Спонтанное появление репликаторов в искусственной жизни

Одним из краеугольных камней «Эгоистичного гена» (Докинза) является самопроизвольное появление репликаторов, то есть молекул, способных к самовоспроизводству.

Было ли это смоделировано in silico в эволюционных / искусственных симуляциях жизни с открытым концом?

Такие системы, как Avida или Tierra, явно определяют механизмы репликации; другие генетические алгоритмы / системы генетического программирования явно ищут механизмы репликации (например, чтобы упростить универсальный конструктор фон Неймана)

Приветствуются ссылки на симуляции, когда репликаторы появляются из исконного цифрового супа.

Системный подход

Давайте приступим к тиражированию системы реального времени $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , где$\mathcal{X}$ представляет собой эмпирическая непрерывная история ввода и$\mathcal{Y}$ эмпирической непрерывной истории выхода, обусловленный при реальной начальном состоянии системы$I$ . Основываясь на некотором определении, мы требуем, чтобы$S$ был живым.

Мы не можем имитировать репликацию теоретической модели жизни с эгоистичным геном или любым другим подобным атрибутом просто потому, что не существует математически краткой модели, на которой могло бы базироваться моделирование. На момент написания этой статьи известны только намеки и детали такой модели.

Кроме того, модели представляют собой математические представления, которые на протяжении всей истории человечества оказываются аппроксимациями сложностей после устранения аномалий и разработки новых моделей для включения их в теорию. ¹

Примерно определенное моделирование

Если мы рассмотрим общий алгоритм $\mathcal{A}$ для репликации $S$ , репликация может быть примерно построена следующим образом.

• Расчетная система $S$ , по существу , формируя гипотезу $H$ .
• Имитировать начальное состояние $I$ .
• Инициировать ряд дискретных раздражителей $\mathcal{X}_t$ аппроксимирующого реальную и непрерывную $\mathcal{X}$ .
• Acquire в результате чего поведение системы $\mathcal{Y}_t$ в виде дискретных наблюдений $\mathcal{Y}$ .
• Убедитесь, что разница между моделируемой и фактической системами находится в пределах допустимой ошибки $\epsilon$ .

Определение спонтанного возникновения

Под самопроизвольным появлением подразумевается, что возник такой астрономически большой массив начальных состояний и последовательностей стимулов, что существует высокая вероятность того, что одна из перестановок будет живой, основываясь на каком-то конкретном и разумном определении того, что является живым.

Определение жизни

Рассматривая несколько определений живых организмов, наиболее разумными являются следующие:

• Организм можно отличить от окружающей его среды.
• Организм может приобретать и кэшировать потенциальную энергию и материалы, необходимые для работы.
• Его деятельность включает в себя непрерывное приобретение, обеспечивающее двусторонние и устойчивые отношения с окружающей средой.
• Организм может грубо размножаться.
• Воспроизведение похоже на родителей, но не совсем так.
• Метод получения энергии и материалов может включать потребление других организмов или его энергии и материалов.

Конкуренция за ресурсы, естественный отбор и все другие особенности эволюционной теории являются следствием вышеуказанных пяти требований. В дополнение к этому не следует сбрасывать со счетов нынешнюю тенденцию признания симбиогенеза в качестве общей темы появления видов.

• На репликацию одного организма может влиять состав другого организма посредством таких форм ассимиляции или симбиоза, что признаки передаются через категории организмов.

Искусственная жизнь как симуляция

Эти семь критериев создают проблему для людей, пытающихся искусственно генерировать жизнь. Легко создать компьютерную модель, в которой жизнь каким-то образом моделируется. Посмотрим как.

• Среда содержит виртуальную энергию и виртуальную материю.
• Модель организма, отличная от окружающей его среды, может получать свои эксплуатационные потребности из окружающей среды посредством ряда операций над ней.
• Матер и энергия сохраняются, потому что температуры намного ниже ядерных порогов.
• Модель организма позволяет получать данные только в том случае, если было получено достаточно энергии и материалов для поддержания кеша.
• Матер и энергия, приобретенные одним организмом, не могут быть приобретены другим организмом, кроме как путем потребления или поглощения организмом, который приобрел или произвел его из того, что было приобретено.
• Модель организма может самовоспроизводиться таким образом, что стохастические различия в репликации вводятся в небольших количествах.
• Операционная информация, включая информацию о репликации, может быть получена посредством потребления или симбиотических отношений при некоторых условиях.

