Искусственная жизнь и вычислительная биология
Перед учеными по – прежнему стоит один из самых интересных вопросов о происхождении жизни и ее последующей эволюции. Он звучит так: как именно случайным молекулам удалось организовать себя в сложные живые организмы? Что побудило их сформировать сложные молекулярные цепи, которые стали основой жизни? Каковы основные принципы, определяющие, какие молекулы должны стать важными винтиками в биологической системе? Огромное количество вариантов того, как молекулы могут соединяться между собой, на первый взгляд кажется невероятным. Поэтому остается непонятным, как именно природа сформировала комбинацию молекул, которая привела к появлению жизни.
Крис Адами из университета штата Мичиган считает, что у него есть ответ. Адами, профессор микробиологии и молекулярной генетики выводит науку, которая называется вычислительная биология на новый уровень. Он использует программное обеспечение для исследований искусственной жизни под названием Avida. Оно запускает самовоспроизводящиеся программы, которые имитируют биологию и эволюцию. Благодаря Avida, которую он разработал совместно с коллегами в 1993 году, ученому удалось проверить свою противоречивую, но потенциально революционную идею. Она утверждает, что жизнь может быть определена как «самовоспроизводящийся набор информации». И что выбор полезных молекулярных систем для жизни регулируется законами вероятности.
Виртуальная эволюция
Avida работает, используя виртуальный мир. В нем программы конкурируют за процессорное время и доступ к памяти. Точно так же, как это делают организмы, которые конкурируют за ресурсы в реальном мире. Эти виртуальные формы жизни могут самовоспроизводиться. Но, что важно, в них запрограммирована ошибка копирования. Поэтому, как и в реальной жизни, мутации могут быть перенесены в дочерние программы для имитации эволюции путем естественного отбора.
Поскольку они самовоспроизводятся, мутирующие компьютерные программы могут быть очень опасными, если убегут от Avida и заразят Интернет. В качестве меры предосторожности виртуальный мир запускается на имитируемом компьютере внутри реального компьютера. Поэтому эти программы выглядят снаружи как простые данные.
Откуда появился первый репликатор? В Avida первый репликатор написан программистами. Но в реальной жизни первый биологический репликатор должен был появиться спонтанно. Его породила природа, и именно здесь проявляется избирательность. «Оказывается, что репликаторы, будь то в природе или в Avida, редки», – говорит Адами, «и есть вероятность, что случайная программа (или сборка молекул) не будет воспроизводиться».
Программы написаны на компьютерном языке, который содержит 26 инструкций. Они аналогичны отдельным мономерам в химии, обозначенными буквами алфавита от a до z. Адами использует эту систему, чтобы провести аналогию с письменностью.
Представьте себе сумку, заполненную одинаковыми табличками, содержащими все буквы алфавита. Случайное составление букв в последовательности различной длины, называемые «линейными гетерополимерами», создает цепочки инструкций, в которые кодируется информация. Если эти полимеры читать как слова, они в большинстве случаев будут бессмысленной абракадаброй. Они будут содержать нагромождение букв, не имеющих никакого смысла. Точно также молекулы, которые были доступны на ранней Земле, имели много разных способов связываться друг с другом в результате различных химических реакций. Вероятность того, что природа создаст правильную молекулярную структуру для саморепликации, невелика.
Пристрастная пишущая машинка
Адами указывает на то, что в языке одни буквы встречаются чаще, чем другие. Редко используются «q» или «z», но «t», «e» и «a» – это распространенные буквы в словах. Ученый предполагает, что проблема выбора может быть лучше понята как модель «смещенной пишущей машинки». В ней определенные химические реакции происходят чаще, чем другие. Если бы в сумке было больше обычных букв и меньше редко используемых, то даже случайное вытаскивание могло бы привести к получению некоторых реальных слов.
Вместе со своим учеником Томасом Лабаром Адами проверил принцип предвзятой машинки в Avida. Он загружал инструкции с теми мономерами, которые полезны для самовоспроизведения. В миллиарде случайных программ, составленных из цепочек «писем», которые впоследствии произвела Авида, Адами обнаружил, что 27 из них могут самовоспроизводиться. Он использовал эти 27, чтобы создать распределение вероятностей, а затем продолжил выполнение программы, обнаружив, что число саморепликаторов продолжает резко увеличиваться.
«Другими словами, это говорит о том, что если у вас есть процесс, который генерирует эти мономеры с правильной частотой, то вы сможете найти саморепликаторы гораздо быстрее», – говорит Адами.
27 первоначальных саморепликаторов из миллиарда линейных гетерополимеров оказались не очень похожи между собой. Но ранняя Земля была большим местом. Она была полна возможностей, со всеми видами различных сред, в которых природа могла экспериментировать. Она могла свободно комбинировать мономеры с образованием полезных полимеров для жизни. Однако, хотя теоретические оценки Адами были экспериментально подтверждены Avida, копирование процесса проверки теории мира РНК – эта другая тема. Потому что объем информации, содержащейся в РНК, слишком велик. Даже компьютеру сложно с ним справиться. Тем не менее Адами рассматривает свою модель «пристрастной пишущей машинки» как одно из общих правил, которое может объяснить этапы возникновения биологических процессов.