В поисках жизни, которую даже сложно представить

Как искать чужеродную жизнь, если она совершенно отличается от той, которую мы знаем? На TEDxUIUC Кристоф Адами показал, как можно использовать его исследования искусственной жизни (самовоспроизводящихся компьютерных программ) для поиска сигнатуры («биометки») жизни, свободной от наших предубеждений.

У меня странная карьера.

Многие люди, например мои коллеги,
мне так и говорят:

«Крис, у тебя странная карьера».

(Смех)

И действительно,

я начинал карьеру,

как ядерный физик-теоретик.

Я размышлял о кварках и глюонах,

и столкновениях тяжёлых ионов,

и мне было всего лишь 14 лет.

Шучу, конечно, мне было не 14 лет.

Но, тем не менее, у меня была

своя собственная лаборатория

в отделе вычислительной неврологии,

хотя я не имел к неврологии
никакого отношения.

В будущем я буду работать в области

эволюционной генетики и биологии систем.

Но сегодня я хочу рассказать вам о другом.

Я собираюсь рассказать о том,

как мне открылось кое-что о жизни.

В то время я занимался ракетостроением.

Не в полном смысле этого слова,

однако я работал

в лаборатории реактивных двигателей

в солнечной Калифорнии, где всегда тепло;

а теперь я на среднем Западе,

где всегда холодно.

Но мне там нравилось.

Однажды ко мне в офис
явился менеджер из NASA,

уселся, и сказал:

«Сможешь ли ты сказать нам,

как найти жизнь за пределами Земли?»

Это было неожиданно,

так как вообще-то меня наняли

для работы в области квантовых вычислений.

Тем не менее, у меня нашёлся
достойный ответ.

Я ответил: «Понятия не имею».

«Биоподписи, — подсказал он мне, —

нам необходимо найти биоподпись».

«Что это такое?» — спросил я.

«Любое фиксируемое явление, — сказал он, —

которое позволит нам выявить

присутствие жизни».

«Неужели, — сказал я, —

неужели это так сложно?»

Мы все знаем, что такое жизнь.

Для формулировки
можем использовать, например,

слова, прозвучавшие в Верховном Суде.
[Познаю, когда вижу]

Но потом, немного поразмыслив, я сказал:

«А так ли это просто?»

Когда мы видим нечто такое,

мы без сомнения

называем его живым.

И глядя на это существо, он сказал:

«Я знаю что это — оно тоже живое».

Но если живым называть всё,

что также способно умереть,

то у нас есть небольшое затруднение.

Дело в том, что этот организм
не такой как другие.

Он растёт до взрослого состояния,

а потом начинает «стареть наоборот»,

то есть возвращаться в развитии назад,

пока снова не превратится
в маленький зародыш.

Затем он снова растёт. И снова назад,
и снова вперёд — что-то вроде йо-йо.

И это существо не умирает.

То есть оно живое,

но не совсем так,

как мы определяем «жизнь».

А потом вы видите вот это.

И думаете: «Боже мой, а это как
может быть формой жизни?»

Кто-нибудь знает?

Вообще-то это — не живой организм.
Это кристалл.

Поэтому, однажды начав искать жизнь

вы присматриваетесь
ко всё меньшим и меньшим вещам.

Один человек написал целую статью

и заявил: «Это бактерия».

Но если присмотреться ещё немного,

ясно, что этот объект слишком мал,
чтобы быть бактерией.

Он считал, что нашёл жизнь,

хотя большинство людей с ним не согласны.

По этому поводу,

NASA выпустила громкий анонс,

и президент Клинтон дал пресс-конференцию,

где объявил о потрясающем обнаружении

признаков жизни на марсианском метеорите.

По этому поводу и по сей день идут горячие споры.

Итак, посмотрев и оценив все эти фотографии,

вы можете понять, что здесь всё не так просто.

Возможно, действительно нужно

точное определение жизни,

чтобы принимать такие решения.

Так как же нам определить жизнь?

С чего начать?

Конечно, первым делом,

вы заглянете в Британскую энциклопедию, найдёте букву Ж.

Хотя нет, скорее всего, вы воспользуетесь Google.

И, может даже что-то найдёте.

Как это часто бывает,

вам придётся отсеять из результатов всё,

что не релевантно.

И под конец, возможно, останетесь с этим.

Это сложное высказывание,

с использованием кучи терминов и понятий.

Кто на Земле сможет написать нечто

столь же запутанное, сложное

и бессмысленное?

На самом деле, здесь упомянуты
несколько очень-очень важных концепций.

Некоторые я даже выделил.

Примечательно в этой формулировке то,

что в ней не говорится

об аминокислотах или других элементах

как в остальных определениях.