Волшебные гены для спонтанной жизни

Обратите внимание, что эгоистичный ген не упомянут выше. Эгоизм, обязательным условием которого является намерение, не является требованием для жизни. Амеба не думает эгоистично, когда движется или ест. Работает безрассудно. Мы не должны антропоморфизировать каждый организм, который мы изучаем, или развивать теорию, основанную на антропоморфных концепциях.

Точно так же образуются симбиотические отношения, которые не являются ни любящими, ни альтруистическими. Они существуют, потому что есть взаимная выгода, которая появилась как непреднамеренный побочный продукт нормальных операций, и оба симбиотических родителя передали эту симбиотическую связь своему соответствующему потомству. Взаимная выгода, симбиоз и тиражирование бессмысленны и непреднамеренны.

Не должно быть механизма контроля, отличного от всех других тиражируемых механизмов, для управления симбиотическим сотрудничеством или конкуренцией. Они тоже являются естественными последствиями существования живых существ в одной среде. Умирает ли организм, потому что это

• Потерял свой симбионт,
• Голодает, потому что другие организмы потребляли его,
• Сам организм истощил свои собственные ресурсы, или
• Эти необходимые ресурсы были иначе недоступны,

он все еще неспособен к копированию, поэтому его черты умирают вместе с ним.

Также обратите внимание, что не существует известной молекулы, которая могла бы копировать себя. Сложные системы молекул в различных химических состояниях и равновесиях необходимы для воспроизводства.

Возвращаясь к моделированию уже существующего организма

$S$

$\mathcal{A}$$S$

Открытость требует проверки для получения заслуг

Наиболее существенное ограничение на реализации in silico заключается в том, что они никогда не могут быть действительно открытыми.

На момент написания этой статьи невозможно воспроизвести то, что было смоделировано вне системы моделирования. До тех пор, пока нанотехнологии не достигнут точки, в которой трехмерное конструирование и сборка могут перенести живые симуляции в неимитируемую вселенную, эти симуляции, таким образом, закрыты и их жизнеспособность in vito не проверена. Ценность открытых симуляций без какого-либо способа их проверки, по сути, равна нулю, за исключением развлечений.

Даже в области цифрового моделирования, насколько эта технология развивалась, ничего даже близко к универсальному конструктору фон Неймана не было достигнуто. Хотя универсальные конструкторы функциональных копий доступны на языках Scheme, LISP, C ++, Java и более поздних, это незначительный шаг к живым объектам на компьютерах.

Цифровой суп

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

Проблема с исконным цифровым супом - один из комбинаторных взрывов. На поверхности Земли 510 миллионов квадратных километров, и возможны только три категории временных рамок возникновения жизни.

• Текущие оценки близки к верным, что Земля образовалась 4,54 миллиарда лет назад, а чрезвычайно примитивная жизнь возникла 3,5 миллиарда лет назад.
• Органический материал, найденный в Канаде, возраст которого предположительно составляет 3,95 миллиарда лет, сокращает разрыв между образованием планет и формированием жизни на нем, и, возможно, можно обнаружить более древнюю земную жизнь
• Комментарий Владимира Вернадского о том, что жизнь, возможно, существовала на земле, - это больше, чем просто возможность

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

При нанопленках диаметром 20 нм и возможности того, что появление могло занять всего одну секунду, мы должны смоделировать в трех измерениях во времени следующую область пространства-времени в конечных элементах с перекрытием по меньшей мере на 50% во всех трех измерениях.

С квантовым компьютером, который на два этажа превышает размер Швейцарии, время вычислений значительно превысит продолжительность жизни среднего вида на Земле. Люди, скорее всего, вымрут до завершения вычислений.

Поскольку датировка самых старых найденных окаменелостей сходится на датировке Земли, может показаться, что жизнь быстро возникла на земле, но это не логический вывод. Если жизнь сформировалась, как только Земля достаточно остыла, и в оставшиеся миллиарды лет не было обнаружено никаких признаков ее непрерывного появления, то вывод Вернадского о том, что жизнь пришла на землю через одно или несколько пораженных ею тел, становится более вероятным.

Если это так, то нужно задать вопрос, если все предположения отброшены, есть ли у жизни начало.

Имитация жизни против симуляции ее формирования

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

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

Приведение физики вне компьютера в симуляцию может быть невозможным. Будет ли симулированная жизнь, когда она воплощена в роботизированной системе, действительно рассматриваться как жизнь, будет оставлено нашим потомкам, если вид будет достаточно выносливым.

Сноски

[1] Классические случаи включают в себя гелиоцентрическую систему Коперника, уступающую Закону Гравитации, причем этот закон показывает приближение общей теории относительности, о чем свидетельствует правильное предсказание орбиты Меркурия и кривизны света около Солнца, Четыре Элемента, отклоненные в в свете открытия Лавуазье кислорода и абсолютной доказуемости истины в замкнутой символической системе, опровергнутой Геделем во второй теореме о неполноте, а затем частично (с точки зрения вычислимости) окупаемости по теореме Тьюринга о полноте.

Хотя трудно доказать отрицание, я не думаю, что это было сделано.

Самые продвинутые симуляции низкоуровневых функций не способны масштабировать для симуляции достаточно больших популяций на достаточно больших временных масштабах, когда научный консенсус утверждает, что это произошло в реальности.

Хотя вы говорите, что вы не заинтересованы непосредственно в химии, но в некотором абстрактном субстрате, я использую химию в качестве примера задачи. Это потому, что создание упрощенного субстрата с достаточно богатым эмерджентным поведением нетривиально. Химические элементы по существу имеют правила о том, как они объединяются в более крупные физические структуры (посредством различных механизмов связи), и в них вовлечено только приблизительно дюжина типов атомов. Это на самом деле достаточно просто и доступно на самом низком уровне. Проблемы возникают из-за разного масштаба структур - создания «единичных» молекул (оснований ДНК / РНК, белковых пептидов, липидов, оснований сахаров и т. Д.), Создания полимеров из этих звеньев, взаимодействий между полимерами, физических структур, созданных и разрушенных этими взаимодействиями. каждый из которых проявляет более сложное поведение. Эта структурная иерархия, вероятно, требуется для любого самовоспроизводящегося механизма, который не просто получает питание от устройств более высокого уровня напрямую. В вашем вопросе вы хотите найти самовоспроизводящуюся, а не разработанную саморепликацию. , , поэтому кормление в этих подразделениях более высокого уровня, вероятно, будет считаться обманом.

У нас, вероятно, нет вычислительной мощности для правильного моделирования даже эксперимента Миллера-Юри, который далек от саморепликации - химическое моделирование in silico ограничено такими вещами, как расчеты сворачивания белка, и они далеки от реального времени. Внутри только одной бактериальной клетки, готовящейся к делению, белки образуются и складываются сотнями каждую секунду.

Одна вещь, которая была сделана, состоит в том, чтобы создать самовоспроизводящуюся машину в игре жизни Конвея под названием «Близнецы» . Это было разработано, а не спонтанно создано. Тем не менее, он будет иметь очень низкий, но ненулевой шанс самопроизвольного создания со случайной инициализацией. Это был бы очень хрупкий репликатор, однако любая мутация или столкновение с другими активными элементами, скорее всего, сломало бы его. Эксперимент по попыткам случайного / спонтанного создания Близнецов в вычислительном отношении невозможен.

$10^{30}$$10^8$года. В основном это гипотеза о том, что этого достаточно для создания Первоначального Предка Дарвина - это в основном логическая экстраполяция теории эволюции, следуя принципу Бритвы Оккама о поиске простейшего совместимого объяснения.

Изначальные репликаторы могут быть проще, чем вы думаете. Проверьте это видео:

Самовоспроизведение: как молекулы могут делать копии самих себя
_{[Источник: Университет Грёнингена]}

В шумной обстановке вы получаете естественную мутацию. И вуаля, репликация + мутация = эволюция.

Как описал Нил Слэйтер в первом ответе, трудно понять, как самовоспроизводящийся организм работает внутри. Потому что количество возможных действий огромно, и невозможно проверить их все в эволюционном процессе. Для решения этой проблемы в биохимии используется связь между молекулами. Предполагается, что имеется символический язык, который имеет иерархическую структуру, и этот язык позволяет описывать более сложные операции. Термин « Биосемиотика» , цитата:

«Экспериментальное доказательство генетического кода само по себе не казалось достаточным, чтобы классифицировать клетку как семиотическую систему, но Патти утверждал, что этого становится достаточно, когда мы объединяем его с теорией самовоспроизводящихся автоматов, разработанной Джоном фон Нейманом. Барбьери, Марчелло. «Краткая история биосемиотики». Biosemiotics 2.2 (2009): 221-245.

Прежде чем станет возможным создавать самовоспроизводящиеся системы, необходимо проанализировать существующие естественные системы. Или, если быть более точным, «анализатор действий» интерпретирует язык молекул в процессе их самовоспроизводства. После того, как синтаксический анализатор работает, его можно использовать в резервном направлении, то есть передавать случайные сигналы синтаксическому анализатору и исследовать, как будет выглядеть результат на семантическом уровне.