Автор Тема: Химическая эволюция.  (Прочитано 5325 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Химическая эволюция.
« : Июнь 27, 2019, 09:43:58 »
  Как-то прошла, по-моему, особенно незамеченной научным рунетом, по-моему, потрясающая новость о реализации искусственного отбора автоматизированной системой (использующей 3d принтер) в очень отдалённом аналоге каоцерватных капель.
  Ниже – об этой новости подробнееи ссылка на первоисточник.
  Суть в том, что там эволюционировал просто состав масла капель, которые 3-d принтер выплевывал на очередном каждом шаге отбора в чашку Петри и всё.
  Состав каждой капли зависел от пропорции смешения четырёх исходных масел. Изначально в чашку Петри было выпущено 225 капель со случайным составом.
  За счёт того, что у капель состав разный – у них получался и разный коэффициент поверхностного натяжения. В результате они как-то начинали взаимодействовать как-то за счёт эффекта Марангони, связанного с поверхностным натяжением и их состав начинал меняться, в частности, за счёт того, что они могли сливаться.
  Далее шёл отбор по некоторым характеристикам капель. Толком не понял, что это за характеристики: вроде бы как-то связаны с делением, движение и вибрацией. Т.е. автоматически отбиралась капля, которая была лучшей по этим параметрам.  И на следующем шаге искусственного отбора уже генерировались все капли одинаковыми с составом этой лучшей капли. Далее капли опять взаимодействовали и опять выбиралась лучшая и т.д. .
  И после 20 шагов итерации, действительно, получился состав с заметно улучшенными характеристиками по упомянутому критерию.
   
  Т.е., получается, что даже в такой простейшей системе, как капли, где, как таковое, даже нет химических реакций – существует некий механизм памяти наследственной информации, который может передаваться последующим поколениям.
  Т.е. не нужно голову ломать с происхождением сложного наследственного кода типа РНК жизни, который бы запустил сапореплицацию: эксперимент показал, что она оказывается возможной в простейших даже, скорее, не химических, а физических системах.
  Т.е. даже, скорее всего, обычные каоцерватные капли способны на эволюцию.
  А если подмешать туда всякой другой органики, аминокислот, пептидов (которые, как показали эксперименты и астронаблюдений, могут возникать естественным образом), а так же нуклеотидов (которые, как показали эксперименты, тоже могут простым образом возникать в «лужице» из абиогенных компонент), то это, наверняка тем более, будет способно для саморепликации. И, со временем, благодаря отбору там, думаю, и появились уже и более сложные соединения – белки и нуклеотиды.
 
   Очень многообещающее направление. Вроде бы, им ещё толком никто не занимается. Наверно, на этом пути могут быть получены сенсационные результаты по созданию молекул типа РНК/ДНК в с помощью искусственного отбора (в автоматизированных экспериментах) из простых компонент первичного бульона.

   И, кстати, это очень перспективная область исследования и в химической промышленности по получению нужных химических свойств путём искусственного отбора.
  Что радует – так это то, что подобные эксперименты организовать – очень просто: в обсуждаемом эксперименте был взят стандартный 3d – принтер.
 
  А так же это очень интересно и с теоретической точки зрения – с точки зрения формулировки фундаментального объяснения тому, как вообще возможен наследственный механизм в таких простейших системах.

  Впрочем, меня это не удивляет: несколько лет назад, из теоретических соображений, как раз придумал, что должен существовать такой механизм даже в простейших физических системах. И, поэтому, очень обрадовался, когда узнал, что как раз и был проведён эксперимент, подтверждающий такую возможность.


В https://naked-science.ru/article/sci/first-chemical-evolution об этом
попонятнее сказано:

"Каждая капля неизменно состояла из четырех компонентов (по аналогии с четырьмя азотистыми основаниями в ДНК), однако состав и пропорции этих компонентов робот случайным образом менял. В результате получилось 225 разных капель, за которыми робот в течение некоторого времени следил с помощью видеокамеры.

Капли масла так заинтересовали ученых потому, что при попадании в воду начинают работать как «примитивные химические машины», превращая химическую энергию в кинетическую. Это происходит из-за нарушения симметрии формы капли на границе между двумя средами, что известно как эффект Марангони.

На втором этапе эксперимента ученые выбрали три типа поведения капель масла – деление, движение и вибрацию. Робот затем поместил в воду группы одинаковых по составу капель, создав из них своеобразные «популяции», а потом следил, какие из них больше всего соответствуют выделенным типам поведения.

«Наиболее приспособленные» к делению, движению или вибрации «популяции» капель масла затем переносились роботом на следующую стадию отбора, а потом – снова.

После 20 «поколений» робот получил капли, которые, по словам ученых, обладали большей стабильностью, что в целом успешно моделирует процесс естественного отбора в биологической эволюции, считают исследователи."

Эффект Марангони (Марангони — Гиббса) — явление переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, возникающее вследствие наличия градиента поверхностного натяжения. Такая разновидность конвекции называется капиллярной или конвекцией Марангони. ... Чем больше у жидкости поверхностное натяжение, тем с большей силой она стягивается. Поэтому при наличии градиента поверхностного натяжения жидкость будет перемещаться в область с большим коэффициентом поверхностного натяжения.  ... Наиболее известное проявление эффекта Марангони — «слёзы вина», является следствием того, что этанол имеет более низкое, чем у воды, поверхностное натяжение. Если спирт смешивается с водой неоднородно, область с меньшей концентрацией алкоголя будет иметь больший коэффициент поверхностного натяжения и стягивает окружающую жидкость сильнее, чем область с более высокой концентрацией спирта. В результате такая смесь имеет тенденцию перетекать в области, где концентрация алкоголя меньше. Такой областью является мениск у стенки бокала, где испарение наиболее интенсивно." (https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Марангони).

Первоисточник:
Gutierrez J. M. P., Hinkley T., Taylor J. W., Yanev K., Cronin L. 2014. Evolution of oil droplets in a chemorobotic platform. Nature Communications volume 5, Article number: 5571,  https://www.nature.com/articles/ncomms6571 .

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #1 : Июнь 28, 2019, 12:08:30 »
В этом эксперименте репликация искусственная внешняя (её заменяет производство роботом новых капель), фактор отбора искусственный внешний - отбор выполняет робот на основе собственных критериев. Мутатор внешний - это алгоритм робота. Отличие от чисто вычислительного эксперимента в том, что натурным является само испытание свойств получаемых капель. Сам результат "эволюции" - подбор оптимальных пропорций четырёх компонентов, был бы достижим и методами параметрической оптимизации. Параллели этого эксперимента, что с биологической эволюцией, что с абиогенезом - поверхностные и далеко не ведущие.

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #2 : Июнь 28, 2019, 12:50:52 »
Мутатор внешний - это алгоритм робота.
Там только на первом шаге мутатор от алгоритма робота срабатывает (когда создаётся первый набор капель случайного состава). А потом больше роль алгоритма робота как мутатора становится нулевой. Далее мутации зависят от случайного взаимодействия капель, после их сбрасывание в чашку Петри на каждом следующем шаге итераций.
  А дальше просто идёт селекция: точно так же как и с пшеницей: на каждом очередном шаге выбирается лучшее и на следующем после него размножается.
  Так что не понимаю почему Вы назвали параллель с биологической эволюцией - поверхностной.
 
  Важность результата в том, что даже в такой простейшей системе доказано наличие возможности передачи наследственной информации, закрепляющейся у следующего поколения.

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #3 : Июнь 28, 2019, 13:19:27 »
Там только на первом шаге мутатор от алгоритма робота срабатывает (когда создаётся первый набор капель случайного состава). А потом больше роль алгоритма робота как мутатора становится нулевой. Далее мутации зависят от случайного взаимодействия капель, после их сбрасывание в чашку Петри на каждом следующем шаге итераций.

Сами натуральные капли там только движутся, вращаются и распадаются, и не более того.

Мутации реализуются роботом по алгоритму при программной генерации состава нового поколения капель на основе им же отобранной выборки из исходного поколения капель:

The droplets are ranked in terms of desired property automatically, and the least good rejected in the ‘Ranking’ step allowing a new population to be ‘Selected’. Meanwhile, the accepted formulations are used as a basis to create a new ‘Droplet Population’ after random ‘Mutation’ and ‘Crossover’. This process continues for 21 cycles and the fitness is recorded.

The droplet compositions varied using an evolutionary algorithm that could develop the desired properties of the droplets against a well-defined desired test.

The algorithm was set up with point mutation and two-parent recombination, using roulette selection, both to select parents for each subsequent generation and to cull ‘dead’ individuals.

P.S.
В приложениях к статье семь видеороликов. Там можно посмотреть, что с каплями происходит.
« Последнее редактирование: Июнь 28, 2019, 13:24:38 от Игорь Антонов »

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #4 : Июнь 28, 2019, 13:47:11 »
Да, видимо я не прав был в том, что мне казалось, что на каждом последующем шаге в качестве состава капель выбирается образец лучшей капли из предыдущего шага.

Сами натуральные капли там только движутся, вращаются и распадаются, и не более того.
  Да. Ну так что с того? Так и понимал.
  Свойство то всё равно наследуется.
  В чём Вы видите фундаментальное отличие от искусственной селекции, скажем, пшеницы?
  То, что мутагенёз роботом делается, а не естественным образом?
  Ну так и в случае с пшеницей мутагенёз могут делать не естественным образом - с помощью радиации (рядовая практика). Без чего получение нужного свойства сильно замедляется. Наверняка, можно было бы, в случае капель, в качестве источника мутаций взять просто тряску и перемешивание капель (аналог перемешивания в воде первичного бульона за счёт её волн). Может быть просто дольше было бы. Да и просто сложнее эксперимент организовать было бы.
 
  Основной проблемой объяснения происхождения жизни до рассматриваемого эксперимента, было то, как объяснить саморепликацию. Т.к. дальше уже отбор "всё" сделает сам. Голову ломали с тем, как мог бы получиться саморепликатор РНК в модели РНК-жизни. Важность эксперимента в том и состоит, что он показал надуманность этой проблемы: саморепликация и отбор оказались возможными в простейшей, физической системе. В этом и состоит прорыв фундаментального плана в теории происхождения жизни.

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #5 : Июнь 28, 2019, 14:00:22 »
Alexeyy
То есть, распад неустойчивого объекта (капли) на части Вы объявляете "саморепликацией", а однородность состава продуктов распада с составом исходного целого объекта - "наследованием". И радуетесь этому "достижению"?

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #6 : Июнь 28, 2019, 14:46:45 »
То есть, распад неустойчивого объекта (капли) на части Вы объявляете "саморепликацией"
  Грубо говоря - да. Не обязательно распад: и взаимодействие - тоже. И саморепликация не одной какой-то капли, а всей системы капель в процессе её взаимодействия самой СС обой.
  Отбор без саморепликации, в той или иной форме, невозможен. В эксперименте осуществлён отбор.
  Хотя, конечно, саморепликация здесь "кривая". Но почему не саморепликация? В данном случае, подобное порождается подобным. Что это как не саморепликация?

а однородность состава продуктов распада с составом исходного целого объекта - "наследованием"
Как однородность  состава? Состав капель эволюционно смещается от шага к шагу. Однородность состава по размеру что ли?

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #7 : Июнь 28, 2019, 14:56:30 »
  Хотя, конечно, саморепликация здесь "кривая". Но почему не саморепликация? В данном случае, подобное порождается подобным. Что это как не саморепликация?

Даже условная саморепликация натуральных капель у них учитывается только в одном из трех типов экспериментов. То есть, в целом суть "эволюции" там вообще не в этом делении капель на части.


    а однородность состава продуктов распада с составом исходного целого объекта - "наследованием"

Как однородность  состава? Состав капель эволюционно смещается от шага к шагу. Однородность состава по размеру что ли?

При собственном, натуральном делении капель там  в новых маленьких каплях тот же состав, что и в оригинальной большой капле.
А репликация со смещением состава выполняется через программно управляемый синтез новых капель роботом. То есть, под интеллектуальным управлением.

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #8 : Июнь 28, 2019, 15:14:54 »
То есть, в целом суть "эволюции" там вообще не в этом делении капель на части.
Да. Так я и говорю, что саморепликация идёт не столько отдельных капель, как системы капель.

А репликация со смещением состава выполняется через программно управляемый синтез новых капель роботом. То есть, под интеллектуальным управлением.
  А в чём проблема? Селекция, например, пшеницы тоже может идти под действием интеллектуального управления человека и при использовании созданного человеком репликатора – радиации (такова была широко распространенная практика выведения новых сортов).

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #9 : Июнь 28, 2019, 15:20:05 »
Цитата: Игорь Антонов от Сегодня в 13:56:30

    А репликация со смещением состава выполняется через программно управляемый синтез новых капель роботом. То есть, под интеллектуальным управлением.

  А в чём проблема? Селекция, например, пшеницы тоже может идти под действием интеллектуального управления человека и при использовании созданного человеком репликатора – радиации (такова была широко распространенная практика выведения новых сортов).


Проблема в том, что сама "саморепликация" там - мираж. Нет там её. Там есть только технологическое изготовление новых объектов (капель) с варьированием их параметров с учётом свойств прежних объектов и их параметров. Как обычно при параметрической оптимизации. Только обычно в этом процессе повода для какого-то пафоса не находят.
Репликатор в том эксперименте - программно управляемый робот, а вовсе не капли.

Онлайн василий андреевич

  • Участник форума
  • Сообщений: 8074
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #10 : Июнь 28, 2019, 15:21:46 »
  Коагуляция масла в воде понятна через гидрофобность поверхностного натяжения. Кривизна поверхности, и, следовательно, размер зависит о "степени гидрофобности". Подключаем знания о волновых процессах. Получаем, что кривизна поверхности коррелирует с длиной волны возбуждения.
  Но длины волн коррелирует со скоростями, которые разные в разном масле и воде. Имеем своеобычный процесс, когда многокомпонентное масло собирается в складки на поверхности капли так, что кривизне каждой складке соответствует свой подбор резонирующих частот. А так как область определенной кривизны соответствует определенному масляному компоненту, то естественным образом получаем концентрации компонентных группировок внутри капли.
  Далее один легкий шаг до получения эффекта псевдорепликации.
  Если будем менять раздражающую (звуко-тепловую) частоту, то сможем рулить процессом, когда в статистических пиках (наподобие эффекта интерференции) буду компоноваться глобулы того или иного состава.

  Подобные процессы лучше называть не эволюцией, а метаморфизмом - изменением свойств под воздействием факторов среды. Собственно эволюцией было несколько иное - сохранение свойст капель в широких пределах изменчивости средовых факторов, а изменчивость заключалсь бы созидании разнообразных ансаблей капель.

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #11 : Июнь 28, 2019, 16:39:55 »
Проблема в том, что сама "саморепликация" там - мираж. Нет там её. Там есть только технологическое изготовление новых объектов (капель) с варьированием их параметров с учётом свойств прежних объектов и их параметров.
  В процессе взаимодействия капель, немного, меняется их состав. Но не сильно. Именно этот процесс я и называю репликацией в системе капель, а не создание роботом капель по образу лучших капель предыдущего шага.
  Добавление роботом капель я бы, скорее, сравнил с добавлением новой пищи. Благодаря чему просо очень убыстряется весь процесс.
  Эксперимент, косвенно, показал, что если заменить процесс добавления капель с помощью робота просто интенсивной тряской и перемешиванием капель (за счёт чего будут возникать капли с новым составом) и постоянно подпитывать систему каплями с одним и тем же спектром состава (аналог приёма пищи) при регулярном удалении плохих капель (что будет эмитировать вымирание плохо приспособленных), то, скорее всего, результат эксперимента  не изменится: у капели будут эволюционировать в определённом, заданном направлении.
  Принтер масляных капель просто очень ускоряет этот процесс. Не он выполняет роль репликатора.
  Эта ситуация – очень даже моделирует ситуацию первичного бульона Опарина. В этом случае роль постоянно поступающих капель с данным спектральным составом играют естественным образом возникающие капли Опарина. Мутагенез осуществляется за счёт постоянного перемешивании капель в воде за счёт волн. В результате чего появляются капли с, немного, новым составом. Это – и есть репликация в системе капель. Плохо приспособленные капли – «вымирают» естественным образом. В результате состав капель будет эволюционировать и первоначальный спектральный состав коацерватных капель изменится и возникнет система капель с новым составом в который будут постоянно перерабатываться первоначальные коацерватные капли (часть их материала будет выходить в осадок - вымирать). Это – и есть самая настоящая революция.
  Эксперимент, косвенно, показал, что, скорее всего, такой процесс должен реализовываться. Но для этого потребуется больше времени. Печатание роботом капель – это просто ускоритель этого процесса, имитация более длительного процесса «отмирания» плохо приспособленных капель и параллельного медленного процесса накопления хорошо приспособленных.

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #12 : Июнь 28, 2019, 17:12:34 »
  В процессе взаимодействия капель, немного, меняется их состав. Но не сильно. Именно этот процесс я и называю репликацией в системе капель, а не создание роботом капель по образу лучших капель предыдущего шага.

Где именно в тексте обсуждаемой публикации присутствует то, что назвали "репликацией в системе капель" Вы?

Оффлайн Alexeyy

  • Участник форума
  • Сообщений: 1767
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #13 : Июнь 28, 2019, 18:58:24 »
  Я плохо понял английский текст и, в основном, ориентируюсь по разным комментариям из сети к этой работе. Правда, эти комментарии были не очень качественными переводами и исходные тексты-комментарии на английском были тоже невнятными.
  Хотите сказать, что впрыскиваемые роботом в чашку Петри капельки никак между собой не взаимодействуют, чтобы это меняло их состав капель вследствие этого взаимодействия?

Оффлайн Игорь Антонов

  • Участник форума
  • Сообщений: 2737
    • Просмотр профиля
Re: Химическая эволюция.
« Ответ #14 : Июнь 28, 2019, 19:29:45 »
  Хотите сказать, что впрыскиваемые роботом в чашку Петри капельки никак между собой не взаимодействуют, чтобы это меняло их состав капель вследствие этого взаимодействия?
Да, я  думаю, что при столкновениях значимого обмена внутренним содержанием капель не происходит,  а их слипания в эксперименте не демонстрируется.

Что касается Вашей умозрительной схемы, где робот добавляет капли-пищу, то с ней есть та проблема, что капли-пища произвольного состава будут размывать оптимальный состав капель с выигрышными качествами, а если им как-то поддерживать достигнутый уровень качества, то надо избирательно извлекать в нужных пропорциях пищу из среды. Это уже атрибутика живой активности, и у капель, лишенных внутренней организации,  этому взяться неоткуда. Соответственно, и перспективы стать чем-то похожим на живое нет.  Робот же в реальном эксперименте выполняет роль демона Максвелла, направляя ход событий по противоестественному для "самотёка" пути.