В ней говорится о процессах.

Если обратите внимание,

это взято из моей книги и касается искусственной жизни.

Это объясняет,

почему представитель NASA появился в моем офисе.

Потому что приняв эту концепцию,

мы действительно можем создать

форму жизни.

И если вы спросите себя:

«Что на Земле является искусственной формой жизни?»

то разрешите кратко вам разъяснить,

откуда что взялось.

А началось это довольно давно,

когда кто-то написал

один из первых удачных компьютерных вирусов.

Для тех из вас, кто ещё не так стар,

скажу, что подобная инфекция распространялась,

собственно, с помощью дискет.

Но интересно в этих компьютерных вирусных инфекциях то,

что если вы посмотрите на динамику

распространения инфекции,

то увидите поведение,

характерное для вируса гриппа.

Причиной является своеобразная гонка вооружений

между хакерами и создателями операционных систем,

меняющая расстановку сил в ту или иную сторону.

Перед вами своеобразное

дерево жизни этих вирусов.

Филогенез очень похож

на известные формы жизни,
по крайней мере, на вирусном уровне.

Так что же — это тоже жизнь? Не совсем так.

Почему? Потому, что эти вирусы
не эволюционируют самостоятельно.

Их модифицируют хакеры.

Но один учёный из института Санта-Фе,

ухватился за эту идею, и решил её разработать:

«Почему бы нам не поместить
эти небольшие вирусы

в искусственные миры внутри компьютера

и позволить им развиваться?»

Учёного звали Стин Расмуссен.

И он разработал такую систему, но работать она не смогла,

так как его вирусы постоянно уничтожали друг друга.

Но этой же темой заинтересовался
ещё один учёный — эколог.

Однажды он пришёл домой и сказал:
«Я знаю, как это исправить».

И он создал систему «Тиерра».

Я упоминаю её в своей книге, как одну из первых,

по-настоящему живых, искусственных систем,
если исключить тот факт,

что программы не развиваются
в сторону усложнения.

Итак, я познакомился с этими проектами,
поработал над ними,

и получил отправной пункт.

Я решил создать систему,

обладающую всеми необходимыми свойствами,

чтобы она могла самостоятельно развиваться,

и решать всё более и более сложные проблемы.

Поскольку я не умею писать код, мне потребовалась помощь.

У меня было два студента

из Технологического института Калифорнии,
которые работали вместе со мной.

Чарльз Оффриа (слева) и Титус Браун (справа).

Сегодня они уже уважаемые профессоры

в Университете штата Мичиган,

но могу вас заверить, в те дни

мы не были столь уважаемой командой.

И я рад, что не сохранилось фотографии

нас троих в одной компании.

На что похожа эта система?

Если не углубляться в детали,

здесь вы видите некоторые «внутренности».

Но я хочу остановиться

на этой разновидности популяционной структуры.

Здесь заключено около 10 000 программ.

И их различные «штаммы» окрашены в различный цвет.

Как видите, некоторые группы разрастаются

и преобладают над другими.

Каждый раз, когда появляется программа,

более приспособленная к выживанию в этом мире,

благодаря какой-то произошедшей мутации,

она начнёт распространяться, подавляя и уничтожая остальных.

Я хочу показать вам ролик, в котором вы увидите
пример таких изменений.

Первые эксперименты такого рода мы провели

с программами, которые сами же написали.

Мы написали программное обеспечение,

размножили его, и очень собой гордились.

Потом мы поместили программы в среду
и, как вы видите,

она стала всё больше и больше меняться.

Кстати, видео ускоренно

до скорости тысяча поколений в секунду.

Но система сразу же подумала:

«Что это за дурацкий кусок кода?

Его можно улучшить многими способами

и довольно легко».

И вот, появились волны новых штаммов,

поглощающие старые виды.

И данная активность наблюдается довольно долго,

пока эти программы не усваивают
некоторые простые принципы.

Вот мы видим некий этап затишья,

когда система ждёт

какого-то нового типа изменения, например такого,

которое начинает распространяться

и подавлять все предыдущие штаммы,

уничтожать их «гены», до тех пор,

пока система не перейдёт на новый,
более сложный уровень.

И этот процесс непрерывно продолжается.

То есть, перед нами система, которая живёт,

именно в том смысле, в котором

мы с вами привыкли воспринимать жизнь.

Но люди из NASA на самом деле хотели знать:

«Есть ли у этих объектов

биоподпись?»

Можем ли мы измерить или просчитать этот тип жизни?

Потому, что если это возможно,

у нас появится возможность исследовать жизнь

по-другому, не зацикливаясь

на таких вещах, как аминокислоты.

