Émergence spontanée de réplicateurs dans la vie artificielle

L'une des pierres angulaires du gène égoïste (Dawkins) est l'émergence spontanée de réplicateurs, c'est-à-dire des molécules capables de se répliquer.

Est-ce que cela a été modélisé in silico dans des simulations évolutives de vie évolutive / artificielle?

Des systèmes comme Avida ou Tierra spécifient explicitement les mécanismes de réplication; d'autres algorithmes génétiques / systèmes de programmation génétique recherchent explicitement les mécanismes de réplication (par exemple pour simplifier le constructeur universel von Neumann)

Les liens vers des simulations où des réplicateurs émergent d'une soupe numérique primordiale sont les bienvenus.

Approche systémique

Commençons à reproduire un système en temps réel $S: \mathcal{X} \Rightarrow \mathcal{Y} \; | \; I$ , où$\mathcal{X}$ est une histoire continue empirique d'entrée et$\mathcal{Y}$ histoire continue empirique de sortie, conditionnée par un état réel du système initial$I$ . Sur la base d'une certaine définition, nous avons besoin que$S$ soit vivant.

Nous ne pouvons pas simuler une réplication d'un modèle théorique de vie, avec un gène égoïste ou tout autre attribut de ce type, simplement parce qu'il n'existe aucun modèle mathématiquement laconique sur lequel la simulation pourrait être basée. Au moment de la rédaction de ce document, seuls les indices et les détails d'un tel modèle sont connus.

De plus, les modèles sont des représentations mathématiques qui, tout au long de l'histoire humaine, se sont révélées être des approximations de la complexité une fois les anomalies résolues et de nouveaux modèles développés pour les incorporer à la théorie. ¹

Simulation grossièrement définie

Si nous examinons un algorithme général $\mathcal{A}$ pour répliquer $S$ , la réplication peut être grossièrement esquissée comme suit.

• Estimation système $S$ , formant essentiellement hypothèse $H$ .
• État initial Simuler $I$ .
• Initier une série de stimuli discrets $\mathcal{X}_t$ rapprochant du $\mathcal{X}$ réel et continu .
• Acquérir le comportement du système résultant $\mathcal{Y}_t$ comme observations discrètes de $\mathcal{Y}$ .
• Vérifiez que la différence entre les systèmes simulés et réels se situe dans les limites de l'erreur admissible $\epsilon$ .

Définir l'émergence spontanée

Par émergence spontanée, on entend qu'un tel éventail astronomique d'états initiaux et de séquences de stimuli s'est produit qu'il existe une forte probabilité que l'une des permutations soit vivante, sur la base d'une définition spécifique et raisonnable de ce qui est vivant.

Définir ce qu'est la vie

En examinant plusieurs définitions des organismes vivants, les définitions les plus raisonnables sont les suivantes:

• L'organisme se distingue de son environnement.
• L'organisme peut acquérir et mettre en cache l'énergie potentielle et les matériaux nécessaires au fonctionnement.
• Son opération comprend une acquisition continue, produisant une relation bidirectionnelle et durable avec son environnement.
• L'organisme peut se reproduire grossièrement.
• La reproduction est similaire, mais pas exactement, au (x) parent (s).
• La méthode d'acquisition d'énergie et de matériaux peut inclure la consommation d'autres organismes ou son énergie et ses matériaux.

La compétition pour les ressources, la sélection naturelle et toutes les autres caractéristiques de la théorie de l'évolution sont corollaires aux cinq exigences ci-dessus. En plus de cela, la tendance actuelle à reconnaître la symbiogenèse comme un thème commun dans l'émergence des espèces ne doit pas être écartée.

• La réplication d'un organisme peut être influencée par la composition d'un autre organisme par le biais de formes d'assimilation ou de symbiose telles que les traits sont transmis à travers les catégories d'organismes.

La vie artificielle comme simulation

Ces sept critères posent un défi aux humains qui tentent de générer artificiellement de la vie. Il est facile de créer un modèle informatique de telle sorte que la vie soit simulée d'une certaine manière. Considérez comment.

• L'environnement contient de l'énergie virtuelle et de la matière virtuelle.
• Le modèle de l'organisme, distinct de son environnement, peut acquérir ses exigences opérationnelles de l'environnement à travers un ensemble d'opérations sur lui.
• La matière et l'énergie sont conservées car les températures sont bien en dessous des seuils nucléaires.
• Le modèle de l'organisme ne permet l'acquisition que si une quantité suffisante d'énergie et de matériaux a été acquise pour maintenir la cache.
• La matière et l'énergie acquises par un organisme ne peuvent être acquises par un autre organisme que par la consommation ou l'absorption d'un organisme qui l'a acquis ou l'a produit à partir de ce qui a été acquis.
• Le modèle de l'organisme peut s'auto-répliquer de telle manière que des différences stochastiques dans la réplication soient introduites en petites quantités.
• Les informations opérationnelles, y compris les informations de réplication, peuvent être acquises par la consommation ou la relation symbiotique dans certaines conditions.

