Spontanes Auftreten von Replikatoren im künstlichen Leben

Einer der Eckpfeiler von The Selfish Gene (Dawkins) ist das spontane Auftreten von Replikatoren, dh Molekülen, die sich selbst replizieren können.

Wurde dies in silico in offenen evolutionären / künstlichen Lebenssimulationen modelliert ?

Systeme wie Avida oder Tierra spezifizieren explizit die Replikationsmechanismen. andere genetische Algorithmen / genetische Programmiersysteme suchen explizit nach den Replikationsmechanismen (z. B. um den von Neumann-Universalkonstruktor zu vereinfachen)

Links zu Simulationen, bei denen Replikatoren aus einer ursprünglichen digitalen Suppe hervorgehen, sind willkommen.

Systemansatz

Machen wir uns daran, ein Echtzeitsystem S : X ⇒ Y zu replizieren$S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ ,denen$\mathcal{X}$ ein empirischer kontinuierlicher Verlauf der Eingangs- und ist$\mathcal{Y}$ empirischer kontinuierlicher Verlauf der Leistung, bei einem echten Anfangssystemzustand konditionierte$I$ . Basierend auf einer Definition benötigen wir$S$ , um am Leben zu sein.

Wir können keine Replikation eines theoretischen Lebensmodells mit einem egoistischen Gen oder einem anderen solchen Attribut simulieren, einfach weil kein mathematisch knappes Modell existiert, auf dem die Simulation basieren könnte. Zum jetzigen Zeitpunkt sind nur Hinweise und Kleinigkeiten eines solchen Modells bekannt.

Darüber hinaus sind Modelle mathematische Darstellungen, die sich im Laufe der Menschheitsgeschichte als Annäherungen an die Komplexität herausstellen, sobald Anomalien angesprochen und neue Modelle entwickelt werden, um sie in die Theorie einzubeziehen. ¹

Simulation grob definiert

$\mathcal{A}$$S$

• $S$$H$
• $I$
• $\mathcal{X}_t$$\mathcal{X}$
• $\mathcal{Y}_t$$\mathcal{Y}$
• $\epsilon$

Spontane Entstehung definieren

Mit spontanem Auftauchen ist gemeint, dass eine so astronomisch große Anzahl von Anfangszuständen und Sequenzen von Reizen auftrat, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine der Permutationen lebt, basierend auf einer spezifischen und vernünftigen Definition dessen, was lebt.

Definieren, was Leben ist

Bei der Überprüfung mehrerer Definitionen lebender Organismen umfassen die vernünftigsten Definitionen folgende:

• Der Organismus kann von seiner Umgebung unterschieden werden.
• Der Organismus kann potenzielle Energie und Materialien, die für den Betrieb erforderlich sind, erfassen und zwischenspeichern.
• Der Betrieb umfasst die fortgesetzte Akquisition, wodurch eine bidirektionale und nachhaltige Beziehung zu seiner Umwelt hergestellt wird.
• Der Organismus kann sich grob reproduzieren.
• Die Reproduktion ist ähnlich, aber nicht genau wie bei den Eltern.
• Das Verfahren zur Energie- und Materialbeschaffung kann den Verbrauch anderer Organismen oder ihrer Energie und Materialien umfassen.

Der Wettbewerb um Ressourcen, natürliche Selektion und alle anderen Merkmale der Evolutionstheorie folgt den oben genannten fünf Anforderungen. Darüber hinaus sollte der derzeitige Trend zur Anerkennung der Symbiogenese als gemeinsames Thema bei der Entstehung von Arten nicht verworfen werden.

• Die Replikation eines Organismus kann durch die Zusammensetzung eines anderen Organismus durch Formen der Assimilation oder Symbiose beeinflusst werden, so dass Merkmale über Kategorien von Organismen hinweg weitergegeben werden.

Künstliches Leben als Simulation

Diese sieben Kriterien stellen eine Herausforderung für Menschen dar, die versuchen, künstlich Leben zu erzeugen. Es ist einfach, ein Computermodell so zu erstellen, dass das Leben auf irgendeine Weise simuliert wird. Überlegen Sie, wie.

