Sự xuất hiện tự phát của máy sao chép trong cuộc sống nhân tạo

Một trong những hòn đá tảng của The Selfish Gene (Dawkins) là sự xuất hiện tự phát của các bộ sao, tức là các phân tử có khả năng tự sao chép.

Điều này đã được mô hình hóa trong silico trong mô phỏng cuộc sống tiến hóa / nhân tạo kết thúc mở?

Các hệ thống như Avida hoặc Tierra chỉ định rõ ràng các cơ chế sao chép; thuật toán di truyền / hệ thống lập trình di truyền khác tìm kiếm rõ ràng các cơ chế sao chép (ví dụ để đơn giản hóa hàm tạo phổ von Neumann)

Liên kết đến các mô phỏng nơi các bộ sao xuất hiện từ một món súp kỹ thuật số nguyên thủy được chào đón.

Phương pháp tiếp cận hệ thống

Chúng ta hãy bắt đầu sao chép một hệ thống thời gian thực , nơi là một lịch sử liên tục thực nghiệm của đầu vào và kinh nghiệm lịch sử liên tục của đầu ra, lạnh khi một trạng thái hệ thống ban đầu thực . Dựa trên một số định nghĩa, chúng tôi yêu cầu còn sống.$S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$$\mathcal{X}$$\mathcal{Y}$$I$$S$

Chúng ta không thể mô phỏng một bản sao của một mô hình lý thuyết về sự sống, với một gen ích kỷ hoặc bất kỳ thuộc tính nào khác, đơn giản là vì không có mô hình ngắn gọn nào về mặt toán học mà mô phỏng có thể tồn tại. Theo văn bản này, chỉ có gợi ý và chi tiết nhỏ của một mô hình như vậy được biết đến.

Hơn nữa, các mô hình là các biểu diễn toán học, trong suốt lịch sử loài người, được tìm thấy là xấp xỉ các phức tạp một khi các bất thường được giải quyết và các mô hình mới phát triển để kết hợp chúng vào lý thuyết. ¹

Mô phỏng được xác định rõ ràng

Nếu chúng ta kiểm tra một thuật toán chung để sao chép , sao chép có thể được phác họa sơ bộ như sau.$\mathcal{A}$$S$

• Ước tính hệ thống , về cơ bản hình thành giả thuyết .$S$$H$
• Trạng thái ban đầu mô phỏng .$I$
• Bắt đầu một loạt các kích thích riêng biệt gần đúng với thực và liên tục .$\mathcal{X}_t$$\mathcal{X}$
• Có được hành vi hệ thống kết quả dưới dạng các quan sát rời rạc của .$\mathcal{Y}_t$$\mathcal{Y}$
• Xác minh sự khác biệt giữa các hệ thống mô phỏng và thực tế nằm trong phạm vi cho phép .$\epsilon$

Xác định sự xuất hiện tự phát

Bởi sự xuất hiện tự phát có nghĩa là một loạt các trạng thái và chuỗi kích thích ban đầu lớn như vậy xảy ra rằng có khả năng cao một trong những hoán vị còn sống, dựa trên một số định nghĩa cụ thể và hợp lý về những gì đang sống.

Xác định cuộc sống là gì

Xem xét một số định nghĩa về các sinh vật sống, các định nghĩa hợp lý nhất bao gồm:

• Các sinh vật có thể được phân biệt với môi trường của nó.
• Các sinh vật có thể có được và lưu trữ năng lượng tiềm năng và vật liệu cần thiết để hoạt động.
• Hoạt động của nó bao gồm tiếp tục mua lại, tạo ra mối quan hệ hai chiều và bền vững với môi trường của nó.
• Các sinh vật đại khái có thể tự sinh sản.
• Việc sao chép tương tự nhưng không chính xác như cha mẹ.
• Phương pháp thu nhận năng lượng và vật liệu có thể bao gồm việc tiêu thụ các sinh vật khác hoặc năng lượng và vật liệu của nó.

Cạnh tranh về tài nguyên, chọn lọc tự nhiên và tất cả các tính năng khác của lý thuyết tiến hóa là hệ quả của năm yêu cầu trên. Ngoài ra, xu hướng hiện nay đối với việc công nhận sự cộng sinh là một chủ đề phổ biến trong sự xuất hiện của các loài không nên bị loại bỏ.

• Sự sao chép của một sinh vật có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần của một sinh vật khác thông qua các hình thức đồng hóa hoặc cộng sinh sao cho các đặc điểm được truyền qua các loại sinh vật.

Cuộc sống nhân tạo như một sự mô phỏng

Bảy tiêu chí này đặt ra một thách thức cho con người cố gắng tạo ra sự sống một cách giả tạo. Thật dễ dàng để tạo ra một mô hình máy tính sao cho cuộc sống được mô phỏng theo một cách nào đó. Xem xét làm thế nào.

