Munculnya replikator secara spontan dalam Kehidupan Buatan

Salah satu batu sudut The Selfish Gene (Dawkins) adalah munculnya replikator secara spontan, yaitu molekul yang mampu mereplikasi diri mereka sendiri.

Apakah ini telah dimodelkan dalam silico dalam simulasi evolusi / kehidupan buatan yang terbuka?

Sistem seperti Avida atau Tierra secara eksplisit menentukan mekanisme replikasi; algoritma genetika / sistem pemrograman genetik lainnya secara eksplisit mencari mekanisme replikasi (mis. untuk menyederhanakan konstruktor universal von Neumann)

Tautan ke simulasi tempat replikator muncul dari sup digital primordial dipersilakan.

Pendekatan Sistem

Mari kita mulai mereplikasi sistem waktu nyata $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , di mana$\mathcal{X}$ adalah sejarah inputkontinu empirisdan$\mathcal{Y}$ sejarah output kontinu empiris, dikondisikan pada keadaan sistem awal nyata$I$ . Berdasarkan beberapa definisi, kita membutuhkan$S$ untuk hidup.

Kita tidak dapat mensimulasikan replikasi model kehidupan teoretis, dengan gen yang mementingkan diri sendiri atau atribut lain semacam itu, hanya karena tidak ada model tersemat matematis yang menjadi dasar simulasi. Pada tulisan ini, hanya petunjuk dan minutia dari model seperti itu yang diketahui.

Selain itu, model adalah representasi matematis yang, sepanjang sejarah manusia, ditemukan sebagai perkiraan kompleksitas setelah anomali ditangani dan model baru berkembang untuk memasukkannya ke dalam teori. ¹

Simulasi Didefinisikan Secara Kasar

Jika kita menguji algoritma umum $\mathcal{A}$ untuk mereplikasi$S$ , replikasi dapat secara kasar digambarkan sebagai berikut.

• Perkirakan sistem $S$ , pada dasarnya membentuk hipotesis$H$ .
• Mensimulasikan keadaan awal $I$ .
• Memulai serangkaian diskrit rangsangan $\mathcal{X}_t$ mendekati nyata dan berkesinambungan$\mathcal{X}$ .
• Memperoleh perilaku sistem yang dihasilkan $\mathcal{Y}_t$ sebagai pengamatan terpisah dari$\mathcal{Y}$ .
• Verifikasi perbedaan antara sistem yang disimulasikan dan yang sebenarnya berada dalam kesalahan yang diizinkan $\epsilon$ .

Mendefinisikan Kemunculan Spontan

Dengan kemunculan spontan berarti bahwa serangkaian keadaan awal dan sekuens rangsangan yang sedemikian besar secara astronomis terjadi sehingga ada kemungkinan tinggi salah satu permutasi hidup, berdasarkan pada definisi spesifik dan masuk akal apa yang hidup.

Menentukan Apa Kehidupan Itu

Meninjau beberapa definisi organisme hidup, definisi paling masuk akal meliputi ini:

• Organisme dapat dibedakan dari lingkungannya.
• Organisme dapat memperoleh dan menyimpan energi dan bahan potensial yang diperlukan untuk beroperasi.
• Operasinya mencakup akuisisi berkelanjutan, menghasilkan hubungan dua arah dan berkelanjutan dengan lingkungannya.
• Organisme secara kasar dapat mereproduksi dirinya sendiri.
• Reproduksi mirip dengan tetapi tidak persis seperti induknya.
• Metode perolehan energi dan material dapat mencakup konsumsi organisme lain atau energi dan materialnya.

Bersaing untuk sumber daya, seleksi alam, dan semua fitur lain dari teori evolusi adalah wajar dengan lima persyaratan di atas. Selain itu, kecenderungan saat ini untuk mengakui simbiogenesis sebagai tema umum dalam munculnya spesies tidak boleh diabaikan.

• Replikasi satu organisme dapat dipengaruhi oleh komposisi organisme lain melalui bentuk asimilasi atau simbiosis sedemikian rupa sehingga sifat-sifat dilewatkan melintasi kategori organisme.

Kehidupan Buatan sebagai Simulasi

Ketujuh kriteria ini menimbulkan tantangan bagi manusia yang berusaha menghasilkan kehidupan secara artifisial. Sangat mudah untuk membuat model komputer sedemikian rupa sehingga kehidupan disimulasikan dalam beberapa cara. Pertimbangkan caranya.

• Lingkungan mengandung energi virtual dan materi virtual.
• Model organisme, dibedakan dari lingkungannya, dapat memperoleh persyaratan operasionalnya dari lingkungan melalui serangkaian operasi di atasnya.
• Mater dan energi dilestarikan karena suhunya jauh di bawah ambang batas nuklir.
• Model organisme memungkinkan akuisisi hanya jika cukup energi dan material telah terjadi untuk mempertahankan cache.
• Materi dan energi yang diperoleh oleh satu organisme tidak dapat diperoleh oleh organisme lain kecuali dengan konsumsi atau penyerapan suatu organisme yang mendapatkannya atau diproduksi dari apa yang diperoleh.
• Model organisme dapat mereplikasi diri sedemikian rupa sehingga perbedaan stokastik dalam replikasi diperkenalkan dalam jumlah kecil.
• Informasi operasional, termasuk informasi replikasi, dapat diperoleh melalui konsumsi atau hubungan simbiotik dalam beberapa kondisi.

Gen Ajaib untuk Kehidupan Spontan

Perhatikan bahwa gen egois tidak disebutkan di atas. Sifat mementingkan diri sendiri, prasyarat niat, bukan persyaratan untuk hidup. Amuba tidak berpikir egois ketika bergerak atau makan. Ini beroperasi tanpa belas kasihan. Kita seharusnya tidak melakukan antropomorfisasi setiap organisme yang kita pelajari, atau mengembangkan teori berdasarkan pada konsepsi antropomorfik.

Demikian pula, hubungan simbiotik membentuk yang tidak mencintai atau altruistik. Mereka ada karena ada saling menguntungkan yang muncul sebagai produk sampingan yang tidak disengaja dari operasi normal dan kedua orang tua simbiotik kebetulan melewati koneksi simbiotik ke keturunan masing-masing. Saling menguntungkan, simbiosis, dan replikasi tidak ada artinya dan tidak disengaja.

Tidak perlu ada mekanisme kontrol yang berbeda dari semua mekanisme yang direplikasi untuk mengontrol kolaborasi simbiotik atau kompetisi. Mereka juga adalah konsekuensi alami dari makhluk hidup yang berbagi lingkungan. Apakah suatu organisme mati karena itu

• Kehilangan simbionnya,
• Kelaparan karena organisme lain memakan kebutuhannya,
• Organisme itu sendiri menghabiskan sumber dayanya sendiri, atau
• Sumber daya yang dibutuhkan itu dinyatakan tidak tersedia,

itu masih tidak bisa ditiru, sehingga sifatnya mati bersamanya.

Perhatikan juga bahwa tidak ada molekul diketahui yang dapat mereplikasi dirinya sendiri. Sistem kompleks molekul dalam berbagai keadaan kimia dan keseimbangan diperlukan untuk reproduksi berlangsung.

Kembali ke Simulasi Organisasi yang Sudah Ada

$S$

$\mathcal{A}$$S$

Keterbukaan membutuhkan Verifikasi untuk Memiliki Kelebihan

Keterbatasan yang paling signifikan pada implementasi dalam silico , adalah bahwa mereka tidak akan pernah benar-benar terbuka.

Tidak ada cara pada tulisan ini untuk meniru apa yang disimulasikan di luar sistem simulasi. Sampai nanoteknologi mencapai titik di mana konstruksi dan perakitan 3D dapat memigrasi simulasi hidup ke alam semesta yang tidak disimulasi, simulasi ini ditutup dengan cara seperti itu dan kelayakannya dalam vito belum teruji. Nilai simulasi terbuka tanpa cara untuk memvalidasinya pada dasarnya nol kecuali untuk hiburan.

Bahkan dalam ruang simulasi digital, sejauh teknologi itu telah berkembang, bahkan tidak ada yang dekat dengan konstruktor universal von Neumann telah tercapai. Meskipun generik fungsional copy konstruktor tersedia dalam Skema, LISP, C ++, Java, dan bahasa yang lebih baru, seperti itu adalah langkah sangat kecil menuju objek hidup di komputer.

Sup Digital

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

Masalah dengan sup digital primordial adalah salah satu ledakan kombinasinya. Ada 510 juta Km persegi di permukaan bumi, dan hanya ada tiga kategori kerangka waktu asal usul kehidupan yang mungkin.

• Perkiraan saat ini hampir benar, bahwa bumi terbentuk 4,54 miliar tahun yang lalu dan kehidupan yang sangat primitif muncul 3,5 miliar tahun yang lalu
• Bahan organik yang ditemukan di Kanada yang diduga berusia 3,95 miliar tahun memperpendek jarak antara pembentukan planet dan pembentukan kehidupan di atasnya dan kehidupan terestrial yang lebih tua dapat ditemukan
• Komentar Vladimir Vernadsky bahwa kehidupan mungkin memiliki bumi yang sudah ada sebelumnya lebih dari sekadar kemungkinan

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

Dengan nanobes berdiameter 20 nm dan kemungkinan kemunculannya hanya membutuhkan waktu satu detik, kita harus mensimulasikan dalam tiga dimensi seiring waktu domain ruang-waktu berikut dalam elemen hingga dengan setidaknya 50% tumpang tindih dalam ketiga dimensi.

Dengan komputer kuantum dua lantai setinggi Swiss, waktu komputasi akan jauh melebihi durasi spesies rata-rata di bumi. Manusia cenderung punah sebelum perhitungan selesai.

Ketika penanggalan fosil tertua yang ditemukan bertemu pada penanggalan bumi, mungkin tampak bahwa kehidupan muncul dengan cepat di bumi, tetapi itu bukan kesimpulan logis. Jika kehidupan terbentuk segera setelah bumi mendingin dan tidak ada bukti kemunculan terus menerus yang ditemukan dalam miliaran tahun yang tersisa, maka kesimpulan Vernadsky bahwa kehidupan tiba di bumi melalui satu atau lebih dari tubuh yang menabraknya menjadi lebih memungkinkan.

Jika itu masalahnya, maka seseorang harus mengajukan pertanyaan, jika semua asumsi dijatuhkan, apakah kehidupan memiliki awal sama sekali.

Mensimulasikan Kehidupan vs. Mensimulasikan Formasinya

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

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

Menyesuaikan fisika di luar komputer dengan simulasi mungkin tidak mungkin. Apakah kehidupan yang disimulasikan, ketika diwujudkan dalam sistem robot benar-benar akan dianggap hidup akan diserahkan kepada keturunan kita, haruskah spesies bertahan dengan cukup.

Catatan kaki

[1] Kasus klasik termasuk sistem Copernican heliosentris yang memberi jalan kepada Hukum Gravitasi, bahwa hukum menunjukkan perkiraan relativitas umum seperti yang ditunjukkan oleh prediksi yang tepat dari orbit Merkurius dan kelengkungan cahaya di dekat matahari, Four Elements yang diberhentikan Terang penemuan Lavoisier tentang oksigen, dan kebenaran mutlak yang dapat dibuktikan dalam sistem simbolis tertutup yang dibantah oleh Gödel dalam teorema ketidaklengkapan keduanya dan kemudian diperoleh kembali sebagian (dalam hal kemampuan komputasi) oleh teorema kelengkapan Turing.

Meskipun sulit untuk membuktikan negatif, saya tidak berpikir ini telah dilakukan.

Simulasi fitur tingkat rendah yang paling canggih tidak mampu melakukan penskalaan untuk mensimulasikan populasi yang cukup besar pada skala waktu yang cukup besar di mana konsensus ilmiah mengklaim bahwa ini telah terjadi dalam kenyataan.

