Компьютер заселяют микроорганизмами
16.05.2016 - 6:00
Компьютер заселяют микроорганизмами | Русская весна
О разгадке учеными тайны эволюции живой материи — в материале Свободной Прессы.
Всякая возникающая научная теория пребывает в статусе гипотезы до тех пор, пока она не получит подтверждение экспериментальным путем.
Есть науки, где эксперимент принципиально невозможен. Таковой, например, является философия. Строго говоря, она в равной мере является и наукой, и искусством.
Раздел биологии, занимающийся изучением эволюции различных форм жизни, в докомпьютерную эпоху также оперировал набором гипотез, которые для солидности были названы теориями. Наиболее солидной в позапрошлом веке стала теория Дарвина, ставящая во главу угла естественный отбор.
В начале прошлого века ей была противопоставлена генетическая теория, согласно которой главные изменения происходят в результате мутаций. Сейчас биологи придерживаются Синтетической теории эволюции (СТЭ), которая соединяет в себе принципы дарвинизма и генерики.
Однако проверить справедливость этих теорий не представлялось возможным в связи с тем, что эволюционные процессы протекают чрезвычайно медленно. Для того чтобы обнаружить какие-то минимальные изменения в геноме какой-либо популяции, необходимо потратить сотни, а то и тысячи лет.
Простейшие организмы — бактерии — эволюционируют быстрее за счет стремительной смены поколений. Но даже в этом случае продолжительность эксперимента соизмерима с продолжительностью научной карьеры исследователей.
Так, 30 лет назад в Университете штата Мичиган под руководством профессора Ричарда Ленски начался эксперимент по исследованию эволюции в искусственных условиях бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). Проводится изучение изменений в 12 популяциях бактерий, которые к настоящему времени сменили уже более 60 тыс. поколений.
Ленски перевалило уже за 60 лет, и только теперь он приближается к получению окончательных экспериментальных результатов. В частности, Ленски добился таких изменений, что в результате мутаций бактерии приобрели способность пожирать цитрат натрия.
Кстати, у человека такая способность уже имеется, поскольку цитрат натрия (натриевая соль лимонной кислоты) присутствует в качестве ароматизатора в газированных напитках типа лимонада и лимонного швепса.
Вполне понятно, что это простейший эксперимент. Развитие живых организмов — процесс чрезвычайно сложный. В пределе ученым необходимо получить достоверные данные о том, как из простых организмов формируются более сложные. И в конечном итоге из микроорганизмов за 3,5 млрд. лет вырастает человек разумный.
Однако в конце 90-х годов в Университете штата Мичиган решили существенно ускорить эволюционные процессы, подвергаемые исследованиям. Для чего в вычислительной лаборатории была создана программа Avida — симулятор искусственной жизни, применяемый для исследований в области эволюционной биологии.
Моделированием различных физических процессов ученые занимаются уже давно. Наиболее впечатляющие результаты тут достигаются в области изучения микромира — взаимодействия атомных ядер и элементарных частиц, которые протекают с чрезвычайно высокими скоростями.
В частности, компьютерному моделированию подвергается цепная реакция, происходящая в ядерных боеприпасах. Для такого моделирования требуется использование суперкомпьютеров.
Avida, условно говоря, решает противоположную задачу — ускоряет природные процессы, развивающиеся чрезвычайно медленно. Программу «населяют» цифровые организмы, моделирующие геном. Каждый такой организм автономен. При этом все они находятся во взаимодействии.
Каждый организм самостоятельно отрабатывает определенный набор инструкций, среди которых такие как, условно говоря, «питание», «разведка», «перемещение», «размножение» и пр.
Организмы развиваются с различной скоростью. Наиболее энергичные, т. е. жизнестойкие, получают от центрального процессора дополнительные ресурсы. Благодаря чему приобретают еще большее преимущество по отношение к своим менее удачливым «собратьям». Наступает момент, когда все пространство симулятора заполняют размножившиеся организмы. И начинается борьба за выживаемость.
То есть компьютерная память имеет ограниченный объем. Свободные ячейки для размещения в них электронных особей закончились. Слабые организмы погибают, освобождая «место под солнцем» (т. е. ресурс компьютера) для наиболее жизнестойких.
Жизнестойкость или же слабость каждой отдельной популяции была предопределена происходящими случайным образом мутациями, то есть неправильным делением особи, или сбоем программы. Одни из них накапливали вредные мутации, другие — полезные в борьбе за существование.
Задачей, которая в настоящее время решается в недрах компьютерной программы Avida, совместно с другими учеными Университета штата Мичиган занимается и Ричард Ленски. К настоящему моменту из энергичного бакалавра биологии он превратился в маститого профессора, академика, лауреата ряда престижных научных премий.
Цель компьютерного эксперимента — изучение того, как размер популяции влияет на размер генома (совокупности наследственного материала, содержащегося в клетке особи) и на совокупность всех черт особи — фенотип. На современном уровне развития вычислительной техники такие исследования в отношении сложных биологических структур невозможны. Потому что размер генома животных превышает размер генома бактерий приблизительно в 10000 раз.
Поэтому мичиганские ученые были вынуждены довольствоваться простейшими бесполыми организмами, чтобы наблюдать, как они эволюционируют в недрах компьютерной программы.
При этом их «жизнь» протекает в чрезвычайно сжатом временном масштабе. Ученые последовательно моделировали жизнь различного размера популяций — от 10 до 10 тыс. особей. Каждой из них давали «пожить» на протяжении 250 тыс. поколений.
Совсем недавно на сайте Arxiv.org были опубликованы промежуточные результаты исследований. Было установлено, что наименее жизнеспособны популяции, состоящие из 10−12 особей.
В процессе эволюции в них накапливаются вредные мутации, которые приводят к появлению неполноценного, нежизнеспособного потомства. Процесс этот необратимый. В большинстве экспериментов с малыми популяциями все они вымерли задолго до отпущенного им отрезка в 250 тыс. поколений.
Популяции чуть большего размера (в 50−100 особей) оказались не только жизнеспособными — входящие в них особи смогли увеличить размер генома и усложнить фенотип. Та же самая картина наблюдается и в популяциях больших размеров. Однако механизмы тут разные.
Сложность фенотипа у сотни-полутора сотен особей накапливается за счет легких негативных мутаций, которые парадоксальным образом приводят к росту фенотипа. Прогрессировать способны те особи, которые «не идут в общем строю» себе подобных. Условно говоря, непохожесть и легкие аномалии дают положительный результат, эволюционное превосходство.
В случае эволюции крупных популяций рост генома происходит у тех немногочисленных особей, которые подверглись выгодным мутациям. Но при этом смогли отстоять себя в процессе естественного отбора, побеждая «более примитивных» соперников.
Результаты этих экспериментов в определенной мере можно спроецировать и на законы развития человеческого общества, то есть на социологию.
Справедливости ради необходимо сказать, что пионером в области использования вычислительных методов в эволюционной биологии является профессор Берлинского технического университета Инго Рехенберг, возглавляющий лабораторию бионики.
В 70-е годы он начал активно заниматься работами в области создания алгоритмов эволюционных вычислений. Однако довольно долго результаты его деятельности были лишь блистательной теорией, поскольку реализация их на практике требовала использования компьютеров громадной производительности.
Эпоха суперкомпьютеров уже пришла. И в области моделирования эволюционных процессов делаются первые шаги. Но еще слишком далеко до того, момента, когда будут получены ответы на все интересующие ученых вопросы.
Однако ведь и до Луны когда-то было страшно далеко.
Владимир Тучков
