obecnej tendencji do uznawania symbiogenezy za wspólny temat pojawiania się gatunków.

• Na replikację jednego organizmu może mieć wpływ skład innego organizmu poprzez formy asymilacji lub symbiozy, tak że cechy są przekazywane przez kategorie organizmów.

Sztuczne życie jako symulacja

Te siedem kryteriów stanowi wyzwanie dla ludzi próbujących sztucznie generować życie. Łatwo jest stworzyć model komputerowy, który symuluje życie. Zastanów się, jak to zrobić.

• Środowisko zawiera wirtualną energię i wirtualną materię.
• Model organizmu, w odróżnieniu od jego środowiska, może uzyskać swoje wymagania operacyjne od środowiska poprzez zestaw operacji na nim.
• Materia i energia są zachowane, ponieważ temperatury są znacznie poniżej progów jądrowych.
• Model organizmu pozwala na akwizycję tylko wtedy, gdy wystąpiło wystarczające pozyskiwanie energii i materiałów, aby utrzymać pamięć podręczną.
• Materia i energia nabyte przez jeden organizm nie mogą być nabyte przez inny organizm, z wyjątkiem konsumpcji lub absorpcji organizmu, który go nabył lub wytworzył z tego, który został nabyty.
• Model organizmu może samoreplikować się w taki sposób, że stochastyczne różnice w replikacji są wprowadzane w małych ilościach.
• Informacje operacyjne, w tym informacje dotyczące replikacji, można uzyskać w zależności od zużycia lub relacji symbiotycznej pod pewnymi warunkami.

Magiczne geny spontanicznego życia

Zauważ, że samolubny gen nie jest wspomniany powyżej. Samolubstwo, którego warunkiem jest intencja, nie jest warunkiem życia. Ameba nie myśli samolubnie, gdy się porusza lub je. Działa bezmyślnie. Nie powinniśmy antropomorfizować każdego badanego organizmu ani rozwijać teorii opartej na koncepcjach antropomorficznych.

Podobnie powstają związki symbiotyczne, które nie są ani kochające, ani altruistyczne. Istnieją, ponieważ istnieje obopólna korzyść, która pojawiła się jako niezamierzony produkt uboczny normalnych operacji i oboje symbiotyczni rodzice przekazali to symbiotyczne połączenie swojemu potomstwu. Wzajemna korzyść, symbioza i replikacja są bezmyślne i niezamierzone.

Nie musi istnieć mechanizm kontrolny odrębny od wszystkich innych replikowanych mechanizmów do kontroli współpracy symbiotycznej lub konkurencji. One także są naturalnymi konsekwencjami życia żywych istot w środowisku. Czy organizm umiera z tego powodu

• Stracił swój symbiont,
• Głoduje, ponieważ inne organizmy zużywały swoje potrzeby,
• Sam organizm wyczerpał własne zasoby, lub
• Te potrzebne zasoby byłyby w przeciwnym razie niedostępne,

nadal nie jest w stanie powielać się, więc jego cechy giną wraz z nim.

Zauważ też, że nie ma znanej cząsteczki, która mogłaby się replikować. Złożone układy cząsteczek o różnych stanach chemicznych i równowagach są wymagane do odtworzenia.

Powrót do symulowania już istniejącego organizmu

$S$

$\mathcal{A}$$S$

Otwartość wymaga weryfikacji w celu uzyskania zasług

Najbardziej znaczącym ograniczeniem we wdrożeniach in silico jest to, że nigdy nie mogą być naprawdę otwarte.

Od tego zapisu nie ma możliwości odtworzenia tego, co było symulowane poza systemem symulacji. Dopóki nanotechnologia nie osiągnie punktu, w którym konstrukcja i montaż 3D mogą migrować żywe symulacje do nieimulowanego wszechświata, symulacje te są zamknięte w ten sposób, a ich żywotność w vito nie jest testowana. Wartość otwartych symulacji bez możliwości ich zweryfikowania jest zasadniczo zerowa, z wyjątkiem rozrywki.

Nawet w dziedzinie cyfrowej symulacji, o ile technologia ta się rozwinęła, nic nie jest bliskie uniwersalnemu konstruktorowi von Neumanna. Chociaż ogólne funkcjonalne konstruktory kopii są dostępne w językach Scheme, LISP, C ++, Java i późniejszych, jest to niewielki krok w kierunku żywych obiektów w komputerach.