• Môi trường chứa năng lượng ảo và vật chất ảo.
• Mô hình của sinh vật, được phân biệt với môi trường của nó, có thể có được các yêu cầu hoạt động của nó từ môi trường thông qua một tập hợp các hoạt động trên nó.
• Vật chất và năng lượng được bảo tồn vì nhiệt độ thấp hơn nhiều so với ngưỡng hạt nhân.
• Mô hình của sinh vật chỉ cho phép thu nhận nếu đủ năng lượng và vật liệu thu được đã xảy ra để duy trì bộ đệm.
• Vật chất và năng lượng có được từ một sinh vật không thể được mua bởi một sinh vật khác ngoại trừ việc tiêu thụ hoặc hấp thụ một sinh vật thu được nó hoặc sản xuất nó từ sinh vật được mua.
• Mô hình của sinh vật có thể tự sao chép theo cách mà sự khác biệt ngẫu nhiên trong sao chép được giới thiệu với số lượng nhỏ.
• Thông tin hoạt động, bao gồm thông tin sao chép, có thể có được thông qua tiêu dùng hoặc mối quan hệ cộng sinh trong một số điều kiện.

Gen huyền diệu cho cuộc sống tự phát

Lưu ý rằng gen ích kỷ không được đề cập ở trên. Sự ích kỷ, điều kiện tiên quyết trong đó là ý định, không phải là một yêu cầu cho cuộc sống. Một con amip không suy nghĩ ích kỷ khi nó di chuyển hoặc ăn. Nó hoạt động một cách dí dỏm. Chúng ta không nên nhân hóa mọi sinh vật chúng ta nghiên cứu, hoặc phát triển lý thuyết dựa trên các quan niệm nhân học.

Tương tự, các mối quan hệ cộng sinh hình thành mà không yêu thương cũng không vị tha. Chúng tồn tại bởi vì có một lợi ích chung xuất hiện dưới dạng sản phẩm phụ ngoài ý muốn của các hoạt động bình thường và cả cha mẹ cộng sinh đã tình cờ truyền mối liên hệ cộng sinh đó với con cái tương ứng của chúng. Lợi ích chung, sự cộng sinh và nhân rộng là dí dỏm và ngoài ý muốn.

Không cần phải có một cơ chế kiểm soát khác biệt với tất cả các cơ chế sao chép khác để kiểm soát sự hợp tác hoặc cạnh tranh cộng sinh. Chúng cũng là hậu quả tự nhiên của việc sống chung một môi trường. Liệu một sinh vật chết vì nó

• Mất cộng sinh,
• Chết đói vì các sinh vật khác tiêu thụ nhu yếu phẩm của nó,
• Các sinh vật tự cạn kiệt tài nguyên của mình, hoặc
• Những tài nguyên cần thiết được đưa ra không có sẵn,

nó vẫn không thể sao chép, vì vậy những đặc điểm của nó chết theo nó.

Cũng lưu ý rằng không có phân tử được biết có thể tự sao chép. Các hệ thống phức tạp của các phân tử trong một loạt các trạng thái hóa học và cân bằng được yêu cầu để sinh sản diễn ra.

Quay trở lại mô phỏng một sinh vật đã tồn tại

Vận hành một hệ thống chia sẻ thời gian hoặc phân phối các sinh vật mô phỏng này theo cách sắp xếp xử lý song song một ngày nào đó có thể mô phỏng một sinh quyển, nhưng nó không phải là một trong đó chỉ có liên quan đến điện hóa bóng bán dẫn. Không có mối quan hệ trực tiếp thực sự giữa năng lượng và vật chất của hệ thống được sử dụng để lắp ráp mô phỏng và năng lượng và vật chất của môi trường mô phỏng trong đó các hệ thống mô phỏng$S$ cư trú.

$\mathcal{A}$$S$

Kết thúc mở yêu cầu xác minh để có công

Hạn chế đáng kể nhất đối với việc triển khai trong silico , là chúng không bao giờ có thể thực sự kết thúc mở.

Không có cách nào để viết bài này để sao chép cái được mô phỏng bên ngoài hệ thống mô phỏng. Cho đến khi công nghệ nano đạt đến điểm mà việc xây dựng và lắp ráp 3D có thể di chuyển các mô phỏng sống vào vũ trụ không được mô phỏng, các mô phỏng này được kết thúc theo cách đó và khả năng tồn tại của chúng trong vito chưa được kiểm chứng. Giá trị của các mô phỏng kết thúc mở mà không có cách nào để xác nhận chúng về cơ bản là bằng không trừ việc giải trí.

