Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 9 (vyšlo 29. února), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

9/2008

Digitálna evolúcia

Vladimír Scholtz

Teórie vo fyzike, chémii a iných exaktných vedách sa zakladajú na tvrdeniach, podľa ktorých sú schopné predpovedať chovanie sa systému, ktorý opisujú. To znamená, že teória predpovedá výsledok experimentu a tento experiment teóriu buď potvrdí, alebo vyvráti. Princíp je jednoduchý, ale dá sa aplikovať na teóriu evolúcie? Evolúcia prebieha okolo nás iba jedna, nedá sa s ňou príliš manipulovať a navyše prebieha veľmi pomaly. To znamená, že evolúciu môžeme pozorovať, ale nemôžme na základe teórie predpovedať výsledok experimentu. Sme síce schopní vyšľachtiť (v obmedzenej miere) organizmy a podľa svojich potrieb potlačiť, resp. posilniť u nich nejakú vlastnosť, avšak v tomto procese iba manipulujeme už existujúce organizmy a vzhľadom k ich zložitosti meníme ich spôsob fungovania iba minimálne.

S myšlienkou vytvorenia vlastnej evolúcie prišiel Thomas Ray, biológ z Delawarskej univerzity. Začiatkom 90 rokov vytvoril systém nazvaný TierraTierra – počítačový systém pre simuláciu evolúcie digitálnych organizmov. Bol vytvorený Thomasom Rayom, biológom z Delawarskej univerzity začiatkom 90. rokov 20. storočia. V Tierre bol prvý krát pozorovaný spontánny vznik parazitických digitálnych organizmov. (Zem) [4], čo bol počítačový systém pozostávajúci z niekoľkých krátkych programov, ktoré si navzájom konkurovali, množili sa a pri vytváraní kópií občas došlo k náhodnej mutácii. Nebola to simulácia evolúcie, bola to evolúcia. Jej výhodou bolo, že ju mohol kedykoľvek spustiť, spomaliť, zopakovať, porovnať s inou a vo výsledku pozorovať, ktoré vlastnosti sú univerzálne a ktoré špecifické pre náš svet. A aké boli výsledky? Programy sa podľa očakávania začali vyvíjať, a to postupne ku kratším verziám, tj. optimalizovali sami seba. Program dlhý pôvodne 80 inštrukcií sa skrátil na 79 inštrukcií. Náhle sa však v systéme začali objavovať programy dlhé len 45 inštrukcií. Ostatné inštrukcie si vypožičali z dlhých programov, boli to skutočné parazity. Postupne sa však dlhé programy naučili ako zabrániť krátkym programom parazitovať na ich dlhom kóde. Avšak len dočasne, postupne sa objavili mutácie parazitov, ktoré boli schopné parazitovať aj na takýchto „imúnnych“ programoch, čo zase viedlo k  vývoju ďalších mechanizmov na odrazenie parazita atď. Thomas Ray tým potvrdil, že závody v zbrojení medzi hostiteľmi a parazitmi je jedným zo základných princípov evolúcie [2].

Digitálne organizmy v systéme Tierra: hostitelia – dlhé červené organizmy (programy),
parazity – krátke žlté organizmy (programy), ďalšie farby - iné mutácie pôvodných
programov. Zdroj: Tierra

Ďalším systémom digitálnej evolúcie je projekt AvidaAvida – počítačový systém pre simuláciu evolúcie digitálnych organizmov. Bol vytvorený v roku 1999 na Michigan State University. Dokázal, okrem iného, možnosť spontánneho vzniku komplexných orgánov, konkrétne vzniku komplexnej operácie porovnania dvoch čísel iba na základe selekčného evolučného tlaku. [5] na Michigan State University. Vznikol v roku 1999 a evolúcia tu prebieha na systéme asi 200 počítačov (v roku 2005). Princíp je podobný ako v systéme TierraTierra – počítačový systém pre simuláciu evolúcie digitálnych organizmov. Bol vytvorený Thomasom Rayom, biológom z Delawarskej univerzity začiatkom 90. rokov 20. storočia. V Tierre bol prvý krát pozorovaný spontánny vznik parazitických digitálnych organizmov. a výsledky jednak potvrdzujú výsledky z Tierry a odpovedajú na ďalšie otázky evolúcie. Jednou z nich je adaptácia a vznik komplexných orgánov. O adaptácii organizmov na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. sa už vo všeobecnosti nepochybuje, potvrdzujú to rôzne organizmy, čím menšie a čím jednoduchšie, tým viac. Bakteriálne kmene rezistentné na antibiotiká sa objavujú len niekoľko málo rokov od ich objavenia (niekedy aj pred tým, napr. tetracyklín, ale to je iný prípad). Bielym motýľom v znečistených mestách tmavnú krídla, aby lepšie splynuli so špinou, sme schopný vypestovať octomilky žijúce niekoľkokrát dlhšie ako obyčajne a pod. Nikdy sa nám však nepodarilo pozorovať vznik nového druhu organizmu alebo nejakého nového orgánu. Vynára sa teda otázka, či je niečo také vôbec možné a ako by sa dal tento predpoklad potvrdiť.

