6

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

BIOINFORMA

TYKA

Darwin in silico

CYFROWE ORGANIZMY EWOLUUJÑ ZUPE¸NIE JAK ˚YWE. KAROL JA¸OCHOWSKI

pano

rama

Z

wiàzek z rozsàdku. Oto los wielu biolo-
gów ewolucyjnych. Miast badaç ssaki
lub choçby p∏azy, zmuszeni sà darzyç

szczególnà atencjà bakterie, dro˝d˝e i musz-
ki owocowe – organizmy ∏atwe w hodowli
i obserwacji, dobrze poznane oraz podlega-
jàce szybkiej reprodukcji. Dostojne tempo ob-
rotów zegara ewolucji utrudnia bowiem ana-
liz´ przemian genotypu i fenotypu bardziej
z∏o˝onych form ˝ycia. Obraz zaciemnia te˝

wycinkowy charakter ko-
palnych zapisów historii
˝ycia na Ziemi. Interesu-
jàcà propozycjà sà wi´c
doÊwiadczenia z organiz-
mami cyfrowymi. Ewolu-
cyjne przemiany pakietów
instrukcji i danych na-
st´pujà b∏yskawicznie, a
zarazem ∏atwo je przeÊle-
dziç. Histori´ sztucznego
˝ycia mo˝na przerwaç
na dowolnym etapie, cof-
nàç „zegar dziejów”, po
czym obserwowaç alter-
natywny bieg ewolucji in
silico.

Za∏ó˝my, ˝e przemiany w pami´ci kompu-

tera porównamy z doÊwiadczeniami prowa-
dzonymi równolegle w laboratorium. Co za-
obserwujemy? Czy ujawnià si´ ogólne prawa
ewolucji? A jeÊli tak, to czy potwierdzà teori´
Karola Darwina? Odpowiedzi na te pytania
poszukuje multidyscyplinarny zespó∏ naukow-
ców: Richard E. Lenski z Michigan State
University (MSU), biolog od wielu lat prowa-
dzàcy badania bakterii Escherichia coli, Chri-
stoph Adami z California Institute of Tech-
nology, fizyk specjalizujàcy si´ w dziedzinie
informatyki i sztucznego ˝ycia, i jego by∏y
doktorant Charles Ofria, obecnie z MSU,
oraz filozof nauki Robert T. Pennock, rów-
nie˝ z tej uczelni.

Cyfrowe organizmy zaprojektowane przez

zespó∏ Adamiego i Lenskiego mo˝na trakto-
waç jak „udomowione” odmiany wirusów.
Walczà one o niezb´dny do samopowielania
dost´p do mocy obliczeniowych procesora.
Podczas kopiowania z zadanym przez eks-
perymentatorów prawdopodobieƒstwem po-
jawiajà si´ b∏´dy, odpowiedniki mutacji wy-
st´pujàcych w przyrodzie. „A kiedy mamy
do czynienia z procesami wspó∏zawodnic-
twa, replikacji i mutacji, mo˝emy ju˝ mówiç
o ewolucji” – [za poÊrednictwem Internetu]
wyjaÊnia Lenski. Eksperymenty majà cha-
rakter abstrakcyjny. „Mi´dzy metabolizmem
organizmów organicznych oraz ˝yjàcych in
silico zachodzi s∏aba analogia, ale te ostatnie
nadajà si´ doskonale do modelowania ewo-
lucji” – stwierdza Pennock. Powszechne
w Êwiecie „biologicznym” wydarzenia nie-
przewidywalne nie majà wp∏ywu na powsta-
wanie cyfrowych gatunków. Obserwowane
sà najogólniejsze zasady ewolucji.

Adami spotka∏ Lenskiego przypadkowo,

na swoim wyk∏adzie o sztucznym ˝yciu. „Ale

FRAMSTICKS, WWW

.FRAMS.ALIFE.PL

FRAMSTICKS

– wirtualne Êrodowisko

pozwalajàce badaç ewolucj´ w warunkach

zbli˝onych do naturalnych. Powy˝ej

– stworzenie sk∏adajàce si´

z wyspecjalizowanych segmentów

(receptorów, mi´Êni itd.); z prawej

– wirtualna arena, a na niej grupa

rywalizujàcych ze sobà sztucznych stworzeƒ.

Richard chwyci∏ przyn´t´ dopiero po wy-
próbowaniu Avidy” – wspomina. Opro-
gramowanie, które mu Adami przes∏a∏,
umo˝liwia∏o prowadzenie „ewolucyjnych
eksperymentów” z umiejàcymi wspó∏zawod-
niczyç i samopowielaç si´ ciàgami wykony-
walnego kodu. Podobnego rodzaju systemy
bada ju˝ wielu naukowców [patrz: John R.
Koza, Martin A. Keane i Matthew J. Streeter
„O dokonywaniu wynalazków drogà ewolu-
cji”; Âwiat Nauki, kwiecieƒ 2003].