Ngay cả trong không gian mô phỏng kỹ thuật số, theo như công nghệ đã phát triển, không có gì thậm chí gần với nhà xây dựng phổ quát của von Neumann đã được thực hiện. Mặc dù các hàm tạo sao chép chức năng chung có sẵn trong Scheme, LISP, C ++, Java và các ngôn ngữ sau này, đó là một bước rất nhỏ đối với các đối tượng sống trong máy tính.

Súp kỹ thuật số

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

Vấn đề với súp kỹ thuật số nguyên thủy là một trong những vụ nổ kết hợp. Có 510 triệu km vuông trên bề mặt trái đất và chỉ có ba loại khung thời gian nguồn gốc sự sống có thể.

• Các ước tính hiện tại gần đúng, rằng trái đất hình thành cách đây 4,54 tỷ năm và sự sống vô cùng nguyên thủy đã xuất hiện 3,5 tỷ năm trước
• Vật liệu hữu cơ được tìm thấy ở Canada được cho là 3,95 tỷ năm tuổi rút ngắn khoảng cách giữa sự hình thành hành tinh và sự hình thành sự sống trên đó và sự sống trên mặt đất cũ hơn có thể được tìm thấy
• Nhận xét của Vladimir Vernadsky rằng cuộc sống có thể có trái đất từ ​​trước đến nay không chỉ là một khả năng

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

Với các nanobes có đường kính 20nm và khả năng xuất hiện chỉ mất một giây, chúng ta phải mô phỏng theo ba chiều theo thời gian miền không gian sau trong các phần tử hữu hạn với ít nhất 50% trùng lặp ở cả ba chiều.

Với một máy tính lượng tử có kích thước cao hai tầng của Thụy Sĩ, thời gian tính toán sẽ vượt quá thời gian của các loài trung bình trên trái đất. Con người có khả năng bị tuyệt chủng trước khi tính toán hoàn tất.

Khi việc hẹn hò của những hóa thạch được tìm thấy lâu đời nhất hội tụ vào việc hẹn hò của trái đất, có vẻ như sự sống nổi lên nhanh chóng trên trái đất, nhưng đó không phải là một kết luận hợp lý. Nếu sự sống hình thành ngay khi trái đất nguội đủ và không có bằng chứng nào cho thấy sự xuất hiện liên tục trong hàng tỷ năm còn lại, thì suy luận của Vernadsky rằng sự sống đến trên trái đất thông qua một hoặc nhiều cơ thể tấn công nó sẽ trở nên có thể xảy ra hơn.

Nếu đó là trường hợp, thì người ta phải đặt câu hỏi, nếu tất cả các giả định được loại bỏ, liệu cuộc sống có bắt đầu hay không.

Mô phỏng cuộc sống Versus Mô phỏng sự hình thành của nó

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

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

Phù hợp vật lý bên ngoài một máy tính để mô phỏng có thể là không thể. Cho dù cuộc sống được mô phỏng, khi được thể hiện trong một hệ thống robot thực sự sẽ được coi là sự sống sẽ để lại cho con cháu chúng ta, nếu loài này chịu đựng đủ.

Chú thích

[1] Các trường hợp kinh điển bao gồm hệ thống Copernic nhật tâm nhường chỗ cho Định luật hấp dẫn, định luật đó được thể hiện gần đúng với thuyết tương đối rộng như được thể hiện bởi dự đoán đúng về quỹ đạo của Sao Thủy và độ cong của ánh sáng gần mặt trời, Tứ giác bị loại bỏ ánh sáng của phát hiện oxy của Lavoisier và khả năng chứng minh tuyệt đối của sự thật trong một hệ thống biểu tượng khép kín đã bị Gôdel bác bỏ trong định lý bất toàn thứ hai của ông và sau đó lấy lại một phần (về khả năng tính toán) bằng định lý tính hoàn chỉnh của Turing.

Mặc dù khó chứng minh điều tiêu cực, tôi không nghĩ rằng điều này đã được thực hiện.

Các mô phỏng tiên tiến nhất của các tính năng cấp thấp không có khả năng mở rộng để mô phỏng các quần thể đủ lớn ở quy mô thời gian đủ lớn, nơi đồng thuận khoa học tuyên bố rằng điều này đã xảy ra trong thực tế.

