Emergência espontânea de replicadores na Vida Artificial

Uma das pedras angulares do gene egoísta (Dawkins) é o surgimento espontâneo de replicadores, isto é, moléculas capazes de se replicar.

Isso foi modelado em silico em simulações de vida evolutiva / artificial abertas?

Sistemas como Avida ou Tierra especificam explicitamente os mecanismos de replicação; outros algoritmos genéticos / sistemas de programação genética pesquisam explicitamente os mecanismos de replicação (por exemplo, para simplificar o construtor universal von Neumann)

Links para simulações em que os replicadores emergem de uma sopa digital primordial são bem-vindos.

Abordagem de sistemas

Vamos começar a replicar um sistema em tempo real $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , onde$\mathcal{X}$ é uma história empírica contínua de entrada e$\mathcal{Y}$ história contínua empírica de saída, condicionada a um verdadeiro estado inicial do sistema$I$ . Com base em alguma definição, exigimos que$S$ esteja vivo.

Não podemos simular uma replicação de um modelo teórico de vida, com um gene egoísta ou qualquer outro atributo, simplesmente porque não existe um modelo matematicamente conciso no qual a simulação possa se basear. No momento da redação deste documento, apenas dicas e minúcias desse modelo são conhecidas.

Além disso, modelos são representações matemáticas que, ao longo da história humana, são consideradas aproximações de complexidades, uma vez que as anomalias são abordadas e novos modelos são desenvolvidos para incorporá-las à teoria. ¹

Simulação Definida Aproximadamente

Se examinarmos um algoritmo geral $\mathcal{A}$ para replicar$S$ , a replicação pode ser esboçada da seguinte maneira.

• Sistema de estimativa $S$ , formando essencialmente hipótese$H$ .
• Estado Simulate inicial $I$ .
• Iniciar uma série de estímulos discretos $\mathcal{X}_t$ aproximando o $\mathcal{X}$ real e contínuo .
• Adquirir o comportamento resultante do sistema $\mathcal{Y}_t$ como observações discretas de $\mathcal{Y}$ .
• Verifique se a diferença entre os sistemas simulados e os reais está dentro do erro permitido $\epsilon$ .

Definindo Emergência Espontânea

Por emergência espontânea, entende-se que ocorreu um conjunto astronômico tão grande de estados iniciais e seqüências de estímulos que existe uma alta probabilidade de uma das permutações estar viva, com base em alguma definição específica e razoável do que está vivendo.

Definindo o que é a vida

Analisando várias definições de organismos vivos, as definições mais razoáveis ​​incluem:

• O organismo pode ser diferenciado de seu ambiente.
• O organismo pode adquirir e armazenar em cache a energia potencial e os materiais necessários para operar.
• Sua operação inclui aquisição continuada, produzindo um relacionamento bidirecional e sustentável com o meio ambiente.
• O organismo pode se reproduzir aproximadamente.
• A reprodução é semelhante, mas não exatamente como os pais.
• O método de aquisição de energia e materiais pode incluir o consumo de outros organismos ou de sua energia e materiais.

Competir por recursos, seleção natural e todos os outros recursos da teoria da evolução são corolários dos cinco requisitos acima. Além disso, a tendência atual de reconhecer a simbiogênese como um tema comum no surgimento de espécies não deve ser descartada.

• A replicação de um organismo pode ser influenciada pela composição de outro organismo através de formas de assimilação ou simbiose, de modo que as características sejam passadas entre categorias de organismos.

Vida Artificial como Simulação

Esses sete critérios representam um desafio para os seres humanos que tentam gerar vida artificialmente. É fácil criar um modelo de computador para que a vida seja simulada de alguma forma. Considere como.

• O ambiente contém energia virtual e matéria virtual.
• O modelo do organismo, diferenciado de seu ambiente, pode adquirir seus requisitos operacionais do ambiente por meio de um conjunto de operações nele.
• A matéria e a energia são conservadas porque as temperaturas estão muito abaixo dos limiares nucleares.
• O modelo do organismo permite a aquisição apenas se houver aquisição suficiente de energia e materiais para manter o cache.
• A matéria e a energia adquiridas por um organismo não podem ser adquiridas por outro organismo, exceto pelo consumo ou absorção de um organismo que a adquiriu ou produziu a partir do que foi adquirido.
• O modelo do organismo pode se auto-replicar de maneira que diferenças estocásticas na replicação sejam introduzidas em pequenas quantidades.
• Informações operacionais, incluindo informações de replicação, podem ser adquiridas através do consumo ou relacionamento simbiótico sob algumas condições.