• Die Umgebung enthält virtuelle Energie und virtuelle Materie.
• Das Modell des Organismus, das sich von seiner Umgebung unterscheidet, kann seine betrieblichen Anforderungen durch eine Reihe von Operationen an der Umwelt erfassen.
• Materie und Energie bleiben erhalten, da die Temperaturen weit unter den nuklearen Schwellenwerten liegen.
• Das Modell des Organismus erlaubt nur dann eine Erfassung, wenn genügend Energie und Material erfasst wurden, um den Cache aufrechtzuerhalten.
• Materie und Energie, die von einem Organismus erworben wurden, können von einem anderen Organismus nur durch Verbrauch oder Absorption eines Organismus erworben werden, der sie erworben oder aus dem erworbenen Organismus erzeugt hat.
• Das Modell des Organismus kann sich so selbst replizieren, dass stochastische Unterschiede in der Replikation in geringen Mengen eingeführt werden.
• Betriebsinformationen, einschließlich Replikationsinformationen, können unter bestimmten Bedingungen durch Verbrauch oder symbiotische Beziehung erfasst werden.

Magische Gene für das spontane Leben

Beachten Sie, dass das egoistische Gen oben nicht erwähnt wurde. Egoismus, dessen Voraussetzung Absicht ist, ist keine Voraussetzung für das Leben. Eine Amöbe denkt nicht egoistisch, wenn sie sich bewegt oder isst. Es funktioniert witzlos. Wir sollten nicht jeden Organismus, den wir untersuchen, anthropomorphisieren oder eine Theorie entwickeln, die auf anthropomorphen Vorstellungen basiert.

Ebenso bilden sich symbiotische Beziehungen, die weder liebevoll noch altruistisch sind. Sie existieren, weil es einen gegenseitigen Nutzen gibt, der als unbeabsichtigtes Nebenprodukt normaler Operationen auftrat und beide symbiotischen Eltern diese symbiotische Verbindung zufällig an ihre jeweiligen Nachkommen weitergaben. Der gegenseitige Nutzen, die Symbiose und die Replikation sind sinnlos und unbeabsichtigt.

Es muss keinen Kontrollmechanismus geben, der sich von allen anderen replizierten Mechanismen unterscheidet, um entweder die symbiotische Zusammenarbeit oder den Wettbewerb zu kontrollieren. Auch sie sind natürliche Folgen von Lebewesen, die sich eine Umgebung teilen. Ob ein Organismus stirbt, weil er

• Verlor seinen Symbionten,
• Verhungert, weil andere Organismen ihre Notwendigkeiten verbraucht haben,
• Der Organismus selbst hat seine eigenen Ressourcen aufgebraucht, oder
• Diese benötigten Ressourcen wurden ansonsten nicht verfügbar gemacht.

es kann sich immer noch nicht replizieren, daher sterben seine Eigenschaften damit ab.

Beachten Sie auch, dass kein Molekül bekannt ist, das sich selbst replizieren kann. Für die Reproduktion sind komplexe Systeme von Molekülen in verschiedenen chemischen Zuständen und Gleichgewichten erforderlich.

Zurück zur Simulation eines bereits vorhandenen Organismus

$S$

$\mathcal{A}$$S$

Offenheit erfordert eine Überprüfung, um Verdienst zu haben

Die wichtigste Einschränkung bei Implementierungen in silico besteht darin , dass sie niemals wirklich unbefristet sein können.

Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keine Möglichkeit, das zu replizieren, was außerhalb des Simulationssystems simuliert wurde. Bis die Nanotechnologie einen Punkt erreicht, an dem 3D-Konstruktion und -Anordnung lebendige Simulationen in das nicht simulierte Universum migrieren können, sind diese Simulationen auf diese Weise geschlossen und ihre Lebensfähigkeit in Vito ist ungetestet. Der Wert von Simulationen mit offenem Ende, ohne dass eine Validierung möglich ist, ist bis auf die Unterhaltung im Wesentlichen Null.

Selbst im Bereich der digitalen Simulation wurde, soweit diese Technologie fortgeschritten ist, nichts erreicht, was dem universellen Konstruktor von Neumanns nahe kommt. Obwohl generische funktionale Kopierkonstruktoren in Scheme, LISP, C ++, Java und späteren Sprachen verfügbar sind, ist dies ein winziger Schritt in Richtung lebender Objekte in Computern.

Digitale Suppe

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

Das Problem mit der ursprünglichen digitalen Suppe ist eines der kombinatorischen Explosionen. Es gibt 510 Millionen Quadratkilometer auf der Erdoberfläche und es sind nur drei Kategorien von Zeitrahmen für den Ursprung des Lebens möglich.