Mặc dù bạn nói rằng bạn không quan tâm trực tiếp đến hóa học, nhưng một số chất nền trừu tượng, tôi đang sử dụng hóa học như một ví dụ về thách thức. Đó là bởi vì việc tạo ra một chất nền đơn giản hóa với đủ hành vi nổi lên phong phú là không tầm thường. Các nguyên tố hóa học về cơ bản có các quy tắc về cách chúng kết hợp thành các cấu trúc vật lý lớn hơn (thông qua các cơ chế liên kết khác nhau) và chỉ có khoảng một chục loại nguyên tử được tham gia. Nó thực sự hợp lý đơn giản và dễ điều khiển ở mức thấp nhất. Các vấn đề đến từ nhiều quy mô cấu trúc - phân tử "đơn vị" (cơ sở DNA / RNA, peptide protein, lipit, cơ sở đường, v.v.), tạo ra các polyme từ các đơn vị đó, tương tác giữa các polyme, cấu trúc vật lý được xây dựng và phá hủy bởi các tương tác đó , mỗi trong số đó thể hiện hành vi phức tạp hơn. Hệ thống phân cấp cấu trúc này có thể được yêu cầu cho bất kỳ máy móc tự sao chép nào không chỉ đơn giản được cung cấp trực tiếp cho các đơn vị cấp cao hơn. Trong câu hỏi của bạn, bạn muốn tìm bản sao tự xuất hiện, không được thiết kế. . . Vì vậy, cho ăn trong các đơn vị cấp cao hơn có thể sẽ được tính là gian lận.

Có lẽ chúng ta không có khả năng tính toán để mô phỏng chính xác ngay cả thí nghiệm Miller-Urey khác xa so với tự sao chép - mô phỏng hóa học trong silico bị giới hạn ở những thứ như tính toán gấp protein và chúng khác xa với thời gian thực. Bên trong chỉ là một tế bào vi khuẩn chuẩn bị phân chia, protein được sản xuất và gấp hàng trăm lần mỗi giây.

Một điều đã được thực hiện là tạo ra một cỗ máy tự sao chép trong Trò chơi cuộc sống của Conway có tên là "Gemini" . Điều này đã được thiết kế, không tự phát. Tuy nhiên, nó sẽ có cơ hội rất thấp nhưng không bằng không được tạo ra một cách tự nhiên với sự khởi tạo ngẫu nhiên. Nó sẽ là một bản sao rất mong manh mặc dù, bất kỳ đột biến hoặc va chạm với các yếu tố hoạt động khác có thể sẽ phá vỡ nó. Thử nghiệm cố gắng tạo ngẫu nhiên / tự phát Song Tử không khả thi về mặt tính toán.

$10^{30}$$10^8$năm Chủ yếu phỏng đoán rằng điều này là đủ để tạo ra Tổ tiên Darwin ban đầu - về cơ bản nó là phép ngoại suy logic đối với thuyết tiến hóa, theo nguyên tắc Dao cạo của Occam để tìm kiếm lời giải thích tương thích đơn giản nhất.

Bản sao nguyên thủy có thể đơn giản hơn bạn nghĩ. Kiểm tra video này:

Tự sao chép: Làm thế nào các phân tử có thể tạo bản sao của chính mình
_{[Nguồn: Đại học Groeningen]}

Trong một môi trường ồn ào, bạn nhận được đột biến tự nhiên. Và voila, nhân rộng + đột biến = tiến hóa.

Giống như Neil Slater trong câu trả lời đầu tiên đã mô tả, thật khó để tìm ra cách một sinh vật tự sao chép hoạt động bên trong. Bởi vì số lượng các hành động có thể là rất lớn và không thể kiểm tra tất cả chúng trong một quá trình tiến hóa. Những gì được sử dụng trong hóa sinh để giải quyết vấn đề là sự giao tiếp giữa các phân tử. Giả định là, có sẵn một ngôn ngữ tượng trưng có cấu trúc phân cấp và ngôn ngữ này cho phép mô tả các hoạt động phức tạp hơn. Thuật ngữ nghiên cứu là Biosemiotics , trích dẫn:

Bằng chứng thực nghiệm về mã di truyền dường như không đủ để tự phân loại tế bào thành một hệ thống bán động, nhưng Pattee lập luận rằng nó trở nên đủ khi chúng ta kết hợp nó với lý thuyết tự động tự sao chép do John von Neumann phát triển Thanh Barbieri, Marcello. "Một lịch sử ngắn của dịch sinh học." Khoa học sinh học 2.2 (2009): 221-245.

Trước khi có thể tạo ra các hệ thống tự sao chép, các hệ thống tự nhiên hiện có phải được phân tích cú pháp trước. Hay nói cụ thể hơn, một trình phân tích cú pháp hành động của Wikipedia, diễn giải ngôn ngữ của các phân tử trong quá trình tự sao chép của chúng. Sau khi trình phân tích cú pháp hoạt động, có thể sử dụng anh ta theo hướng dự trữ, điều đó có nghĩa là đặt tín hiệu ngẫu nhiên cho trình phân tích cú pháp và điều tra kết quả sẽ như thế nào ở mức độ ngữ nghĩa.