Opracowana przez Adamiego i jego stu-

dentów Avida sama by∏a i jest przedmiotem
ewolucji. Jej pierwsza wersja wykorzysty-
wa∏a zalety oraz eliminowa∏a niedostatki
Tierry, autoadaptacyjnego systemu gene-
tycznego autorstwa Thomasa S. Raya, bio-
loga o zaci´ciu programisty. Kolejne wersje
(dost´pne pod adresem: http://dllab.cal-
tech.edu/avida) projektowane sà pod kàtem
biologicznych zainteresowaƒ Lenskiego. De-
finiujàc dwuwymiarowy i homogeniczny
ekosystem Avidy, jej twórcy k∏adli nacisk
na jednoznacznoÊç wyników. Wybrane zja-
wisko mo˝na badaç podobnie jak w fizyce,
czyli w izolacji od pozosta∏ych. Rekombi-
nacja oraz nietrywialne interakcje z otocze-
niem zostanà wprowadzone dopiero wtedy,
gdy zasady ewolucji organizmów rozmna-
˝ajàcych si´ bezp∏ciowo przestanà budziç
wàtpliwoÊci.

I nie chodzi o symulacje, ale o rzeczywi-

ste doÊwiadczenia. W przestrzeni wirtual-
nej ewoluujà bowiem nie abstrakcyjne for-
mu∏y, lecz zapisy elektroniczne, które sà
bytem fizycznym, tak jak organizmy. Adami
lubi ilustrowaç ten fenomen analogià: propa-
gacj´ fal w oÊrodku mo˝na symulowaç, roz-
wiàzujàc numerycznie równania ró˝niczko-
we. Ale mo˝na te˝ postàpiç w bardziej
przekorny sposób – definiujàc oddzia∏ywania
mi´dzy komórkami pami´ci RAM na wzór
oddzia∏ywaƒ spr´˝ystych i obserwujàc rze-
czywiste „fale informacji”.

W najwa˝niejszym z eksperymentów prze-

prowadzonych przez Adamiego, Lenskiego
i Ofri´ za punkt wyjÊcia pos∏u˝y∏y kolonie
3600 cyfrowych organizmów. Komputero-
we mikroby sk∏ada∏y si´ z p´tli 50 prostych
instrukcji, z których tylko 15 by∏o niezb´d-
nych do samopowielania. Podczas kopiowa-
nia swojego kodu poczàtkowo identyczne
i niezdolne do wykonywania jakichkolwiek
operacji logicznych programy podlega∏y
dwóm rodzajom mutacji. Cz´stoÊç i typ mu-
tacji jawnych definiowali naukowcy. Poja-
wia∏y si´ te˝ mutacje spontaniczne, wynika-
jàce z b∏´dów w algorytmach kopiowania.
˚yciodajne porcje mocy obliczeniowych pro-
cesora „wydawano” organizmom proporcjo-

nalnie do d∏ugoÊci ich genomu. Dodatkowy
dost´p do procesora uzale˝niono od liczby
i stopnia z∏o˝onoÊci funkcji logicznych, ta-
kich jak NOT, AND i NAND (ich zestaw li-
czy∏ dziewi´ç elementów), do których wyko-
nywania programy stawa∏y si´ zdolne dzi´ki
ewolucji. Badacze zadbali te˝ o to, by ˝adna
pojedyncza mutacja pierwotnego kodu nie
mog∏a wygenerowaç ˝adnej nowej funkcji.

A jak wyglàda∏by cyfrowy Êwiat bez sys-

temu nagród? Ewolucja faworyzowa∏aby
jedynie organizmy prymitywne, niezdolne
do wykonywania obliczeƒ, minimalizujàce
d∏ugoÊç swojego genomu, a tym samym czas
niezb´dny do jego powielenia. System zdo-
minowany przez takie organizmy szybko
osiàga∏by punkt, w którym zamierajà jakie-
kolwiek procesy ewolucyjne.

Zapisy przemian genotypu w Avidzie po-

twierdzi∏y darwinowskà hipotez´ zak∏ada-
jàcà mo˝liwoÊç powstania cech z∏o˝onych
wy∏àcznie na podwalinach cech prostszych.
Cyfrowe populacje – po kilkunastu tysiàcach
replikacji zdominowane przez szczepy o ge-
nomie d∏ugoÊci 83 instrukcji – osiàga∏y zdol-
noÊç dokonywania wszystkich po˝àdanych
przez naukowców obliczeƒ. Funkcje z∏o˝one,
a wÊród nich najbardziej skomplikowana,
porównujàca ciàgi binarne, wymaga∏y jednak
wczeÊniejszego wykszta∏cenia funkcji pod-
stawowych. Ich zestaw zale˝a∏ od ewolucyj-
nej Êcie˝ki, którà podà˝a∏y populacje. „Or-
ganizmy nie osiàga∏y z∏o˝onych zdolnoÊci
obliczeniowych drogà pojedynczej mutacji
nawet wówczas, gdy Êrodowisko wynagra-
dza∏o ten fakt olbrzymimi porcjami «ener-
gii», czyli dodatkowej mocy obliczeniowej
procesora” – podkreÊla Lenski.

Mniej oczekiwane, ale i bardziej dyskusyj-

ne by∏o odkrycie „wstecznych kroków” ewo-
lucji. Zdarza∏o si´, ˝e wyjàtkowo szkodliwe
mutacje, upoÊledzajàce dostosowanie geno-
mów nawet o 50%, wydatnie zwi´ksza∏y ich
konkurencyjnoÊç w kolejnych pokoleniach.
Nie ma jednak pewnoÊci, czy wynik ten nie
jest artefaktem systemu Avidy, w którym pre-

BRUCE FO

X

Michigan State Univesrsity

pano

rama

Równie˝ w Polsce prowadzone
sà badania nad sztucznym ˝yciem.
Jednym z przyk∏adów jest system
Framsticks, s∏u˝àcy do symulacji
i ewolucji trójwymiarowych
organizmów, autorstwa Macieja
Komosiƒskiego i Szymona
Ulatowskiego z Instytutu
Informatyki Politechniki
Poznaƒskiej. Framsticks obejmuje
zarówno struktur´ mechanicznà
organizmów (cia∏o), jak i uk∏ad
przetwarzajàcy informacje (mózg).
Obie te cz´Êci opisane sà
genotypem, który podlega mutacji,
krzy˝owaniu oraz interpretacji
pozwalajàcej na zbudowanie
fenotypu. System wyposa˝ony
jest w prosty j´zyk programowania
pozwalajàcy w ka˝dym aspekcie
kontrolowaç dzia∏anie symulatora.
Framsticks jest wykorzystywany
w wielu oÊrodkach badawczych
i dydaktycznych na Êwiecie.
UniwersalnoÊç Êrodowiska pozwala
na prowadzenie zró˝nicowanych
eksperymentów, interesujàcych
dla specjalistów z takich dziedzin,
jak obliczenia ewolucyjne, sztuczna
inteligencja, robotyka, biologia,
kognitywistyka, neurofizjologia,
filozofia, a tak˝e wirtualna
rzeczywistoÊç i grafika.
Wi´cej o polskim sztucznym
˝yciu: www.alife.pl oraz
www.frams.alife.pl

SZTUCZNE ˚YCIE

PO POLSKU

MARZEC 2004 ÂWIAT NAUKI

7

RICHARD E. LENSKI

z Michigan State

University populacjom
sklonowanych bakterii

Escherichia coli

pozwala rozwijaç si´

w rozmaitych Êrodowiskach.

Nast´pnie, badajàc

wydajnoÊç genotypów

potomnych, zmusza je

do stawania w szranki

z odmro˝onymi na t´

okazj´ praprzodkami.

8

ÂWIAT NAUKI MARZEC 2004

pano

rama

NA

TURE

sja selekcyjna jest s∏aba, a mutacje wzgl´d-
nie cz´ste.

Aby dyskusj´ nad prawami ewolucji prze-

nieÊç na wy˝szy poziom abstrakcji, Adami

i Lenski zaprosili do swo-
jego zespo∏u filozofa nauki
Roberta T. Pennocka z MSU.
„Zwraca∏em uwag´, by na-
sze twierdzenia formu∏owane
by∏y w sposób przemyÊlany
– wspomina – by ekspery-
menty stanowi∏y ich nieza-
przeczalne potwierdzenie”.
¸atwoÊç odczytu kompletnej
kroniki ewolucji genomu to
sytuacja bardzo nietypowa
w biologii. Sprzyja rozluênie-
niu myÊlowej dyscypliny.
„Pennock radzi nam, jakich
argumentów u˝ywaç w na-

szych rozwa˝aniach, by nie zosta∏y one pod-
chwycone przez Êrodowisko kreacjonistów
i zwolenników tzw. teorii inteligentnego pro-
jektu” – dodaje Adami.

W laboratoriach bada si´ rozmaite sztucz-

ne byty, które potrafià ewoluowaç. Nie
wszystkie oparte sà na idei wykonywalnego
kodu [patrz: Moshe Sipper i James A. Reg-
gia „Idêcie i mnó˝cie si´”; Âwiat Nauki, paê-
dziernik 2001]. Wnioski p∏ynàce z symula-
cji i doÊwiadczeƒ dotyczà zarówno zasad

ewolucji sztucznych organizmów, jak i wy-
∏aniajàcej si´ teorii wy˝szego rz´du. Mo˝-
na ˝ywiç nadziej´, ˝e abstrakcyjny charakter
„nowej biologii” pozwoli uwolniç prawa po-
wstawania gatunków z kontekstu form ˝y-
cia opartych na zwiàzkach w´gla. Nie ma
natomiast wàtpliwoÊci, ˝e doÊwiadczenia
in silico pos∏u˝à doskonaleniu matema-
tycznych modeli procesów ekologicznych i
ewolucyjnych.

Adami i Lenski nie sà w swoich docieka-

niach osamotnieni. Co zatem wyró˝nia ich
grup´? Bezsprzecznie dwutorowy charak-
ter prowadzonych badaƒ. Lenski od kilku-
nastu lat kontynuuje swoje doÊwiadczenia
z bakteriami Escherichia coli. Populacjom
sklonowanych drobnoustrojów pozwala roz-
wijaç si´ w rozmaitych Êrodowiskach, Êle-
dzàc ich ró˝nicowanie. Nast´pnie, badajàc
wydajnoÊç takich genotypów potomnych,
zmusza je do stawania w szranki z odmro˝o-
nymi na t´ okazj´ praprzodkami. Niepod-
wa˝alne podobieƒstwa mi´dzy charaktery-
stykami Êrodowisk organicznego i cyfrowego
wesprà tez´ o istnieniu ogólnych regu∏ ewo-
lucji. JeÊli zaÊ zarejestrowane zostanà ró˝-
nice, wybrane aspekty Avidy b´dà modyfi-
kowane w celu przetestowania hipotez
o êród∏ach ich pochodzenia. „W obu wypad-
kach czegoÊ si´ dowiemy” – podsumowuje
Lenski nie bez satysfakcji.

n

CHEMIA

Doping na zamówienie

TAK ¸ATWO OPRACOWAå, TAK TRUDNO WYKRYå. STEVEN ASHLEY

W

Êwiecie sportu zawrza∏o, kiedy je-
sienià ubieg∏ego roku chemicy po-
informowali o zidentyfikowaniu

nowego syntetycznego anaboliku, niewy-
krywalnego w standardowych testach anty-
dopingowych. Odkrycie to nie zaskoczy∏o jed-
nak badaczy obeznanych ze steroidami
androgennymi i ich nielegalnym stosowa-
niem przez sportowców. „WiedzieliÊmy od lat
o takich specjalnie projektowanych stero-
idach, ale do tej pory nie uda∏o nam si´ udo-
wodniç, ˝e ktoÊ je rzeczywiÊcie produkuje”
– mówi Don H. Catlin, farmakolog moleku-
larny i dyrektor Olympic Analytical Laborato-
ry w University of California w Los Angeles.
To w∏aÊnie on doprowadzi∏ do wyizolowania

i analizy tetrahydrogestrinonu (THG), zwiàz-
ku, który wywo∏a∏ burz´. „Fakt, ˝e ostatecz-
nie poznaliÊmy jego struktur´, nie jest powo-
dem do radoÊci. Znacznie bardziej przejmuj´
si´ nast´pnym takim THG, o którego istnie-
niu nic jeszcze nie wiemy”.

Wszystko dlatego, ˝e chemik organik

wzgl´dnie ∏atwo mo˝e opracowaç nowe ste-
roidy anaboliczne, niewykrywalne w standar-
dowych testach. (Aby zidentyfikowaç jakiÊ
zwiàzek, trzeba znaç jego budow´; podany
zawodnikowi THG wykryto tylko dlatego, ˝e
jeden z trenerów anonimowo wys∏a∏ do ame-
rykaƒskiego laboratorium antydopingowego
u˝ytà strzykawk´). Wszystkie steroidy andro-
genne sà modyfikacjami podstawowej czte-

CYFROWY ORGANIZM AVIDY

sk∏ada

si´ z p´tli prostych instrukcji

wykonywanych przez wirtualny

procesor. ¸aƒcuchy numeryczne

(X, Y) poddawane sà

zdefiniowanym przez instrukcje

prostym operacjom.

JeÊli w wyniku ich sekwencji

organizm dokona operacji z∏o˝onej,

czeka go nagroda, czyli dodatkowy

dost´p do mocy procesora.