На что я ответил: «Ну, возможно,

мы создадим биоподпись,

базирующуюся на жизни, как на универсальном процессе».

Возможно, для этого стоит взять на вооружение

принципы, над которыми я работал

в качестве определения,

какой должна быть простейшая живая система.

И у меня появилась мысль.

Сначала я должен предоставить идею,

возможно, это будет скорее детектор свойств,

а не детектор жизни.

И способ, которым мы воспользуемся,

будет похож на то, как отличить

текст, напечатанный миллионом обезьян,

от текстов в наших книгах.

И мне нужно найти такой способ,

где мне не потребуется читать их писанину,

тем более, что я и не смогу её читать.

Мне достаточно знать, что она набрана алфавитом.

А значит, существует определённая частота,

с которой каждая из 26-ти букв алфавита,

будет появляться в тексте,

набранном обезьянами случайным образом.

И очевидно, что каждая из букв

будет использована примерно с одинаковой частотой.

Но, если взглянуть на обычные тексты на английском языке,

частота будет выглядеть так.

И это очень характерно именно для английских текстов.

Если вы посмотрите на французские тексты,
картинка будет другой,

так же и в итальянском, и в немецком.

Все языки характеризуются
своим частотным распределением,

и это распределение у каждого своё.

Не имеет значения, о чем текст —
о политике или науке.

Не имеет значения, стихотворение это

или математический текст.

Это характерная сигнатура,

и она очень стабильна.

До тех пор, пока наши книги
написаны на английском языке

и люди будут их копировать и переписывать,

ничего не измениться.

И это сподвигает меня считать,

ладно, что если я попробую использовать эту идею

не для того, чтобы различить случайный набор символов

от тестов со смыслом,

а для обнаружения наличия чего-то значимого

в биомолекулах, что говорит о наличии жизни.

Но для начала я должен спросить: что это за кирпичики,

составляющие части, подобные буквам алфавита,
которые я показал вам?

Как оказалось, у нас есть много альтернатив

в качестве таких наборов составляющих.

Мы можем использовать аминокислоты,

мы можем использовать нуклеиновые,
карбоновые или жирные кислоты.

Химия многогранна, и наше тело
содержит множество этих элементов.

Давайте проверим эту идею, взглянем на аминокислоты

и какие-либо другие карбоновые кислоты.

А вот и результат.

Вот, что мы получим, если, к примеру,

посмотрим распределение аминокислот

на поверхности кометы или в межзвёздном пространстве

или в лаборатории, в которой вы будете совершенно уверены,

что, как и в условиях «теории первичного бульона»,

в ней не будет живых организмов.

Всё, что вы найдёте, это, в основном, глицин и аланин

и небольшие признаки присутствия других элементов.

Это также очень показательный пример —

то, что вы найдёте на планетах, похожих на Землю,

с наличием аминокислот,

но отсутствием жизни.

Допустим, вы получите образец грязи, например,

возьмёте пробу,

поместите её в эти ваши спектрометры,

так как бактерии распространены повсеместно;

или возьмёте воду где-нибудь на Земле,

так как вода — «источник жизни»,

и сделаете такой же анализ;

распределение будет совершенно иным.

Конечно, глицин и аланин по-прежнему на месте,

но, появились другие тяжёлые элементы, эти аминокислоты,

которые обычно производятся

так как очень важны для жизнедеятельности организмов.

И некоторые другие,

не попавшие в первую двадцатку,

они не были найдены вообще

в любой концентрации.

Итак, этот вариант также очень показателен
и статистически определяем.

И не имеет значения, как вы подготовили
вашу пробу для анализа

хоть для бактерий или любого другого
животного и растения.

Жизнь существует везде,

Вы получить это распределение

или это распределение.

И оно определяется не только наличием аминокислот.

Теперь вы спросите:

Хорошо, кто или что такое эти ваши Авидианцы?

Авидианцы, обитатели этого компьютерного мира,

в котором они так успешно размножаются и усложняются.

Вот распределение, которое вы получите,

если там нет жизни.

У них есть около 28 таких инструкций (команд).

И если у вас есть система,
в которой они заменяют друг друга,

это будет похоже на мартышек с печатной машинкой.

Каждая из этих команд появится

с одинаковой частотой.

Но если вы рассмотрите сообщество
этих реплицированных существ,

таких, как вы видели на видео,

это будет выглядеть так.

То есть существуют инструкции,

которые необычайно характерны этим организмам,

и частота их использования должна быть высока.

А есть инструкции, которые могут быть

использованы в лучшем случае единожды.

Они либо непригодны, опасны

либо должны использоваться с вероятностью,
меньшей, чем случайная.

В этом случае частота ниже.

