Вычислительная биология. Как появилась жизнь?

0

Искусственная жизнь

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 вычислительную биологию 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 так же молекулы, которые были доступны на ранней Земле, имели много разных способов связываться друг с другом в результате различные 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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Этот сайт использует куки. Вы можете отказаться, если хотите ПринятьПрочитать больше

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: