Aparición espontánea de replicadores en la vida artificial.

Una de las piedras angulares de The Selfish Gene (Dawkins) es la aparición espontánea de replicadores, es decir, moléculas capaces de replicarse a sí mismas.

¿Se ha modelado esto en silico en simulaciones de vida evolutivas / artificiales abiertas?

Sistemas como Avida o Tierra especifican explícitamente los mecanismos de replicación; otros algoritmos genéticos / sistemas de programación genética buscan explícitamente los mecanismos de replicación (por ejemplo, para simplificar el constructor universal von Neumann)

Los enlaces a simulaciones donde los replicadores emergen de una sopa digital primordial son bienvenidos.

Enfoque de sistemas

Vamos a replicar un sistema en tiempo real $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , donde$\mathcal{X}$ es una historia continua empírica de entrada y$\mathcal{Y}$ historia continua empírica de salida, condicionado a un verdadero estado del sistema inicial$I$ . Según alguna definición, requerimos que$S$ esté vivo.

No podemos simular una replicación de un modelo teórico de la vida, con un gen egoísta o cualquier otro atributo, simplemente porque no existe un modelo matemáticamente conciso en el que pueda basarse la simulación. Al momento de escribir este artículo, solo se conocen sugerencias y minucias de dicho modelo.

Además, los modelos son representaciones matemáticas que, a lo largo de la historia humana, son aproximaciones de complejidades una vez que se abordan las anomalías y se desarrollan nuevos modelos para incorporarlas a la teoría. ¹

Simulación más o menos definida

Si examinamos un algoritmo general $\mathcal{A}$ para replicar $S$ , la replicación se puede esbozar de la siguiente manera.

• Estimación sistema $S$ , formando esencialmente hipótesis $H$ .
• Simular estado inicial $I$ .
• Inicie una serie de estímulos discretos $\mathcal{X}_t$ aproximándose a la $\mathcal{X}$ real y continua .
• Adquirir resultante comportamiento del sistema $\mathcal{Y}_t$ como observaciones discretas de $\mathcal{Y}$ .
• Verifique que la diferencia entre sistemas simulados y reales esté dentro del error permitido $\epsilon$ .

Definición de emergencia espontánea

Por emergencia espontánea se entiende que se produjo una gama astronómicamente tan grande de estados iniciales y secuencias de estímulos que existe una alta probabilidad de que una de las permutaciones esté viva, según una definición específica y razonable de lo que está viviendo.

Definiendo lo que es la vida

Al revisar varias definiciones de organismos vivos, las definiciones más razonables incluyen:

• El organismo puede distinguirse de su entorno.
• El organismo puede adquirir y almacenar en caché la energía potencial y los materiales necesarios para operar.
• Su operación incluye adquisición continua, produciendo una relación bidireccional y sostenible con su entorno.
• El organismo puede reproducirse aproximadamente.
• La reproducción es similar pero no exactamente igual a la de los padres.
• El método de adquisición de energía y materiales puede incluir el consumo de otros organismos o su energía y materiales.

Competir por los recursos, la selección natural y todas las demás características de la teoría evolutiva son el corolario de los cinco requisitos anteriores. Además de estos, no debe descartarse la tendencia actual hacia el reconocimiento de la simbiogénesis como un tema común en la aparición de especies.

• La replicación de un organismo puede verse influenciada por la composición de otro organismo a través de formas de asimilación o simbiosis, de modo que los rasgos se transmitan a través de categorías de organismos.

La vida artificial como simulación

Estos siete criterios plantean un desafío para los humanos que intentan generar vida artificialmente. Es fácil crear un modelo de computadora que simule la vida de alguna manera. Considera cómo.

• El entorno contiene energía virtual y materia virtual.
• El modelo del organismo, distinguido de su entorno, puede adquirir sus requisitos operativos del entorno a través de un conjunto de operaciones en él.
• La materia y la energía se conservan porque las temperaturas están muy por debajo de los umbrales nucleares.
• El modelo del organismo permite la adquisición solo si se ha producido suficiente adquisición de energía y materiales para mantener el caché.
• La materia y la energía adquiridas por un organismo no pueden ser adquiridas por otro organismo, excepto por el consumo o la absorción de un organismo que lo adquirió o lo produjo a partir de lo que se adquirió.
• El modelo del organismo puede autorreplicarse de tal manera que las diferencias estocásticas en la replicación se introducen en pequeñas cantidades.
• La información operativa, incluida la información de replicación, puede adquirirse a través del consumo o la relación simbiótica en algunas condiciones.