Genes mágicos para a vida espontânea

Observe que o gene egoísta não é mencionado acima. O egoísmo, cujo pré-requisito é a intenção, não é um requisito para a vida. Uma ameba não pensa egoisticamente quando se move ou come. Opera sem sentido. Não devemos antropomorfizar todos os organismos que estudamos, nem desenvolver teoria baseada em concepções antropomórficas.

Da mesma forma, formam-se relações simbióticas que não são amorosas nem altruístas. Eles existem porque existe um benefício mútuo que apareceu como subproduto não intencional de operações normais e os dois pais simbióticos passaram a transmitir essa conexão simbiótica aos seus respectivos filhos. O benefício mútuo, a simbiose e a replicação são sem sentido e sem intenção.

Não é necessário haver um mecanismo de controle distinto de todos os outros mecanismos replicados para controlar a colaboração simbiótica ou a concorrência. Eles também são consequências naturais de seres vivos que compartilham um ambiente. Se um organismo morre porque

• Perdeu seu simbionte,
• Fome de fome porque outros organismos consumiram suas necessidades,
• O próprio organismo esgotou seus próprios recursos, ou
• Caso contrário, esses recursos necessários seriam indisponíveis,

ainda é incapaz de se replicar, então suas características morrem com ele.

Observe também que não há molécula conhecida que possa se replicar. Sistemas complexos de moléculas em uma variedade de estados químicos e equilíbrios são necessários para que a reprodução ocorra.

Retornando à simulação de um organismo já existente

$S$

$\mathcal{A}$$S$

A franqueza requer verificação para ter mérito

A limitação mais significativa nas implementações no silico é que elas nunca podem ser realmente abertas.

Até o momento, não há como replicar o que foi simulado fora do sistema de simulação. Até a nanotecnologia chegar a um ponto em que a construção e montagem em 3D possam migrar simulações vivas para o universo não simulado, essas simulações são fechadas dessa maneira e sua viabilidade no vito não é testada. O valor das simulações abertas, sem qualquer forma de validá-las, é essencialmente zero, exceto por diversão.

Mesmo no espaço da simulação digital, até onde essa tecnologia progrediu, nada foi alcançado nem perto do construtor universal de von Neumann. Embora os construtores de cópias funcionais genéricas estejam disponíveis nas linguagens Scheme, LISP, C ++, Java e posteriores, esse é um passo minúsculo para os objetos vivos nos computadores.

Sopa Digital

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

O problema da sopa digital primordial é uma das explosões combinatórias. Existem 510 milhões de quilômetros quadrados na superfície da Terra e existem apenas três categorias possíveis de tempo de origem da vida.

• As estimativas atuais estão quase corretas, de que a Terra se formou 4,54 bilhões de anos atrás e a vida extremamente primitiva surgiu há 3,5 bilhões de anos
• O material orgânico encontrado no Canadá, que supostamente tem 3,95 bilhões de anos, encurta a lacuna entre a formação planetária e a formação de vida nela e a vida terrestre mais antiga pode ser encontrada
• O comentário de Vladimir Vernadsky de que a vida pode ter preexistente a Terra é mais do que apenas uma possibilidade

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

Com nanobes tendo 20 nm de diâmetro e a possibilidade de que a emergência tenha demorado apenas um segundo, temos que simular em três dimensões ao longo do tempo o domínio espaço-tempo a seguir em elementos finitos com pelo menos 50% de sobreposição nas três dimensões.

Com um computador quântico de dois andares com o tamanho da Suíça, o tempo de computação excederia muito a duração da espécie média na Terra. É provável que os seres humanos sejam extintos antes que o cálculo seja concluído.

À medida que a datação dos fósseis mais antigos encontrados converge para a datação da Terra, pode parecer que a vida surgiu rapidamente na Terra, mas essa não é uma conclusão lógica. Se a vida se formou assim que a Terra esfriou o suficiente e nenhuma evidência de emergência contínua é encontrada nos bilhões de anos restantes, a inferência de Vernadsky de que a vida chegou à Terra através de um ou mais dos corpos que a atingiram se torna mais provável.

Se for esse o caso, é preciso fazer a pergunta, se todas as suposições forem descartadas, se a vida teve um começo.

Simulando a vida versus simulando sua formação

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

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

Conformar a física fora de um computador à simulação pode ser impossível. Se a vida simulada, quando incorporada em um sistema robótico, será realmente considerada vida, será deixada para nossos descendentes, caso as espécies durem o suficiente.