Meskipun Anda mengatakan bahwa Anda tidak tertarik secara langsung dalam kimia, tetapi beberapa substrat abstrak, saya menggunakan kimia sebagai contoh dari tantangan. Itu karena membuat substrat yang disederhanakan dengan perilaku muncul kaya yang cukup adalah tidak sepele. Unsur-unsur kimia pada dasarnya memiliki aturan tentang bagaimana mereka bergabung menjadi struktur fisik yang lebih besar (melalui mekanisme ikatan yang berbeda) dan hanya sekitar selusin jenis atom yang terlibat. Ini sebenarnya cukup sederhana dan mudah ditelusuri pada tingkat terendah. Masalahnya berasal dari berbagai skala molekul "unit" pembangun struktur (basis DNA / RNA, peptida protein, lipid, basis gula dll), menciptakan polimer dari unit-unit itu, interaksi antara polimer, struktur fisik yang dibangun dan dihancurkan oleh interaksi tersebut , masing-masing menunjukkan perilaku yang lebih kompleks. Hirarki struktural ini mungkin diperlukan untuk mesin replikasi diri apa pun yang tidak sekadar diumpankan ke unit tingkat yang lebih tinggi secara langsung. Dalam pertanyaan Anda, Anda ingin menemukan replikasi diri yang muncul, tidak dirancang. . . jadi memberi makan di unit tingkat yang lebih tinggi ini mungkin akan dianggap sebagai kecurangan.

Kami mungkin tidak memiliki kekuatan komputasi untuk mensimulasikan dengan benar bahkan percobaan Miller-Urey yang jauh dari replikasi diri - simulasi kimia dalam silico terbatas pada hal-hal seperti perhitungan pelipatan protein, dan ini jauh dari waktu-nyata. Di dalam hanya satu sel bakteri yang siap untuk membelah, protein diproduksi dan dilipat oleh ratusan setiap detik.

Satu hal yang telah dilakukan adalah membuat mesin replikasi diri Game of Life Conway yang disebut "Gemini" . Ini dirancang, tidak dibuat secara spontan. Namun, itu akan memiliki peluang yang sangat rendah tetapi tidak nol untuk diciptakan secara spontan dengan inisialisasi acak. Ini akan menjadi replikator yang sangat rapuh, mutasi atau tabrakan dengan elemen aktif lainnya kemungkinan akan mematahkannya. Eksperimen mencoba membuat Gemini secara acak / spontan tidak layak secara komputasi.

$10^{30}$$10^8$tahun. Terutama dugaan bahwa ini cukup untuk menciptakan Leluhur Darwinian Awal - pada dasarnya ini merupakan ekstrapolasi logis terhadap teori evolusi, mengikuti prinsip Razor Occam dalam mencari penjelasan kompatibel yang paling sederhana.

Replikator primordial bisa lebih sederhana dari yang Anda pikirkan. Lihat video ini:

Replikasi Diri: Bagaimana molekul dapat membuat salinannya sendiri
_{[Sumber: University of Groeningen]}

Dalam lingkungan yang bising Anda mendapatkan mutasi alami. Dan voila, replikasi + mutasi = evolusi.

Seperti yang dijelaskan oleh Neil Slater dalam jawaban pertama, sulit untuk mengetahui bagaimana organisme yang mereplikasi diri bekerja secara internal. Karena jumlah tindakan yang mungkin sangat besar dan tidak mungkin untuk menguji semuanya dalam proses evolusi. Apa yang digunakan dalam biokimia untuk menyelesaikan masalah adalah komunikasi antar molekul. Asumsinya adalah, bahwa bahasa simbolik tersedia yang memiliki struktur hierarkis dan bahasa ini memungkinkan untuk menggambarkan operasi yang lebih kompleks. Istilah penelitian adalah Biosemiotik , kutipan:

“Bukti eksperimental kode genetik tampaknya tidak cukup, sendiri, untuk mengkategorikan sel sebagai sistem semiotik, tetapi Pattee berpendapat bahwa itu menjadi cukup ketika kita menggabungkannya dengan teori automata yang mereplikasi diri yang dikembangkan oleh John von Neumann "Barbieri, Marcello. "Sejarah singkat biosemiotik." Biosemiotik 2.2 (2009): 221-245.

Sebelum menjadi mungkin untuk membuat sistem replikasi diri, sistem alami yang ada harus diuraikan terlebih dahulu. Atau untuk lebih spesifik, "pengurai aksi" menafsirkan bahasa molekul dalam proses replikasi diri mereka. Setelah parser bekerja, dimungkinkan untuk menggunakannya dalam arah cadangan, yang berarti menempatkan sinyal acak ke parser dan menyelidiki seperti apa hasilnya pada tingkat semantik.