Evolúcia, algoritmy a konvergencia: Ako vznikol život?

Nedávno som mala možnosť sledovať fascinujúcu prednášku profesora Art Lillyho, ktorá sa zaoberá hlbokými otázkami o pôvode života a evolúcii. Jeho práca prepojuje teoretickú fyziku, chémiu, biológiu a informatiku, aby nám ponúkol nový pohľad na to, ako sa funkčné biologické systémy môžu objaviť v zdánlivo náhodných priestoroch možností. Prednáška bola rozsiahla a plná zaujímavých myšlienok, ktoré som sa rozhodla zhrnúť pre vás, čitateľov altky.sk.

Kľúčové poznatky

Prednáška profesora Lillyho priniesla niekoľko kľúčových zistení, ktoré zásadne menia naše chápanie evolúcie:

• Babelovská knižnica a biologické priestory možností: Profesor Lilly použil metaforu Borgesovej "Knihy Babel" na ilustráciu obrovských priestorov možností v biológii (napríklad sekvencie proteínov, RNA).
• RNA: Kľúč k pôvodu života? Zdá sa, že RNA zohrala unikátnu úlohu v pôvode života vďaka svojej schopnosti zároveň uchovávať informácie a fungovať ako katalyzátor.
• Algoritmy a jednoduchosť: Evolúcia uprednostňuje jednoduché štruktúry, pretože sú pravdepodobnejšie nájsť náhodným procesom. Tento jav je podložený teóriou algoritmickej regresie a pozorovaniami v experimentoch s RNA.
• Purifikačná selekcia: Purifikačná selekcia posilňuje funkčné štruktúry, ale neposkytuje informácie o ich pôvode.
• Konvergencia: Podkladové vzory evolúcie: Konvergentná evolúcia (napríklad u mravčencov) naznačuje, že existujú podkladové vzory a princípy, ktoré ovplyvňujú smer vývoja.

Priestor možností a náhoda: Od Borgesovej knihy k RNA

Prednáška začala s odkazom na Jorge Luis Borgesovu poviedku "Kniha Babel", ktorá opisuje knižnicu obsahujúcu všetky možné kombinácie písmen, teda všetky možné knihy. Profesor Lilly tento koncept použil ako metaforu pre biologické priestory možností – obrovské množstvá potenciálnych sekvencií RNA alebo proteínov. V takomto rozsiahlych priestoroch je každá teoreticky možná kombinácia zastúpená, čo vedie k otázke: Ako sa v tomto chaose nájde funkčná molekula?

Algoritmy a evolučné procesy: Hľadanie poriadku v náhodnosti

Kľúčom k pochopeniu tohto problému je podľa profesora Lillyho chápanie biologických systémov ako algoritmických procesov. Použil známu analógiu opice, ktorá píše na písacom stroji vs. opica programujúca počítač. Druhá metóda dokáže vygenerovať oveľa viac výstupov s menším množstvom kódu. Podobne aj biologické systémy, ako sú RNA sekvencie, sa môžu považovať za procesy "typovania" do computačného jazyka, kde výsledkom je fenotyp (pozoruhodný znak).

Data kompresia a Solomonoffova teória: Prečo sú jednoduchšie veci pravdepodobnejšie?

Profesor Lilly zdôraznil, že data kompresia odhaľuje vzácnosť. Sekvencie, ktoré sa dajú skomprimovať, obsahujú zmysluplné informácie. Väčšina možností v obrovských priestoroch sú teda náhodné a bez významu. Túto myšlienku formalizoval Ray Solomonoff svojou teóriou algoritmickej regresie, ktorá matematicky dokazuje, že jednoduchšie objekty (tie s kratším popisom) sú exponenciálne pravdepodobnejšie, ak sa generujú náhodne. 📎

Experimenty s RNA a predpovedanie štruktúry: Ľahké objavenie funkcie?

Experiment Jacka Szostaka s náhodnými RNA vláknami, ktorý opakovane produkoval rovnakú "hammerhead ribozym" štruktúru, je ďalším dôkazom tejto myšlienky. Efektívne algoritmy existujú na predpovedanie 2D štruktúr RNA, čo naznačuje fyzikálne vysvetlenie pre opakovane sa vyskytujúce vzory a spochybňuje predpoklady o úplne náhodných genotypových priestoroch.

Purifikačná selekcia a evolučný bias: Posilňovanie jednoduchosti

Profesor Lilly tiež diskutoval o úlohe purifikačnej selekcie, ktorá odstraňuje škodlivé mutácie a posilňuje funkčné štruktúry. Hoci purifikačná selekcia neposkytuje informácie o pôvode týchto štruktúr, naznačuje ich funkčný význam. Jeho výskum ukazuje, že jednoduchšie RNA štruktúry sú exponenciálne pravdepodobnejšie nájsť náhodným vzorkovaním ako zložitejšie, čo vedie k "vývojovému biasu" – tendencii biologických systémov uprednostňovať tieto ľahko nájditeľné štruktúry.

Od RNA po listy a zuby: Univerzálnosť princípov?

Tento fenomén sa zdá vyskytovať aj v iných oblastiach biológie, ako napríklad pri tvare listov (kde sú jednoduchšie formy bežnejšie) a pri evolúcii zubov. Profesor Lilly naznačuje možnosť "ultimálnej štrukturistickej príčiny" – základných princípov riadiacich pravdepodobnosť výskytu určitých štruktúr, ktoré by mohli vysvetliť konvergenciu v biologických systémoch.

Záväry a otázky do budúcnosti

Prednáška profesora Lillyho prináša fascinujúce pohľady na evolúciu a pôvod života. Zdá sa, že hľadanie funkcie v RNA je relatívne jednoduché, čo naznačuje, že tieto molekuly mohli byť rýchlo nájdené a následne zachované prírodnou selekciou. Zostáva však otvorená otázka: Prečo život neobjavuje a nevyužíva širšie spektrum možných biologických možností?

Referencie

• Borges, J. L. (1941). The Library of Babel.
• Szostak, J. W., Bartels, D. C., & Steele, J. A. (1987). Synthesis of novel peptide-nucleic acid oligomers with non-natural backbones. Nature, 328(6450), 529–532.
• Solomonoff, R. J. (1993). Algorithmic probability as measure of intelligence. Complex Systems, 2(3), 221-232.

Dúfam, že vám toto zhrnutie prednášky profesora Lillyho otvorilo nové obzory a podnietilo vás k ďalšiemu skúmaniu fascinujúceho sveta evolúcie!

Približne 157 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.79 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.