Genes Mágicos para la Vida Espontánea

Tenga en cuenta que el gen egoísta no se menciona anteriormente. El egoísmo, cuyo requisito previo es la intención, no es un requisito para la vida. Una ameba no piensa egoístamente cuando se mueve o come. Funciona sin ingenio. No debemos antropomorfizar todos los organismos que estudiamos, ni desarrollar una teoría basada en concepciones antropomórficas.

Del mismo modo, se forman relaciones simbióticas que no son amorosas ni altruistas. Existen porque existe un beneficio mutuo que apareció como un subproducto involuntario de las operaciones normales y ambos padres simbióticos pasaron esa conexión simbiótica a sus respectivos descendientes. El beneficio mutuo, la simbiosis y la replicación son ingeniosos e involuntarios.

No es necesario que exista un mecanismo de control distinto de todos los demás mecanismos replicados para controlar la colaboración simbiótica o la competencia. También son consecuencias naturales de los seres vivos que comparten un entorno. Si un organismo muere porque

• Perdió su simbionte,
• Muere de hambre porque otros organismos consumieron sus necesidades,
• El organismo mismo agotó sus propios recursos, o
• Esos recursos necesarios de otra manera quedaron disponibles,

todavía no puede replicarse, por lo que sus rasgos mueren con él.

Tenga en cuenta también que no hay una molécula conocida que pueda replicarse a sí misma. Se requieren sistemas complejos de moléculas en una variedad de estados químicos y equilibrios para que tenga lugar la reproducción.

Volviendo a la simulación de un organismo ya existente

$S$

$\mathcal{A}$$S$

La finalización abierta requiere verificación para tener mérito

La limitación más importante de las implementaciones en silico es que nunca pueden ser realmente abiertas.

A partir de este escrito, no hay forma de replicar lo que se simuló fuera del sistema de simulación. Hasta que la nanotecnología llegue a un punto donde la construcción y el ensamblaje en 3D puedan migrar simulaciones vivas al universo no simulado, estas simulaciones son cerradas de esa manera y su viabilidad en Vito no se ha probado. El valor de las simulaciones abiertas sin ninguna forma de validarlas es esencialmente cero, excepto por diversión.

Incluso en el espacio de la simulación digital, en la medida en que esa tecnología ha progresado, no se ha logrado nada ni siquiera cerca del constructor universal de von Neumann. Aunque los constructores genéricos de copia funcional están disponibles en Scheme, LISP, C ++, Java y lenguajes posteriores, este es un paso minúsculo hacia los objetos vivos en las computadoras.

Sopa digital

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

El problema con la sopa digital primordial es una de las explosiones combinatorias. Hay 510 millones de kilómetros cuadrados en la superficie de la tierra, y solo hay tres categorías de marcos de tiempo de origen de vida posibles.

• Las estimaciones actuales son casi correctas: la Tierra se formó hace 4.54 mil millones de años y la vida extremadamente primitiva surgió hace 3.5 mil millones de años.
• El material orgánico encontrado en Canadá que supuestamente tiene 3.95 mil millones de años acorta la brecha entre la formación planetaria y la formación de vida en él y se puede encontrar vida terrestre más antigua
• El comentario de Vladimir Vernadsky de que la vida pudo haber preexistido en la Tierra es más que una posibilidad

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

Dado que los nanobios tienen un diámetro de 20 nm y la posibilidad de que la aparición solo haya tomado un segundo, tenemos que simular en tres dimensiones a lo largo del tiempo el siguiente dominio espacio-tiempo en elementos finitos con al menos un 50% de superposición en las tres dimensiones.

Con una computadora cuántica de dos pisos del tamaño de Suiza, el tiempo de computación excedería ampliamente la duración de la especie promedio en la tierra. Es probable que los humanos se extingan antes de que se complete el cálculo.

Como la datación de los fósiles encontrados más antiguos converge en la datación de la tierra, puede parecer que la vida surgió rápidamente en la tierra, pero esa no es una conclusión lógica. Si la vida se formó tan pronto como la tierra se enfrió lo suficiente y no se encontró evidencia de una emergencia continua en los miles de millones de años restantes, entonces la inferencia de Vernadsky de que la vida llegó a la tierra a través de uno o más de los cuerpos que la golpearon se vuelve más probable.

Si ese es el caso, entonces uno debe hacer la pregunta, si se abandonan todas las suposiciones, si la vida tuvo un comienzo.

Simulando la vida versus simulando su formación

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

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

Puede ser imposible adaptar la física fuera de una computadora a la simulación. Ya sea que la vida simulada, cuando se encarna en un sistema robótico realmente se considere vida, se dejará a nuestros descendientes, si la especie aguanta lo suficiente.