Notas de rodapé

[1] Os casos clássicos incluem o sistema copernicano heliocêntrico que dá lugar à Lei da Gravidade, sendo mostrada uma lei da aproximação da relatividade geral, como mostra a previsão apropriada da órbita de Mercúrio e a curvatura da luz perto do sol, os Quatro Elementos descartados em luz da descoberta de oxigênio de Lavoisier e provabilidade absoluta da verdade dentro de um sistema simbólico fechado refutado por Gödel em seu segundo teorema da incompletude e depois recuperado parcialmente (em termos de computabilidade) pelo teorema da completude de Turing.

Embora seja difícil provar um negativo, não acho que isso tenha sido feito.

As simulações mais avançadas de recursos de baixo nível não são capazes de escalar para simular populações grandes o suficiente em escalas de tempo grandes, onde o consenso científico afirma que isso aconteceu na realidade.

Embora você diga que não está diretamente interessado em química, mas em algum substrato abstrato, estou usando a química como exemplo do desafio. Isso ocorre porque a criação de um substrato simplificado com um comportamento emergente rico o suficiente não é trivial. Os elementos químicos têm essencialmente regras sobre como eles se combinam em estruturas físicas maiores (através de diferentes mecanismos de ligação) e apenas cerca de uma dúzia de tipos de átomos estão envolvidos. Na verdade, é razoavelmente simples e tratável no nível mais baixo. Os problemas vêm das múltiplas escalas de estrutura - moléculas de "unidade" (bases de DNA / RNA, peptídeos de proteínas, lipídios, bases de açúcar etc.), criando polímeros a partir dessas unidades, interações entre polímeros, estruturas físicas construídas e destruídas por essas interações , cada um dos quais exibe um comportamento mais complexo. Essa hierarquia estrutural provavelmente é necessária para qualquer maquinaria de auto-replicação que não esteja simplesmente sendo alimentada diretamente às unidades de nível superior. Na sua pergunta, você deseja encontrar a replicação automática que é emergente, não projetada. . . portanto, a alimentação nessas unidades de nível superior provavelmente contaria como trapaça.

Provavelmente não temos o poder computacional para simular adequadamente até o experimento de Miller-Urey, que está longe de se auto-replicar - as simulações químicas em silico são limitadas a coisas como cálculos de dobragem de proteínas e estão longe de ser em tempo real. Dentro de apenas uma célula bacteriana se preparando para se dividir, as proteínas são produzidas e dobram às centenas a cada segundo.

Uma coisa que foi feita é criar uma máquina auto-replicante no Jogo da Vida de Conway, chamada "Gemini" . Isso foi projetado, não criado espontaneamente. No entanto, teria uma chance muito baixa, mas diferente de zero, de ser criada espontaneamente com inicialização aleatória. Seria um replicador muito frágil, porém, qualquer mutação ou colisão com outros elementos ativos provavelmente o quebraria. O experimento de tentar criar aleatoriamente / espontaneamente Gêmeos não é computacionalmente viável.

$10^{30}$$10^8$anos. É principalmente suposição que isso é suficiente para criar um ancestral darwiniano inicial - é basicamente uma extrapolação lógica da teoria da evolução, seguindo o princípio do Navalha de Occam de procurar uma explicação compatível mais simples.

Replicadores primordiais podem ser mais simples do que você pensa. Confira este vídeo:

Auto-replicação: como as moléculas podem fazer cópias de si mesmas
_{[Fonte: University of Groeningen]}

Em um ambiente barulhento, você recebe mutação natural. E pronto, replicação + mutação = evolução.

Como Neil Slater na primeira resposta descreveu, é difícil descobrir como um organismo auto-replicante funciona internamente. Porque o número de ações possíveis é enorme e não é possível testá-las todas em um processo evolutivo. O que é usado na bioquímica para resolver o problema é uma comunicação entre moléculas. O pressuposto é que está disponível uma linguagem simbólica que possui uma estrutura hierárquica e que essa linguagem permite descrever operações mais complexas. O termo de pesquisa é Biosemiotics , citação:

“A evidência experimental do código genético não pareceu suficiente, por si só, para categorizar a célula como um sistema semiótico, mas Pattee argumentou que isso se torna suficiente quando a combinamos com a teoria dos autômatos auto-replicantes desenvolvidos por John von Neumann. Barbieri, Marcello. "Uma breve história dos biossemióticos." Biosemiotics 2.2 (2009): 221-245.

Antes de se tornar possível criar sistemas auto-replicantes, os sistemas naturais existentes devem ser analisados ​​primeiro. Ou, para ser mais específico, um "analisador de ação" interpreta a linguagem das moléculas em seu processo de auto-replicação. Depois que o analisador funciona, é possível usá-lo na direção de reserva, ou seja, colocar sinais aleatórios no analisador e investigar como será o resultado no nível semântico.