• Die gegenwärtigen Schätzungen sind nahezu richtig, dass sich die Erde vor 4,54 Milliarden Jahren gebildet hat und vor 3,5 Milliarden Jahren extrem primitives Leben entstanden ist
• Das in Kanada gefundene organische Material, das angeblich 3,95 Milliarden Jahre alt ist, verkürzt die Kluft zwischen Planetenbildung und Lebensbildung auf ihm und möglicherweise älterem terrestrischem Leben
• Vladimir Vernadskys Kommentar, dass das Leben möglicherweise bereits existierende Erde hat, ist mehr als nur eine Möglichkeit

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

Mit einem Durchmesser von 20 nm und einer Möglichkeit, dass die Entstehung nur eine Sekunde gedauert hat, müssen wir den folgenden Raum-Zeit-Bereich in finiten Elementen mit mindestens 50% Überlappung in allen drei Dimensionen in drei Dimensionen über die Zeit simulieren.

Mit einem zwei Stockwerke hohen Quantencomputer von der Größe der Schweiz würde die Rechenzeit die Dauer der durchschnittlichen Arten auf der Erde bei weitem überschreiten. Menschen sind wahrscheinlich ausgestorben, bevor die Berechnung abgeschlossen ist.

Da die Datierung der ältesten gefundenen Fossilien mit der Datierung der Erde konvergiert, scheint es, dass das Leben auf der Erde schnell entstanden ist, aber das ist keine logische Schlussfolgerung. Wenn sich Leben gebildet hat, sobald sich die Erde ausreichend abgekühlt hat und in den verbleibenden Milliarden von Jahren keine Hinweise auf ein kontinuierliches Auftauchen gefunden wurden, wird Vernadskys Schlussfolgerung, dass Leben durch einen oder mehrere der Körper, die es getroffen haben, auf die Erde gelangt ist, wahrscheinlicher.

Wenn dies der Fall ist, muss man sich die Frage stellen, ob das Leben überhaupt einen Anfang hatte, wenn alle Annahmen fallengelassen wurden.

Simulation des Lebens versus Simulation seiner Entstehung

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

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

Es kann unmöglich sein, die Physik außerhalb eines Computers an die Simulation anzupassen. Ob simuliertes Leben, wenn es in einem Robotersystem verkörpert ist, tatsächlich als Leben betrachtet wird, bleibt unseren Nachkommen überlassen, sollte die Art ausreichend aushalten.

Fußnoten

[1] Klassische Fälle umfassen das heliozentrische kopernikanische System, das dem Gesetz der Schwerkraft Platz macht, wobei dieses Gesetz eine Annäherung an die allgemeine Relativitätstheorie zeigt, wie durch die richtige Vorhersage der Umlaufbahn von Merkur und der Krümmung des Lichts in der Nähe der Sonne gezeigt wird Licht von Lavoisiers Entdeckung von Sauerstoff und der absoluten Beweisbarkeit der Wahrheit innerhalb eines geschlossenen symbolischen Systems, das von Gödel in seinem zweiten Unvollständigkeitssatz widerlegt und dann durch Turings Vollständigkeitssatz teilweise (in Bezug auf die Berechenbarkeit) wieder hergestellt wurde.

Obwohl es schwierig ist, ein Negativ zu beweisen, glaube ich nicht, dass dies getan wurde.

Die fortschrittlichsten Simulationen von Merkmalen auf niedriger Ebene sind nicht skalierbar, um ausreichend große Populationen in ausreichend großen Zeitskalen zu simulieren, wenn der wissenschaftliche Konsens behauptet, dass dies in der Realität geschehen ist.