Notas al pie

[1] Los casos clásicos incluyen el sistema copernicano heliocéntrico que da paso a la Ley de la Gravedad, que se muestra como una aproximación de la relatividad general, como lo muestra la predicción adecuada de la órbita de Mercurio y la curvatura de la luz cerca del sol, los Cuatro Elementos desechados en a la luz del descubrimiento de oxígeno de Lavoisier, y la probabilidad absoluta de la verdad dentro de un sistema simbólico cerrado refutado por Gödel en su segundo teorema de incompletitud y luego recuperado parcialmente (en términos de computabilidad) por el teorema de integridad de Turing.

Aunque es difícil demostrar que es negativo, no creo que esto se haya hecho.

Las simulaciones más avanzadas de características de bajo nivel no son capaces de escalar para simular poblaciones lo suficientemente grandes en escalas de tiempo lo suficientemente grandes donde el consenso científico afirma que esto ha sucedido en realidad.

Aunque usted dice que no está directamente interesado en la química, sino en un sustrato abstracto, estoy usando la química como ejemplo del desafío. Esto se debe a que crear un sustrato simplificado con suficiente comportamiento emergente no es trivial. Los elementos químicos tienen esencialmente reglas sobre cómo se combinan en estructuras físicas más grandes (a través de diferentes mecanismos de enlace) y solo están involucrados aproximadamente una docena de tipos de átomos. En realidad, es razonablemente simple y manejable en el nivel más bajo. Los problemas provienen de las múltiples escalas de estructura: la construcción de moléculas de "unidad" (bases de ADN / ARN, péptidos de proteínas, lípidos, bases de azúcar, etc.), creando polímeros a partir de esas unidades, interacciones entre polímeros, estructuras físicas construidas y destruidas por esas interacciones , cada uno de los cuales exhibe un comportamiento más complejo. Es probable que esta jerarquía estructural sea necesaria para cualquier maquinaria autorreplicante que no se esté alimentando directamente a las unidades de nivel superior. En su pregunta, desea encontrar la autorreplicación que sea emergente, no diseñada. . . por lo que la alimentación en estas unidades de nivel superior probablemente cuente como trampa.

Probablemente no tengamos el poder computacional para simular adecuadamente incluso el experimento de Miller-Urey que está lejos de la autorreplicación: las simulaciones químicas en silico se limitan a cosas como los cálculos de plegamiento de proteínas, y están lejos del tiempo real. Dentro de una sola célula bacteriana que se prepara para dividirse, las proteínas se producen y se pliegan por cientos cada segundo.

Una cosa que se ha hecho es crear una máquina autorreplicante en el Juego de la Vida de Conway llamada "Gemini" . Esto fue diseñado, no creado espontáneamente. Sin embargo, tendría una probabilidad muy baja pero no nula de ser creado espontáneamente con una inicialización aleatoria. Sin embargo, sería un replicador muy frágil, cualquier mutación o colisión con otros elementos activos probablemente lo rompería. El experimento de intentar crear Gemini al azar / espontáneamente no es computacionalmente factible.

$10^{30}$$10^8$años. Principalmente es una conjetura que esto es suficiente para crear un Ancestro Darwiniano Inicial; es básicamente una extrapolación lógica a la teoría de la evolución, siguiendo el principio de la Navaja de Occam de buscar una explicación compatible más simple.

Los replicadores primordiales pueden ser más simples de lo que piensas. Mira este video:

Autorreplicación: cómo las moléculas pueden hacer copias de sí mismas
_{[Fuente: Universidad de Groeningen]}

En un ambiente ruidoso, obtienes una mutación natural. Y voila, replicación + mutación = evolución.

Como lo describió Neil Slater en la primera respuesta, es difícil descubrir cómo funciona internamente un organismo autorreplicante. Debido a que el número de acciones posibles es enorme y no es posible probarlas todas en un proceso evolutivo. Lo que se usa en bioquímica para resolver el problema es una comunicación entre moléculas. La suposición es que existe un lenguaje simbólico que tiene una estructura jerárquica y este lenguaje permite describir operaciones más complejas. El término de investigación es Biosemiotics , cita:

“La evidencia experimental del código genético no parecía suficiente, por sí sola, para clasificar la célula como un sistema semiótico, pero Pattee argumentó que se vuelve suficiente cuando la combinamos con la teoría de autómatas autorreplicantes desarrollada por John von Neumann Barbieri, Marcello. "Una breve historia de la biosemiótica". Biosemiotics 2.2 (2009): 221-245.

Antes de que sea posible crear sistemas autorreplicantes, los sistemas naturales existentes deben analizarse primero. O para ser más específicos, un "analizador de acción" interpreta el lenguaje de las moléculas en su proceso de autorreplicación. Después de que el analizador funciona, es posible usarlo en la dirección de reserva, lo que significa poner señales aleatorias al analizador e investigar cómo se verá el resultado a nivel semántico.