Komplikovaný organizmus ako človek alebo ktorýkoľvek iný, je výsledkom miliárd rokov evolúcie a prírodného výberu. Je však možné, aby sa takéto komplikované organizmy vyvinuli z prvotného primitívneho praorganizmu? Je možné, aby sa vyvinul tak komplikovaný orgán ako oko, ktorý je zložený z veľkého množstva vzájomne spolupracujúcich štruktúr? Keby ktorákoľvek z jeho častí prestala pracovať, prestalo by pracovať oko ako celok. Je to zároveň jeden z princípov teórie kreacionizmu, ktorá zastáva názor, že komplexná štruktúra nemôže vzniknúť evolúciou a preto bol celý svet stvorený približne v dnešnej podobe a pripúšťa iba adaptáciu na životné prostredie. A práve evolúcia v AvideAvida – počítačový systém pre simuláciu evolúcie digitálnych organizmov. Bol vytvorený v roku 1999 na Michigan State University. Dokázal, okrem iného, možnosť spontánneho vzniku komplexných orgánov, konkrétne vzniku komplexnej operácie porovnania dvoch čísel iba na základe selekčného evolučného tlaku. dokázala potvrdiť možnosť vzniku komplexných štruktúr evolúciou. Digitálne organizmy nemajú orgány ako my, ale majú časti programového kódu, ktorý môže, resp. by mal vykonávať nejakú zmysluplnú funkciu. Avida kolektív pripravil experiment, v ktorom sa snažili prinútiť ich digitálne organizmy, aby si vytvorili operáciu porovnania dvoch čísel. Je to samozrejme jednoduchá operácia ale musí porovnávať zadané čísla po jednotlivých bitoch a v programovacom jazyku Avidy tento program zaberá (minimálne) 19 inštrukcií. Takže šanca, že by vznikla náhodnou mutáciou je menšia ako jedna ku tisíc tisícov tisícov atd. Avida kolektív však vytvoril digitálny svet organizmov bez schopnosti porovnávať čísla a začal ich odmeňovať podľa toho ako dobre zvládli operáciu porovnania. V tomto svete nechali prebehnúť 16 000 generácií organizmov a celý tento experiment zopakovali 50 krát. A výsledok? V 23 z 50 prípadov evolúcia vytvorila organizmy schopné komplexnej operácie porovnania dvoch čísel. Navyše, každý z 23 experimentov vyprodukoval operáciu porovnávania inou cestou a na inom princípe. Tým potvrdili Darwinov predpoklad, že evolúcia je schopná vytvárať „zariadenia“ pre ten istý účel na rôznych princípoch. Oko muchy aj oko chobotnice je schopné vytvárať komplexný obraz okolia a predsa sú dramaticky odlišné od nášho oka, ako aj medzi sebou. Avida software je voľne prístupný na Internete a kreacionisti ho sťahovali a snažili sa nájsť v ňom fatálnu chybu, zatiaľ sa im to nepodarilo. Avida kolektív má aspoň zadarmo tisíce betatesterov, čo viac si môže priať [1]?

Z evolúcie sa však vynára ďalšie množstvo otázok na ktoré zatiaľ neexistuje jednoznačná odpoveď a na ktoré by systémy digitálnej evolúcie mohli dať odpoveď. Napríklad prečo existuje pohlavné rozmnožovanie? Prečo existujú u vyšších organizmov oddelené pohlavia a nie hermafroditi? Prečo existuje také veľké množstvo druhov organizmov? Na niektoré z nich existuje viacero teórií a niektoré už boli čiastočne vyriešené a aby sa tento bulletin príliš nerozrástol, odkazujem prípadného záujemcu na použitú literatúru. Na záver dúfam, že aj keď sa tento bulletin vymyká bežným témam Aldebaran bulletinov, bude rovnako zaujímavým príspevkom alebo prípadne aspoň ich spestrením.

Klip týdne: Digitální organizmy

Digitální organizmy. Biologové a počítačoví experti studují evoluci pomocí různě dlouhých počítačových kódů, které představují tzv. digitální organizmy. Program Avida byl vytvořen při spolupráci Michiganské státní univerzity a Kalifornského institutu technologie. Ukazuje se, že systém dobře simuluje náhodné mutace těchto digitálních organizmů. V animacích vidíte dva druhy digitálních organizmů „válčících“ o zdroje. Zeleně kódované digitální organizmy se množí dvakrát rychleji než modré. Na levé simulaci dochází k 0,5 mutaci na generaci, na simulaci napravo k 1,5 mutacím na generaci. Sledujte rozdíl vývoje v obou případech. Okrajové podmínky jsou periodické. Zdroj: Astrobiology Magazine. (mpg, 7 MB) (mpg, 6 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu