Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • techweek
  • Biohacking
  • Био/​мол/​текст

EvoGrid: моделируем эволюцию

Поедатели астероидов помогут понять появление жизни
Мембрана

Первичный бульон – набор ингредиентов, предшествующих сложной органике, молнии плюс вулканизм... Примерно так представляют себе учёные условия зарождения жизни. А как было на самом деле? Если нельзя вернуться в прошлое, остаётся только экспериментальная проверка. Только не хочется ждать миллионы лет, прежде чем в пробирке появятся многоклеточные существа.

Разные вариации опытов по созданию «жизни» (или сложных органических молекул) из неорганических смесей учёные проводили неоднократно. Но от первых биополимеров до ДНК, липидов, клеток, а от клеток до многоклеточных организмов – дистанция огромного размера. Сложно представить, что кто-то способен пройти весь этот путь в лаборатории – природа потратила на такую эволюцию эоны.

Зато можно попытаться воспроизвести пребиотическую и биологическую эволюцию в компьютере. Правда, для того, чтобы добиться корректного результата, нужны колоссальные вычислительные мощности. Зато путешествуя «снизу вверх» от простого (моделирования молекул поштучно) к сложному – спонтанному появлению живых систем, можно доказать правомерность существующих взглядов на зарождение жизни на нашей планете.

Именно этим занимается ныне проект EvoGrid (Evolution Technology Grid) – создаваемый в США гигантский симулятор молодой Земли.

Лидер проекта и главный автор идеи – исследователь и предприниматель Брюс Деймер (Bruce Damer). Нам он известен как глава компании DigitalSpace, занимающейся трёхмерным моделированием космической техники по заявкам различных отраслевых фирм, а также – по заказу NASA.

Но интересы Брюса простираются куда дальше космической техники. Ещё в 1996 году он создал организацию Biota.org, координирующую усилия множества инженеров и учёных, занятых поиском ответов на вопросы – как появилась жизнь, можно ли создать жизнь искусственную и на что может быть похожа жизнь на других планетах?

Ныне, при содействии участников Biota.org, членов международного клуба Grey Thumb (его специализация – исследования в области искусственной жизни), компьютерных кудесников из DigitalSpace и ряда других специалистов, команда Деймера работает над программой, которая должна воспроизвести во всех деталях условия на Земле, предшествующие появлению жизни.


Две части проекта EvoGrid. Справа: более реальный и близкий по времени компьютерный симулятор жизни. Слева: более отдалённый нанофабрикатор живых существ (иллюстрация DigitalSpace).

Не внося ничего нереального, а просто моделируя динамику и химические реакции молекул в первичном растворе, машина должна «дождаться» появления первых РНК, потом липидных мембран, пузрьков – прообразов живых клеток, самих одноклеточных существ и далее, как говорится, по списку.


Если все начальные условия воспроизвести правильно, неизбежно начнётся самоорганизация молекул в более сложные комплексы. Или мы неверно представляем начало эволюции на Земле. На каком-то этапе цифровое создание уже может по праву именоваться организмом. В своей виртуальной вселенной оно питается и размножается (иллюстрация DigitalSpace).

Базируется EvoGrid на компьютерной программе GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations) , мощном симуляторе молекулярной динамики, созданном некогда в голландском университете Гронингена (Rijksuniversiteit Groningen), а ныне используемом учёными в ряде университетов.

Но вместо того, чтобы делать ставку на самые мощные суперкомпьютеры мира, проект EvoGrid намерен обратиться к силе распределённых вычислений, используя опыт проектов вроде знаменитого SETI@home. Деймер рассчитывает, что со временем в сеть EvoGrid будут включены свыше миллиона частных PC.

Брюс считает себя идеологическим наследником математика Нильса Баричелли (Nils Aall Barricelli). Этот учёный поставил первые в мире компьютерные эксперименты в области эволюции и симбиогенезиса (ещё в начале 1950-х, опираясь на одни из самых ранних компьютеров). И он был одним из пионеров исследования темы искусственной жизни.

«В некотором смысле мы так и не ушли от оригинальных экспериментов Баричелли, – говорит Деймер о численном моделировании зарождения жизни, – Посмотрим, насколько мы сможем продвинуться с миллионом потомков оригинальной машины фон Неймана».

При воспроизведении всех физических и химических свойств частиц первичного супа, полагает Брюс, в машине постепенно появятся примеры самоорганизации. Системы будут усложняться.

Софт будет выискивать признаки этих систем в «океане чисел» – регулярно повторяющиеся цепи органических молекул (геном), сферические контейнеры (прототипы оболочек клеток), длинные и устойчивые цепочки реакций (метаболизм).


Ключом к успеху проекта должно стать некое «дерево поиска» – набор алгоритмов, позволяющих по мере изменения различных параметров в среде (условные квадратики) автоматически, без участия человека, определять скачкообразный рост сложности химических систем (врезки справа), дабы докладывать о них хозяевам эксперимента. «Ручной» просмотр колоссальной армии виртуальных молекул в моделируемом первичном супе попросту нереален (иллюстрация EvoGrid).

Несмотря на колоссальную вычислительную мощь современных машин, такую эволюцию в числах нельзя сравнить с не менее колоссальным объёмом реакций, которые шли миллионы лет в океанах планеты. Потому, по оптимистичным оценкам Деймера, после запуска EvoGrid пройдёт от 20 до 40 лет, прежде, чем на искусственной Земле родится первая клетка. Но это – с сегодняшними скоростями вычислений. Если у пользователей появятся значительно более мощные машины, срок ожидания сократится.

Описанная программа EvoGrid – лишь часть одноимённого проекта. Эту «протоземлю» в машине авторы называют также Origins или Deep. Предполагается, что люди не должны вмешиваться в происходящее после старта программы. Иначе будет нарушена чистота эксперимента.

Но проект EvoGrid предусматривает параллельное создание ещё одной очень похожей программы, названной EvoGrid Broad или Intelligent Designer.

Здесь также должны быть детально воспроизведены законы физики, химии и биологии, но пользователи смогут вмешиваться в эволюцию, конструируя как известные, так и фантастические формы жизни.

EvoGrid Broad позволит запускать в компьютер виртуальных муравьёв, путешествующих по виртуальному лесу. Она же может воспроизвести какие-нибудь экзотические условия для жизни, чтобы нащупать и подобрать строение организмов к такой жизни приспособленных.

И тут-то может пригодиться ещё один план Деймера, правда уже рассчитанный на более отдалённое будущее и, отчасти, на не созданные ещё технологии.

Брюс и его коллеги по проекту придумали виртуальный сканер – некий комплекс софта и электроники, способный молекула за молекулой «просканировать» виртуальное существо, живущее в компьютерной вселенной. Записав его строение, учёные могли бы воспроизвести его в реальности, собрав из органических веществ шаг за шагом.


Концепция Брюса по превращению виртуальных существ в реальные организмы. Слева направо: армия микропроцессоров «воображает» куб, заполненный первичным супом. В этой среде постепенно появляются всё более сложные молекулы, потом – первые клетки и так далее. В конечном счёте, виртуальный организм попадает в виртуальный детектор, который отправляет исчерпывающую информацию о существе в нанофабрикатор. Последний и собирает диковинную тварь из химреактивов (иллюстрация EvoGrid).

В этом – слабое место плана, ведь организм – далеко не просто коктейль соединений. Впрочем, учёные уже научились собирать из химикатов искусственный геном, синтетическую клетку и даже создали самореплицирующиеся РНК-ферменты. Так что первые шаги к фантазии Брюса уже сделаны.

Будущий более мощный EvoGrid (скажем, назовём его EvoGrid 2.0) позволит создавать живые организмы на заказ. И это будет своего рода цифровой ответ пробирочной машине эволюции.

А с новыми существами, возможно, даже построенными на других соединениях и иных носителях наследственной информации, с существами, отличающихся экзотическим метаболизмом и стойкостью к тяжёлым условиям обитания, можно попробовать колонизировать астероиды, или терраформировать Марс.

При этом Брюс позаботился о безопасности Земли. Дабы здесь не появились микро– или просто организмы, грозящие экологической катастрофой, созданные в цифровой вселенной существа нужно отсканировать и перенести в память компьютера космического корабля.

Этот корабль направится на астероид, где включит синтезатор (нанофабрику), который соберёт первую пару (чем не «Адам и Ева»?) новых существ из химикатов. Тогда корабль выпустит их на поверхность небесной горы.

Размножающиеся существа будут впитывать солнечный свет и поедать астероидный грунт, превращая его, допустим, в ракетное топливо (как отход жизнедеятельности). Почему бы и нет?

Люди, пролетая мимо, смогут причаливать к такому астероиду на заправку, тем самым расширяя свои возможности по покорению Солнечной системы.

Это отдалённое будущее. Но его реальность зависит от сегодняшних действий. От грядущего запуска программы EvoGrid.

Пересечение виртуального моделирования с гипотетическим ещё синтезом жизни – важное отличие замысла Брюса от похожих проектов предшественников.

И если поедатели астероидов окажутся жизнеспособными, это будет также и ответ на вопрос – правильно ли мы представляем себе начало жизни на нашей планете.

Кстати, а может быть нас тоже кто-то когда-то создал сначала в компьютере (шире – в воображении), а потом – заселил нами Землю? Ну, не людьми буквально, но жизнью как таковой? И можно ли такого «конструктора» назвать Богом?

Не случайный вопрос. Сам Деймер рассуждал об этом, когда придумывал EvoGrid. Он говорил, что если во Вселенной принципиально имеются следы божьего замысла или «руки Бога», их можно было бы идентифицировать с помощью некоего «детектора Бога».

Свою главу в книге «Божественное действие и естественный отбор: наука, вера и эволюция» (Divine Action and Natural Selection: Science, Faith and Evolution) (она вышла в прошлом году и была написана целым рядом авторов) Деймер так и назвал – GodDetector (PDF-документ). В ней он впервые подошёл к идее детального численного моделирования условий ранней Земли (иллюстрация EvoGrid).

Но чем бы он, детектор, мог бы быть? Брюс полагает, что искомый детектор можно «нащупать» (а потом создать), если выявить основные закономерности появления живого из неживого, чем и должен по большому счёту заниматься проект EvoGrid.

Станет ли EvoGrid «детектором Бога»? Полагаем, споры будут продолжаться даже после завершения проекта.

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
07.06.2009

Читать статьи по темам:

компьютеры распределенные вычисления синтетическая биология эволюция Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Помогают ли видеоигры от старческого слабоумия?

Ученые планируют установить, способны ли видеоигры позитивно влиять на мыслительные процессы пожилых людей, и если да – написать рекомендации для разработчиков терапевтических видеоигр и создать прототип такой игры.

читать

Победители конкурса MS4Doctors

Лучшие 10 проектов, отобранные жюри, будут разосланы компанией Microsoft на специальном CD главным врачам и ИТ-специалистам шести тысяч медицинских учреждений Российской Федерации.

читать

Диагноз по фотографии, лечение по телефону... и никакого шарлатанства!

Качество медицинских обследований, проводящихся на расстоянии с помощью современных средств коммуникации, ненамного уступает настоящим визитам врачей.

читать

Старикам и старушкам – развивающие игрушки

Дальнейшие испытания позволили усовершенствовать изобретение, его интерактивный игровой стол и информационный дисплей, а так же сформировать комплект из 20 компьютерных игр, которые тренируют и регулируют важнейшие умственные навыки, стимулируют социальное восприятие. Эти игры, кроме прочего, увлекательны и сами по себе.

читать

Автоматизация науки: робот-лаборант и робот-учёный

Что будут означать для человечества эти две работы – покажет время. Энтузиасты искусственного интеллекта могут сказать, что ученые показали его способность сравниться с интеллектом людей. Антропоцентристы возразят, что речь идет только о частных случаях и знак равенства ставить преждевременно.

читать