И что мы видим, действительно ли это
характеризующая сигнатура?

Я могу сказать что несомненно, так как такое распределение,

именно такое, которое мы видели в текстах книг,

и подобное тому, что мы видели для аминокислот,

не имеет значения, насколько меняется среда,
это очень характерное распределение;

Оно отображает окружающую среду.

Итак, я хочу продемонстрировать вам
небольшой эксперимент, который мы провели.

Я должен объяснить,

что верхняя часть графика

показывает частотное распределение,
о котором я говорил.

Здесь — безжизненная среда

где каждая команда встречается

с равной частотой.

А ниже я демонстрирую

скорость мутации среды.

И я начал процесс со столь высокой скорости мутаций,

что даже если вы остановите

программу реплицирования,

эта среда продолжит успешно расти

чтобы заполнить весь мир,

Но если повлияете на неё случайным образом,
она погибнет в результате мутаций мгновенно.

Значит, жизнь здесь невозможна

для такой скорости мутаций.

Но потом я немного сбавлю, так сказать, обороты,

и появляется некоторый порог жизнеспособности,

где теперь становится возможным

для репликатора продолжить жить.

И конечно, мы будем добавлять участников

в этот «бульон» всё время.

Давайте посмотрим, как это выглядит.

Итак, первый пошёл, пока ничего, ничего.

Слишком быстро, слишком быстро.

Достигнут порог жизнеспособности

и частотное распределение существенно изменилось,

и в результате стабилизировалось.

Итак, я был очень жесток,

я повышал температуру снова и снова

и, конечно, достиг порога жизнеспособности.

Я демонстрирую вам это снова,
так как это действительно чудесно.

Вы достигаете порога жизнеспособности.

Распределение сигнализирует «Живы!»

И потом, когда вы достигаете значения,

при котором скорость мутаций слишком высока

чтобы репродуцировать себя,

вы не можете передать информацию

вашему потомству,

не совершив множества ошибок

то есть ваша способность к реплицированию пропадает.

И сигнатура теряется.

Что же мы можем вынести из всего этого?

Множество вещей, я думаю.

Первая из них.

Мы можем размышлять о жизни

в абстрактных терминах —

не упоминая растения,

аминокислоты,

бактерии,

но мы можем думать в терминах процессов —

поэтому мы можем начать думать о жизни,

не только как о чем-то, присущем только планете Земля,

но и о как о чём-то, что может существовать везде.

Потому, что единственное, что можно сделать

с такими концепциями информации,

хранения информации

без физической среды —

без битов и байтов, нуклеиновых кислот,

без того, что можно назвать алфавитом —

но будьте уверены — существует некоторый процесс

и эта информация может быть сохранена

на гораздо больший период, чем вы можете рассчитывать

сохранить информацию без ухудшения её качества.

А если вы можете это делать,

вы получаете жизнь.

Итак, первое, что мы выяснили —

жизнь можно описать

только в терминах процессов,

вообще без ссылок

на типы вещей, которыми мы дорожим,

в том числе и на тип жизни на Земле.

А это, кажется, снова удаляет нас,

как и все наши научные открытия —
по крайней мере многие —

продолжается постоянное развенчивание человека

от нашего понимания нашей неординарности
как живых существ.

Мы можем создать жизнь.
Мы можем создать жизнь в компьютере.

Конечно, она ограничена,

Но мы поняли, как она устроена,

чтобы по-настоящему созидать её.

И однажды, мы поймём,

что это уже не так сложно

и если мы понимаем фундаментальные процессы

без привязки к конкретной среде обитания,

мы можем идти дальше

и исследовать другие миры, представлять,

какие виды химических составляющих,
«алфавита», могут существовать там,

иметь представление о стандартной химии,

геохимии планет,

поэтому мы будем понимать,
как будет распространяться жизнь

в безжизненной среде,

А затем искать заметные отклонения от этого —

здесь что-то ненормально, или

«Этого химического компонента не должно быть здесь».

Мы не будем знать, есть ли там жизнь,

но мы сможем сказать,

«Ну, в конце концов, я посмотрю
внимательнее на этот компонент

и увижу, почему он так выделяется».

И это может стать нашим шансом

настоящего изучения жизни,

когда мы не будем непосредственно наблюдать её.

И это единственный мой посыл,

который я хочу донести до вас.

Жизнь может быть не настолько таинственной,

насколько мы делаем её, размышляя,

какой она может быть на других планетах.

И если мы снимем эти покровы таинственности с жизни,

я думаю, будет немного легче

думать о нашей жизни,

и о том, что мы не настолько уникальны, как мы думаем о себе.

Подумайте об этом.

Спасибо большое.

(Аплодисменты)