Des gènes magiques pour la vie spontanée

Notez que le gène égoïste n'est pas mentionné ci-dessus. L'égoïsme, dont la condition préalable est l'intention, n'est pas une exigence pour la vie. Une amibe ne pense pas égoïstement lorsqu'elle bouge ou mange. Il fonctionne sans esprit. Nous ne devons pas anthropomorphiser chaque organisme que nous étudions, ni développer une théorie basée sur des conceptions anthropomorphiques.

De même, des relations symbiotiques se forment qui ne sont ni aimantes ni altruistes. Ils existent parce qu'il y a un avantage mutuel qui est apparu comme un sous-produit involontaire des opérations normales et que les deux parents symbiotiques ont passé cette connexion symbiotique à leur progéniture respective. L'avantage mutuel, la symbiose et la réplication sont inutiles et involontaires.

Il n'est pas nécessaire qu'il existe un mécanisme de contrôle distinct de tous les autres mécanismes répliqués pour contrôler la collaboration symbiotique ou la compétition. Ils sont aussi des conséquences naturelles du fait que les êtres vivants partagent un environnement. Si un organisme meurt parce qu'il

• A perdu son symbiote,
• Meurent de faim parce que d'autres organismes ont consommé ses nécessités,
• L'organisme lui-même a épuisé ses propres ressources, ou
• Sinon, ces ressources nécessaires ont été rendues indisponibles,

il est toujours incapable de se répliquer, donc ses traits meurent avec lui.

Notez également qu'aucune molécule connue ne peut se répliquer. Des systèmes complexes de molécules dans une variété d'états chimiques et d'équilibres sont nécessaires pour que la reproduction ait lieu.

Revenir à la simulation d'un organisme déjà existant

$S$

$\mathcal{A}$$S$

Le caractère ouvert nécessite une vérification pour avoir du mérite

La limitation la plus importante des implémentations in silico est qu'elles ne peuvent jamais être vraiment ouvertes.

Il n'y a aucun moyen à ce jour de reproduire ce qui a été simulé en dehors du système de simulation. Jusqu'à ce que la nanotechnologie atteigne un point où la construction et l'assemblage 3D peuvent migrer des simulations vivantes dans l'univers non simulé, ces simulations sont fermées de cette manière et leur viabilité in vitro n'est pas testée. La valeur des simulations ouvertes sans aucun moyen de les valider est essentiellement nulle, sauf pour l'amusement.

Même dans le domaine de la simulation numérique, dans la mesure où cette technologie a progressé, rien de même proche du constructeur universel de von Neumann n'a été accompli. Bien que les constructeurs de copies fonctionnelles génériques soient disponibles dans les schémas, LISP, C ++, Java et les langages ultérieurs, il s'agit d'une étape minuscule vers les objets vivants dans les ordinateurs.

Soupe numérique

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

Le problème avec la soupe numérique primordiale est l'une des explosions combinatoires. Il y a 510 millions de kilomètres carrés à la surface de la terre, et il n'y a que trois catégories de délais d'origine de la vie possibles.

• Les estimations actuelles sont presque exactes, que la terre s'est formée il y a 4,54 milliards d'années et que la vie extrêmement primitive a émergé il y a 3,5 milliards d'années
• La matière organique trouvée au Canada qui aurait 3,95 milliards d'années raccourcit l'écart entre la formation planétaire et la formation de vie sur elle et la vie terrestre plus ancienne peut être trouvée
• Le commentaire de Vladimir Vernadsky selon lequel la vie pourrait avoir préexisté à la terre est plus qu'une simple possibilité

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

Les nanobes ayant un diamètre de 20 nm et la possibilité que l'émergence n'ait pris qu'une seconde, nous devons simuler en trois dimensions dans le temps le domaine espace-temps suivant en éléments finis avec un chevauchement d'au moins 50% dans les trois dimensions.

Avec un ordinateur quantique de deux étages de la taille de la Suisse, le temps de calcul dépasserait largement la durée de l'espèce moyenne sur terre. Les humains sont susceptibles d'être éteints avant la fin du calcul.

Comme la datation des fossiles les plus anciens trouvés converge vers la datation de la terre, il peut sembler que la vie a émergé rapidement sur terre, mais ce n'est pas une conclusion logique. Si la vie s'est formée dès que la terre s'est suffisamment refroidie et qu'aucune preuve d'émergence continue n'est trouvée dans les milliards d'années restantes, alors l'inférence de Vernadsky selon laquelle la vie est arrivée sur terre par un ou plusieurs des corps qui l'ont frappée devient plus probable.

Si tel est le cas, alors il faut se poser la question, si toutes les hypothèses sont abandonnées, si la vie a eu un début.

Simuler la vie et simuler sa formation

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

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

La conformité de la physique en dehors d'un ordinateur à la simulation peut être impossible. Que la vie simulée, lorsqu'elle est incarnée dans un système robotique, soit réellement considérée comme la vie sera laissée à nos descendants, si l'espèce dure suffisamment.

Notes de bas de page

[1] Les cas classiques incluent le système copernicien héliocentrique cédant la place à la loi de la gravité, cette loi montrant une approximation de la relativité générale comme le montre la bonne prédiction de l'orbite de Mercure et la courbure de la lumière près du soleil, les quatre éléments rejetés dans à la lumière de la découverte de Lavoisier de l'oxygène et de la prouvabilité absolue de la vérité dans un système symbolique fermé réfuté par Gödel dans son deuxième théorème d'incomplétude, puis récupéré partiellement (en termes de calculabilité) par le théorème d'exhaustivité de Turing.

Bien qu'il soit difficile de prouver un résultat négatif, je ne pense pas que cela ait été fait.

Les simulations les plus avancées de caractéristiques de bas niveau ne sont pas capables d'évoluer pour simuler des populations suffisamment grandes à des échelles de temps suffisamment grandes où le consensus scientifique prétend que cela s'est produit dans la réalité.

Bien que vous disiez que vous n'êtes pas directement intéressé par la chimie, mais par un substrat abstrait, j'utilise la chimie comme exemple du défi. En effet, la création d'un substrat simplifié avec un comportement émergent suffisamment riche n'est pas anodine. Les éléments chimiques ont essentiellement des règles sur la façon dont ils se combinent en structures physiques plus grandes (via différents mécanismes de liaison) et seulement environ une douzaine de types d'atomes sont impliqués. C'est en fait assez simple et maniable au niveau le plus bas. Les problèmes proviennent des multiples échelles de structure - construction de molécules "unitaires" (bases ADN / ARN, peptides protéiques, lipides, bases de sucre, etc.), création de polymères à partir de ces unités, interactions entre les polymères, structures physiques construites et démolies par ces interactions , dont chacun présente un comportement plus complexe. Cette hiérarchie structurelle est probablement requise pour toute machine à reproduction automatique qui n'est pas simplement alimentée directement par les unités de niveau supérieur. Dans votre question, vous voulez trouver une auto-réplication émergente, non conçue. . . donc se nourrir dans ces unités de niveau supérieur serait probablement considéré comme de la triche.

Nous n'avons probablement pas la puissance de calcul pour simuler correctement même l' expérience Miller-Urey qui est loin de l'auto-réplication - les simulations chimiques in silico sont limitées à des choses comme les calculs de repliement des protéines, et celles-ci sont loin d'être en temps réel. À l'intérieur d'une seule cellule bactérienne prête à se diviser, les protéines sont produites et se plient par centaines chaque seconde.

Une chose qui a été faite est de créer une machine à réplication automatique dans Game of Life de Conway appelée "Gemini" . Cela a été conçu, pas créé spontanément. Cependant, il aurait une chance très faible mais non nulle de se créer spontanément avec une initialisation aléatoire. Ce serait cependant un réplicateur très fragile, toute mutation ou collision avec d'autres éléments actifs le briserait probablement. L'expérience consistant à tenter de créer des Gemini de manière aléatoire / spontanée n'est pas réalisable sur le plan informatique.

$10^{30}$$10^8$ans. C'est principalement la conjecture que cela suffit pour créer un ancêtre darwinien initial - c'est fondamentalement une extrapolation logique à la théorie de l'évolution, suivant le principe du rasoir d'Occam de rechercher l'explication compatible la plus simple.

Les réplicateurs primordiaux peuvent être plus simples que vous ne le pensez. Découvrez cette vidéo:

Auto-réplication: comment les molécules peuvent se reproduire
_{[Source: Université de Groeningen]}

Dans un environnement bruyant, vous obtenez une mutation naturelle. Et le tour est joué, réplication + mutation = évolution.

Comme Neil Slater l'a décrit dans la première réponse, il est difficile de comprendre comment un organisme auto-reproducteur fonctionne en interne. Parce que le nombre d'actions possibles est énorme et il n'est pas possible de les tester toutes dans un processus évolutif. Ce qui est utilisé en biochimie pour résoudre le problème est une communication entre les molécules. L'hypothèse est qu'un langage symbolique est disponible qui a une structure hiérarchique et ce langage permet de décrire des opérations plus complexes. Le terme de recherche est Biosemiotics , citation:

«Les preuves expérimentales du code génétique ne semblaient pas suffisantes, à elles seules, pour catégoriser la cellule en tant que système sémiotique, mais Pattee a fait valoir que cela devenait suffisant lorsque nous le combinions avec la théorie des automates à auto-réplication développée par John von Neumann. »Barbieri, Marcello. "Une brève histoire de la biosémiotique." Biosemiotics 2.2 (2009): 221-245.

Avant qu'il ne devienne possible de créer des systèmes auto-reproducteurs, les systèmes naturels existants doivent d'abord être analysés. Ou pour être plus précis, un «analyseur d'action» interprète le langage des molécules dans leur processus d'autoréplication. Après le travail de l'analyseur, il est possible de l'utiliser dans la direction de réserve, ce qui signifie mettre des signaux aléatoires à l'analyseur et rechercher à quoi ressemblera le résultat au niveau sémantique.