Zupa Cyfrowa

$\mathcal{A}$$S$$S$

Problem z pierwotną cyfrową zupą jest jedną z kombinatorycznych eksplozji. Na powierzchni Ziemi znajduje się 510 milionów kilometrów kwadratowych i możliwe są tylko trzy kategorie ram czasowych pochodzenia życia.

• Obecne szacunki są prawie prawidłowe, że Ziemia ukształtowała się 4,54 miliarda lat temu, a niezwykle prymitywne życie pojawiło się 3,5 miliarda lat temu
• Materiał organiczny znaleziony w Kanadzie, który ma rzekomo 3,95 miliarda lat, skraca lukę między formacją planetarną i formacją życiową na nim, a starszym życiem na Ziemi
• Komentarz Władimira Wernadskiego, że życie mogło istnieć wcześniej, jest czymś więcej niż tylko możliwością

$(4.54 - 3.5) \cdot 10^9 \cdot 510 \cdot 10^6$

Przy nanobiałach o średnicy 20 nm i możliwości, że pojawienie się mogło zająć tylko jedną sekundę, musimy zasymulować w trzech wymiarach w czasie następującą domenę czasoprzestrzenną w elementach skończonych z co najmniej 50% nakładaniem się we wszystkich trzech wymiarach.

W przypadku komputera kwantowego o wysokości dwóch pięter wielkości Szwajcarii czas obliczeń znacznie przekraczałby czas trwania przeciętnego gatunku na ziemi. Ludzie prawdopodobnie wyginą, zanim obliczenia się zakończą.

Ponieważ datowanie najstarszych znalezionych skamielin zbiega się z datowaniem Ziemi, może się wydawać, że życie szybko pojawiło się na Ziemi, ale nie jest to logiczny wniosek. Jeśli życie powstało, gdy tylko ziemia wystarczająco ostygła, a przez pozostałe miliardy lat nie znaleziono żadnego dowodu ciągłego wschodu, wówczas wniosek Vernadsky'ego, że życie przybyło na Ziemię przez jedno lub więcej ciał, które go uderzyły, staje się bardziej prawdopodobny.

Jeśli tak jest, należy zadać pytanie, czy wszystkie założenia zostaną odrzucone, czy życie w ogóle miało początek.

Symulowanie życia a symulowanie jego powstawania

$\mathcal{A}$$S$$S$

$\mathcal{B}$$S$$\mathcal{A}$$\mathcal{B}$

Zgodność fizyki poza komputerem z symulacją może być niemożliwa. To, czy symulowane życie, gdy zostanie wcielone w robotyczny system, będzie faktycznie uważane za życie, pozostanie naszym potomkom, jeśli gatunek przetrwa wystarczająco.

Przypisy

[1] Klasyczne przypadki obejmują heliocentryczny układ kopernikański ustępujący prawu grawitacji, przy czym prawo to jest przybliżone do ogólnej teorii względności, pokazanej przez właściwe przewidywanie orbity Merkurego i krzywizny światła w pobliżu Słońca, Cztery Elementy odrzucone w światło odkrycia tlenu przez Lavoisiera i absolutna możliwość udowodnienia prawdy w zamkniętym systemie symbolicznym obalonym przez Gödela w jego drugim twierdzeniu o niekompletności, a następnie częściowo (pod względem obliczalności) odzyskanym przez twierdzenie Turinga o kompletności.

Chociaż trudno udowodnić, że jest negatywny, nie sądzę, że tak się stało.

Najbardziej zaawansowane symulacje funkcji niskiego poziomu nie są w stanie skalować, aby symulować wystarczająco duże populacje w wystarczająco dużych skalach czasowych, w których zgodnie z naukowymi konsensusami dzieje się tak w rzeczywistości.

Chociaż mówisz, że nie jesteś bezpośrednio zainteresowany chemią, ale jakimś abstrakcyjnym substratem, używam chemii jako przykładu wyzwania. Wynika to z faktu, że stworzenie uproszczonego podłoża z wystarczającą ilością bogatych zachowań wschodzących nie jest trywialne. Pierwiastki chemiczne mają zasady dotyczące łączenia się w większe struktury fizyczne (poprzez różne mechanizmy wiązania) i w grę wchodzi tylko kilkanaście rodzajów atomów. Jest to właściwie dość proste i możliwe do przełożenia na najniższym poziomie. Problemy wynikają z wielu skal struktury - budowania cząsteczek „jednostek” (zasad DNA / RNA, peptydów białkowych, lipidów, zasad cukrowych itp.), Tworzenia polimerów z tych jednostek, interakcji między polimerami, struktur fizycznych budowanych i niszczonych przez te interakcje , z których każdy wykazuje bardziej złożone zachowanie. Ta strukturalna hierarchia jest prawdopodobnie wymagana dla każdej samoreplikującej się maszyny, która nie jest po prostu zasilana bezpośrednio z urządzeń wyższego poziomu. W swoim pytaniu chcesz znaleźć samoreplikację, która się pojawia, a nie jest zaprojektowana. . . więc karmienie tymi jednostkami wyższego poziomu prawdopodobnie liczyłoby się jako oszustwo.

Prawdopodobnie nie mamy mocy obliczeniowej, aby poprawnie symulować nawet eksperyment Millera-Ureya, który jest daleki od samoreplikacji - symulacje chemiczne in silico ograniczają się do takich rzeczy, jak obliczenia fałdowania białek, i są one dalekie od czasu rzeczywistego. Wewnątrz tylko jednej komórki bakteryjnej przygotowującej się do podziału, białka są wytwarzane i składane przez setki co sekundę.

Jedną z rzeczy, które zostały zrobione, jest stworzenie samoreplikującej się maszyny w grze życia Conwaya o nazwie „Bliźnięta” . Zostało to zaprojektowane, a nie spontanicznie stworzone. Miałoby to jednak bardzo małą, ale niezerową szansę na spontaniczne utworzenie z losową inicjalizacją. Byłby to jednak bardzo delikatny replikator, każda mutacja lub kolizja z innymi aktywnymi elementami prawdopodobnie go złamałaby. Eksperyment polegający na próbie losowego / spontanicznego tworzenia Bliźniąt nie jest wykonalny obliczeniowo.

$10^{30}$$10^8$lat Jest to głównie przypuszczenie, że to wystarczy, aby stworzyć Pierwotnego Darwinowskiego Przodka - jest to w zasadzie logiczna ekstrapolacja do teorii ewolucji, zgodnie z zasadą Razora dotyczącą szukania najprostszego kompatybilnego wyjaśnienia.

Pierwotne replikatory mogą być prostsze niż myślisz. Sprawdź ten film:

Autoreplikacja: w jaki sposób molekuły mogą tworzyć własne kopie
_{[Źródło: University of Groeningen]}

W hałaśliwym otoczeniu masz naturalną mutację. I voila, replikacja + mutacja = ewolucja.

Jak opisał Neil Slater w pierwszej odpowiedzi, trudno jest zrozumieć, jak działa samoreplikujący się organizm. Ponieważ liczba możliwych działań jest ogromna i nie można przetestować ich wszystkich w procesie ewolucyjnym. W biochemii do rozwiązania problemu używana jest komunikacja między cząsteczkami. Zakłada się, że dostępny jest język symboliczny o strukturze hierarchicznej, który pozwala opisać bardziej złożone operacje. Terminem badawczym jest biosemiotyka , cytat:

„Dowody eksperymentalne na kod genetyczny same w sobie nie wydawały się wystarczające do zaklasyfikowania komórki jako systemu semiotycznego, ale Pattee argumentowała, że ​​staje się wystarczająca, gdy połączymy ją z teorią automatycznych replikacji automatów opracowaną przez Johna von Neumanna „Barbieri, Marcello. „Krótka historia biosemiotyki”. Biosemiotyka 2.2 (2009): 221–245.

Zanim możliwe będzie stworzenie systemów samoreplikujących się, najpierw należy przeanalizować istniejące systemy naturalne. Mówiąc dokładniej, „parser akcji” interpretuje język cząsteczek w procesie samoreplikacji. Po uruchomieniu parsera możliwe jest użycie go w kierunku rezerwy, co oznacza, że ​​do parsera będą wysyłane losowe sygnały i sprawdzane, jak będzie wyglądał wynik na poziomie semantycznym.