Obwohl Sie sagen, dass Sie nicht direkt an Chemie interessiert sind, sondern an einem abstrakten Substrat, verwende ich die Chemie als Beispiel für die Herausforderung. Dies liegt daran, dass die Schaffung eines vereinfachten Substrats mit ausreichend reichem emergentem Verhalten nicht trivial ist. Die chemischen Elemente haben im Wesentlichen Regeln darüber, wie sie sich zu größeren physikalischen Strukturen verbinden (über verschiedene Bindungsmechanismen), und nur etwa ein Dutzend Arten von Atomen sind beteiligt. Es ist eigentlich ziemlich einfach und auf der untersten Ebene nachvollziehbar. Die Probleme ergeben sich aus den verschiedenen Skalen der Struktur - Aufbau von "Einheits" -Molekülen (DNA / RNA-Basen, Proteinpeptide, Lipide, Zuckerbasen usw.), die aus diesen Einheiten Polymere erzeugen, Wechselwirkungen zwischen Polymeren, physikalische Strukturen, die durch diese Wechselwirkungen aufgebaut und abgerissen werden , von denen jedes ein komplexeres Verhalten zeigt. Diese strukturelle Hierarchie ist wahrscheinlich für alle sich selbst replizierenden Maschinen erforderlich, die nicht einfach direkt von den übergeordneten Einheiten gespeist werden. In Ihrer Frage möchten Sie eine Selbstreplikation finden, die auftaucht und nicht entworfen wurde. . . Das Einspeisen dieser übergeordneten Einheiten würde also wahrscheinlich als Betrug gelten.

Wir haben wahrscheinlich nicht die Rechenleistung, um selbst das Miller-Urey-Experiment, das weit von einer Selbstreplikation entfernt ist , richtig zu simulieren - chemische Simulationen in silico beschränken sich auf Dinge wie Proteinfaltungsberechnungen, und diese sind weit entfernt von Echtzeit. In nur einer einzigen Bakterienzelle, die sich auf die Teilung vorbereitet, werden Proteine ​​pro Sekunde zu Hunderten produziert und gefaltet.

Eine Sache, die getan wurde, ist die Schaffung einer sich selbst replizierenden Maschine in Conways Spiel des Lebens namens "Gemini" . Dies wurde entworfen, nicht spontan erstellt. Es hätte jedoch eine sehr geringe, aber nicht Null-Chance, spontan mit zufälliger Initialisierung erstellt zu werden. Es wäre jedoch ein sehr fragiler Replikator, jede Mutation oder Kollision mit anderen aktiven Elementen würde ihn wahrscheinlich zerstören. Das Experiment, zufällig / spontan Zwillinge zu erzeugen, ist rechnerisch nicht durchführbar.

$10^{30}$$10^8$Jahre. Es wird hauptsächlich vermutet, dass dies ausreicht, um einen ersten darwinistischen Vorfahren zu erstellen - es ist im Grunde eine logische Extrapolation auf die Evolutionstheorie, die dem Razor-Prinzip von Occam folgt, nach einfachsten kompatiblen Erklärungen zu suchen.

Ursprüngliche Replikatoren können einfacher sein als Sie denken. Schauen Sie sich dieses Video an:

Selbstreplikation: Wie Moleküle Kopien von sich selbst _erstellen können
_{[Quelle: Universität Groeningen]}

In einer lauten Umgebung kommt es zu einer natürlichen Mutation. Und voila, Replikation + Mutation = Evolution.

Wie Neil Slater in der ersten Antwort beschrieben hat, ist es schwierig herauszufinden, wie ein sich selbst replizierender Organismus intern funktioniert. Weil die Anzahl der möglichen Aktionen sehr groß ist und es nicht möglich ist, sie alle in einem Evolutionsprozess zu testen. Was in der Biochemie zur Lösung des Problems verwendet wird, ist eine Kommunikation zwischen Molekülen. Die Annahme ist, dass eine symbolische Sprache verfügbar ist, die eine hierarchische Struktur hat und diese Sprache ermöglicht, komplexere Operationen zu beschreiben. Der Forschungsbegriff ist Biosemiotik , Zitat:

„Der experimentelle Nachweis des genetischen Codes allein schien nicht genug zu sein, um die Zelle als semiotisches System zu kategorisieren, aber Pattee argumentierte, dass dies ausreicht, wenn wir ihn mit der von John von Neumann entwickelten Theorie selbstreplizierender Automaten kombinieren Barbieri, Marcello. "Eine kurze Geschichte der Biosemiotik." Biosemiotics 2.2 (2009): 221 & ndash; 245.

Bevor es möglich wird, sich selbst replizierende Systeme zu erstellen, müssen vorhandene natürliche Systeme zuerst analysiert werden. Genauer gesagt interpretiert ein „Action Parser“ die Sprache der Moleküle in ihrem selbstreplizierenden Prozess. Nachdem der Parser funktioniert hat, ist es möglich, ihn in Reserverichtung zu verwenden, dh zufällige Signale an den Parser zu senden und zu untersuchen, wie das Ergebnis auf semantischer Ebene aussehen wird.