Группа американских программистов смогла запустить процесс самовоспроизведения программ из случайных исходных данных без каких-либо правил и целей, которые могли бы стимулировать такое поведение. Авторы новой работы полагают, что их эксперимент, вероятно, прольет свет на механизмы, лежащие в основе возникновения биологической жизни на Земле.
В основе современных представлений о зарождении жизни лежит так называемая теория Опарина—Холдейна, которая предполагает, что эволюция формирования жизни на Земле происходила в три этапа.
Согласно этой теории, на первом этапе наша планета представляла собой раскаленный шар. По мере его остывания постепенно появлялась первичная атмосфера из паров воды, аммиака, углекислого газа, метана.
Затем, при дальнейшем понижении температуры, появился первичный океан, в котором под действием различного рода энергий (солнечной радиации, ядерных реакций, вулканических извержений) стали образовываться простые органические соединения вроде муравьиной кислоты, формальдегидов, аминокислот. Новые вещества не могли окислиться, потому что в то время свободного кислорода еще не было.
Статья по теме: Эволюция ведет человечество к доброте
На протяжении десятков миллионов лет эти вещества накапливались в первичном океане, что привело к образованию однородной массы — «первичному бульону», в которой, по мнению советского биолога Александра Опарина, и возникла жизнь.
Ученый полагал, что в этом «первичном бульоне» самопроизвольно рождались зоны повышенной концентрации, которые были отделены от внешней среды и могли поддерживать обмен с ней. Опарин называл эти зоны коацерватными каплями, или просто коацерватами. Советский биолог считал, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем. Коацерваты вступали в симбиоз с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК.
Английский этолог Ричард Докинз в своей книге «Эгоистичный ген», предположил, что в «первичном бульоне» возникли не коацерватные капли, а первые молекулы-репликаторы, способные создавать копии самих себя. Иными словами, по мнению Опарина и Докинза, в основе жизни лежит способность организма к сохранению и воспроизведению необходимой информации для создания себе подобных.
Статья по теме: Кто такие Homo naledi, и почему они могут изменить представление ученых об эволюции человека
Если ход эволюции исследователями хорошо изучен, мало что известно о том, как отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы, чтобы сформировать жизнь. Ответить на вопрос, как «скромное начало может привести к сложному концу» непросто, поскольку этот процесс практически невозможно воспроизвести в лаборатории, чтобы полностью изучить его. Однако ученые пытаются. На помощь приходят компьютеры, имитирующие жизнь в цифровом виде.
В 1970-м году английский математик Джон Конвей (John Conway) создал игру Game of Life, в которой есть сетка клеток. Каждая клетка может находиться в двух состояниях: быть «живой» (заполненной) либо «мертвой» (пустой). Игрок лишь расставляет или генерирует начальную конфигурацию «живых» клеток, которые затем изменяются согласно правилам. Несмотря на простоту правил, в игре может возникать огромное разнообразие форм.
Группа американских программистов из Google под руководством Бена Лори (Ben Laurie) тоже создала что-то вроде игры, только в их симуляции нет правил и целей. Исследователи провели компьютерные эксперименты, в которых десятки тысяч отдельных фрагментов компьютерного кода случайным образом смешивались, комбинировались и следовали своим же созданным инструкциям на протяжении «миллионов поколений». Ученые практически воспроизвели «первичный бульон», но только в цифровом мире. Результаты работы опубликованы на сайте электронного архива препринтов arXiv.
Статья по теме: Ученые узнали, почему на Земле происходят массовые вымирания
Поскольку программисты не разработали никакой системы поощрения, которая бы стимулировала запуск и развитие искусственной «цифровой» жизни, они надеялись, что появившаяся во время экспериментов «цифровая популяция» останется лишь случайностью и не предпримет никаких последовательных шагов. Развитие этой «популяции» было ограничено фиксированным числом.
К своему удивлению, исследователи обнаружили, что симуляция в конечном итоге привела к появлению самовоспроизводящихся программ из цифрового «первичного бульона», которые быстро «размножались» и достигли предельной численности. Когда появлялись новые типы самовоспроизводящихся программ, они начинали конкурировать за место со «стариками» и иногда подавляли и вытесняли из системы предыдущее поколение программ, подобно тому, как биологические организмы конкурируют друг с другом.
Прежде чем прийти к организованному поведению в цифровом мире и к процессам самовоспроизведения, необходимо было на протяжении определенного количества времени выполнить миллионы операций в секунду, в отдельных случаях это число превышало несколько миллиардов.
«Конечно, наши опыты не рассказали ничего конкретного о том, как зародилась биологическая жизнь, но они показали, что существуют некие врожденные механизмы создания сложного из простого», — пояснил Лори.
Эволюция цифровой жизни, созданная командой Лори ограничивалась заданным числом. То есть развитие прекращалось после достижения определенных параметров. По словам Лори, если попытаться добиться более интересного поведения эволюции программ, в том числе увидеть, как конкретные виды воюют друг с другом за «ресурсы», необходимы вычислительные мощности, которых сегодня люди не имеют.
В любом случае, то что программистам удалось создать самовоспроизводящиеся программы из случайных исходных данных — большое достижение. Некоторые специалисты отметили, что работа команды Лори — еще один шаг к пониманию возможных путей зарождения жизни, причем в среде, весьма далекой от теории стандартного «первичного бульона».
Однако другие эксперты, наоборот, считают, что творение команды программистов из Google не следует воспринимать буквально и сравнивать с настоящими эволюционными механизмами, поскольку компьютерные программы не способны раскрыть тайну происхождения жизни на Земле.
«Наличие бесконечного числа копий чего-либо не гарантирует появления сложных механизмов. Если у вас есть нечто, что только самовоспроизводится, то у вас просто будет система, полностью зависящая от этого процесса. Напротив, жизнь включает в себя множество взаимодействующих компонентов, в том числе ДНК, РНК, белки и многое другое. Это очень сложная система, которую объяснить лишь процессами самовоспроизводства невозможно», — пояснила биотехнолог Ракель Нунес Палмейра (Raquel Nunes Palmeira) из Университетского колледжа Лондона, не связанная с авторами исследования.