Emersione spontanea di replicatori nella vita artificiale

Una delle pietre angolari di The Selfish Gene (Dawkins) è l'emergenza spontanea di replicatori, ovvero molecole in grado di replicarsi.

È stato modellato in silico in simulazioni di vita evolutiva / artificiale a tempo indeterminato?

Sistemi come Avida o Tierra specificano esplicitamente i meccanismi di replica; altri algoritmi genetici / sistemi di programmazione genetica cercano esplicitamente i meccanismi di replica (ad es. per semplificare il costruttore universale di von Neumann)

Sono benvenuti collegamenti a simulazioni in cui i replicatori emergono da una zuppa digitale primordiale.

Approccio di sistemi

Partiamo per replicare un sistema in tempo reale $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , dove$\mathcal{X}$ è una storia empirica continua di input e$\mathcal{Y}$ storia empirica continua di output, condizionata da un reale stato iniziale del sistema$I$ . Sulla base di alcune definizioni, abbiamo bisogno che$S$ sia vivo.

Non possiamo simulare una replica di un modello teorico di vita, con un gene egoista o qualsiasi altro attributo simile, semplicemente perché non esiste un modello matematicamente conciso su cui basare la simulazione. Al momento della stesura di questo documento, sono noti solo suggerimenti e minuzie di tale modello.

Inoltre, i modelli sono rappresentazioni matematiche che, nel corso della storia umana, risultano approssimazioni di complessità una volta affrontate le anomalie e si sviluppano nuovi modelli per incorporarle nella teoria. ¹

Simulazione definita approssimativamente

Se esaminiamo un algoritmo generale $\mathcal{A}$ da replicare$S$ , la replica può essere approssimativamente delineata come segue.

• Stimare il sistema $S$ , essenzialmente formando ipotesi$H$ .
• Simula lo stato iniziale $I$ .
• Inizia una serie di stimoli discreti $\mathcal{X}_t$ avvicinano al reale e al continuo$\mathcal{X}$.
• Acquisire il comportamento del sistema risultante $\mathcal{Y}_t$ come osservazioni discrete di$\mathcal{Y}$ .
• Verificare che la differenza tra i sistemi simulati e quelli effettivi sia entro l'errore ammissibile $\epsilon$ .

Definire l'emergenza spontanea

Per emergenza spontanea si intende che si è verificata una così vasta gamma astronomica di stati iniziali e sequenze di stimoli che esiste un'alta probabilità che una delle permutazioni sia viva, sulla base di una definizione specifica e ragionevole di ciò che sta vivendo.

Definire cos'è la vita

Revisionando diverse definizioni di organismi viventi, le definizioni più ragionevoli includono queste:

• L'organismo può essere distinto dal suo ambiente.
• L'organismo può acquisire e immagazzinare energia potenziale e materiali necessari per operare.
• La sua operazione include l'acquisizione continua, producendo un rapporto bidirezionale e sostenibile con il suo ambiente.
• L'organismo può riprodursi approssimativamente.
• La riproduzione è simile ma non esattamente simile ai genitori.
• Il metodo di acquisizione di energia e materiali può comprendere il consumo di altri organismi o la sua energia e materiali.

Competere per risorse, selezione naturale e tutte le altre caratteristiche della teoria evoluzionistica sono corollari dei cinque requisiti di cui sopra. Inoltre, l'attuale tendenza a riconoscere la simbiogenesi come tema comune nell'emergere di specie non dovrebbe essere respinta.

• La replica di un organismo può essere influenzata dalla composizione di un altro organismo attraverso forme di assimilazione o simbiosi in modo tale che i tratti passino attraverso le categorie di organismi.

La vita artificiale come simulazione

Questi sette criteri rappresentano una sfida per gli umani che tentano di generare artificialmente la vita. È facile creare un modello di computer in modo tale che la vita sia simulata in qualche modo. Considera come.

• L'ambiente contiene energia virtuale e materia virtuale.
• Il modello dell'organismo, distinto dal suo ambiente, può acquisire i suoi requisiti operativi dall'ambiente attraverso una serie di operazioni su di esso.
• Mater ed energia sono conservati perché le temperature sono molto al di sotto delle soglie nucleari.
• Il modello dell'organismo consente l'acquisizione solo se è stata acquisita una quantità sufficiente di energia e materiali per mantenere la cache.
• La materia e l'energia acquisite da un organismo non possono essere acquisite da un altro organismo se non dal consumo o dall'assorbimento di un organismo che lo ha acquisito o prodotto da ciò che è stato acquisito.
• Il modello dell'organismo può auto-replicarsi in modo tale che le differenze stocastiche nella replicazione vengano introdotte in piccole quantità.
• Le informazioni operative, comprese le informazioni sulla replica, possono essere acquisite attraverso il consumo o la relazione simbiotica in alcune condizioni.

Geni magici per la vita spontanea

Si noti che il gene egoista non è menzionato sopra. L'egoismo, il cui presupposto è l'intenzione, non è un requisito per la vita. Un'ameba non pensa egoisticamente quando si muove o mangia. Funziona senza spirito. Non dovremmo antropomorfizzare ogni organismo che studiamo o sviluppare teoria basata su concezioni antropomorfe.

Allo stesso modo, si formano relazioni simbiotiche che non sono né amorevoli né altruistiche. Esistono perché c'è un vantaggio reciproco che è apparso come un sottoprodotto involontario delle normali operazioni ed entrambi i genitori simbiotici hanno passato quella connessione simbiotica ai loro rispettivi discendenti. Il vantaggio reciproco, la simbiosi e la replicazione sono arguti e non intenzionali.

Non è necessario un meccanismo di controllo distinto da tutti gli altri meccanismi replicati per controllare la collaborazione o la concorrenza simbiotica. Anche loro sono conseguenze naturali delle cose viventi che condividono un ambiente. Se un organismo muore a causa sua

• Perso il suo simbionte,
• Affama perché altri organismi hanno consumato le sue necessità,
• L'organismo stesso ha esaurito le proprie risorse, o
• Le risorse necessarie sarebbero state altrimenti rese non disponibili,

non è ancora in grado di replicarsi, quindi i suoi tratti muoiono con esso.

Si noti inoltre che non esiste una molecola nota in grado di replicarsi. Sono necessari sistemi complessi di molecole in una varietà di stati chimici ed equilibri per consentire la riproduzione.

Tornando alla simulazione di un organismo già esistente

$S$

$\mathcal{A}$$S$

L'indeterminatezza richiede che la verifica abbia valore

La limitazione più significativa delle implementazioni in silico è che non possono mai essere veramente a tempo indeterminato.

Al momento non è possibile replicare ciò che è stato simulato al di fuori del sistema di simulazione. Fino a quando la nanotecnologia non raggiunge un punto in cui la costruzione e l'assemblaggio 3D possono migrare simulazioni vive nell'universo non simulato, queste simulazioni sono chiuse in quel modo e la loro vitalità in vito non è testata. Il valore delle simulazioni a tempo indeterminato senza alcun modo per convalidarle è essenzialmente zero, tranne che per divertimento.

Anche nello spazio della simulazione digitale, per quanto la tecnologia sia progredita, non è stato realizzato nulla di simile al costruttore universale di von Neumann. Sebbene i costruttori generici di copie funzionali siano disponibili in Scheme, LISP, C ++, Java e lingue successive, questo è un passo minuscolo verso gli oggetti viventi nei computer.

Zuppa digitale

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

Il problema con la zuppa digitale primordiale è un'esplosione combinatoria. Ci sono 510 milioni di Km quadrati sulla superficie terrestre e sono possibili solo tre categorie di intervalli di tempo di origine della vita.

• Le stime attuali sono quasi corrette, secondo cui la terra si è formata 4,54 miliardi di anni fa e la vita estremamente primitiva è emersa 3,5 miliardi di anni fa
• Il materiale organico trovato in Canada che ha presumibilmente 3,95 miliardi di anni accorcia il divario tra la formazione planetaria e la formazione della vita su di essa e la vecchia vita terrestre può essere trovata
• Il commento di Vladimir Vernadsky secondo cui la vita potrebbe avere una terra preesistente è più che una possibilità

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

Con nanobi di 20 nm di diametro e la possibilità che l'emergenza abbia richiesto solo un secondo, nel tempo dobbiamo simulare in tre dimensioni il seguente dominio spazio-temporale in elementi finiti con almeno il 50% di sovrapposizione in tutte e tre le dimensioni.

Con un computer quantistico alto due piani delle dimensioni della Svizzera, il tempo di calcolo supererebbe di molto la durata della specie media sulla terra. È probabile che gli umani si estinguano prima del completamento del calcolo.

Mentre la datazione dei fossili trovati più antichi converge sulla datazione della terra, può sembrare che la vita sia emersa rapidamente sulla terra, ma questa non è una conclusione logica. Se la vita si è formata non appena la terra si è sufficientemente raffreddata e non sono state trovate prove di un'emergenza continua nei restanti miliardi di anni, l'inferenza di Vernadsky secondo cui la vita è arrivata sulla terra attraverso uno o più dei corpi che la hanno colpita diventa più probabile.

Se è così, allora si deve porre la domanda, se tutti i presupposti vengono abbandonati, se la vita abbia avuto un inizio.

Simulazione della vita contro simulazione della sua formazione

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

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

Conformare la fisica al di fuori di un computer alla simulazione potrebbe essere impossibile. Se la vita simulata, quando incarnata in un sistema robotico, sarà effettivamente considerata, la vita sarà lasciata ai nostri discendenti, se le specie dovessero resistere sufficientemente.

Le note

[1] I casi classici includono il sistema eliocentrico copernicano che lascia il posto alla Legge di gravità, che mostra una approssimazione della relatività generale come mostrato dalla corretta previsione dell'orbita di Mercurio e della curvatura della luce vicino al sole, i Quattro elementi respinti in luce della scoperta dell'ossigeno da parte di Lavoisier e dimostrabilità assoluta della verità all'interno di un sistema simbolico chiuso smentito da Gödel nel suo secondo teorema di incompletezza e poi recuperato parzialmente (in termini di calcolabilità) dal teorema di completezza di Turing.

Anche se difficile da dimostrare un negativo, non penso che sia stato fatto.

Le simulazioni più avanzate di funzionalità di basso livello non sono in grado di ridimensionare per simulare popolazioni abbastanza grandi su scale temporali sufficientemente grandi in cui il consenso scientifico afferma che ciò è accaduto nella realtà.

Sebbene tu dica che non sei direttamente interessato alla chimica, ma a un substrato astratto, sto usando la chimica come esempio della sfida. Questo perché la creazione di un substrato semplificato con un comportamento emergente sufficientemente ricco non è banale. Gli elementi chimici hanno essenzialmente delle regole su come si combinano in strutture fisiche più grandi (tramite diversi meccanismi di legame) e solo una dozzina di tipi di atomi sono coinvolti. In realtà è ragionevolmente semplice e trattabile al livello più basso. I problemi derivano dalle molteplici scale della struttura: costruzione di molecole "unitarie" (basi DNA / RNA, peptidi proteici, lipidi, basi zuccherine, ecc.), Creazione di polimeri da quelle unità, interazioni tra polimeri, strutture fisiche costruite e demolite da quelle interazioni , ognuno dei quali presenta un comportamento più complesso. Questa gerarchia strutturale è probabilmente richiesta per qualsiasi macchina autoreplicante che non viene semplicemente alimentata direttamente dalle unità di livello superiore. Nella tua domanda vuoi trovare l'auto-replicazione che è emergente, non progettata. . . quindi l'alimentazione in queste unità di livello superiore conterebbe probabilmente come imbrogli.

Probabilmente non abbiamo il potere computazionale di simulare adeguatamente anche l' esperimento di Miller-Urey che è lungi dall'auto-replicazione: le simulazioni chimiche in silico sono limitate a cose come i calcoli di ripiegamento delle proteine, e questi sono tutt'altro che in tempo reale. All'interno di una singola cellula batterica che si prepara a dividere, le proteine ​​vengono prodotte e piegate a centinaia ogni secondo.

Una cosa che è stata fatta è creare una macchina autoreplicante in Game of Life di Conway chiamata "Gemini" . Questo è stato progettato, non creato spontaneamente. Tuttavia, avrebbe una probabilità molto bassa ma non zero di essere creata spontaneamente con l'inizializzazione casuale. Sarebbe comunque un replicatore molto fragile, qualsiasi mutazione o collisione con altri elementi attivi probabilmente lo spezzerebbe. L'esperimento di tentare di creare casualmente / spontaneamente Gemelli non è fattibile dal punto di vista computazionale.

È probabile che qualsiasi sistema fisico abbastanza semplice da essere considerato "zuppa primordiale" e tuttavia abbastanza ricco da esprimere unità replicanti richiederà alcuni strati di costruzione prima di poter vedere quelle unità. Questi strati devono essere costruiti in modo combinatorio e le probabilità che ciò accada spontaneamente in un piccolo esperimento con un calcolo limitato sembrano essere basse. È necessario tenere presente il calcolo estremamente ampio che sarebbe stato effettivamente effettuato da un ordine di$10^{30}$$10^8$anni. È principalmente congettura che questo sia sufficiente per creare un Antenato Darwiniano Iniziale - è fondamentalmente un'estrapolazione logica della teoria dell'evoluzione, seguendo il principio Occam's Razor di cercare la più semplice spiegazione compatibile.

I replicatori primordiali possono essere più semplici di quanto pensi. Guarda questo video:

Auto-replica: come le molecole possono fare copie di se stesse
_{[Fonte: Università di Groeningen]}

In un ambiente rumoroso si ottiene una mutazione naturale. E voilà, replica + mutazione = evoluzione.

Come ha descritto Neil Slater nella prima risposta, è difficile capire come un organismo autoreplicante funzioni internamente. Perché il numero di azioni possibili è enorme e non è possibile testarle tutte in un processo evolutivo. Ciò che viene utilizzato in biochimica per risolvere il problema è una comunicazione tra molecole. Il presupposto è che è disponibile un linguaggio simbolico che ha una struttura gerarchica e questo linguaggio consente di descrivere operazioni più complesse. Il termine di ricerca è Biosemiotics , citazione:

"Le prove sperimentali del codice genetico non sembravano abbastanza, da sole, classificare la cellula come un sistema semiotico, ma Pattee ha sostenuto che diventa sufficiente quando lo combiniamo con la teoria degli automi autoreplicanti sviluppata da John von Neumann Barbieri, Marcello. "Una breve storia di biosemiotica." Biosemiotics 2.2 (2009): 221-245.

Prima che sia possibile creare sistemi autoreplicanti, è necessario analizzare prima i sistemi naturali esistenti. O, per essere più precisi, un "parser d'azione" interpreta il linguaggio delle molecole nel loro processo autoreplicante. Dopo che il parser funziona, è possibile usarlo in direzione di riserva, questo significa inviare segnali casuali al parser e indagare come sarà il risultato a livello semantico.