Компьютеры играют все большую роль в современном обществе. С одной стороны, мы ежедневно активно используем компьютеры для различных целей, начиная от вашего будильника и заканчивая получением новых знаний. С другой стороны, компьютеры контролируют все большее количество задач без нашего участия, например. ваш спам-фильтр, который удаляет нежелательные электронные письма. Глядя в будущее, мы увидим, что компьютеры берут на себя большую часть нашей работы. Подробное рассмотрение этой темы было проведено на прошлогодней тематической неделе ARD на тему Zukunft der Arbeit (Будущее работы).

Таким образом, большую часть составляет способность компьютеров «обучаться» с помощью информации и данных. Применения этой способности можно найти в разных областях, например, рекомендация купить что-то в интернет-магазине или использование в беспилотных автомобилях. В эпоху, когда компьютер делает прогнозы на основе данных, должна быть возможность таким образом создавать новые знания и решать научные проблемы.

В своем проекте я хочу ответить на вопросы эволюции, используя небольшие автономные компьютерные программы. Подробно я буду работать над эволюцией механизмов хронометража. При каких условиях могут развиваться «внутренние» часы? Являются ли эти временные механизмы полезными для организма? Вот некоторые вопросы, на которые я хочу ответить с помощью проекта.

Что это за «цифровые организмы»?

Проблемой в исследованиях эволюции является время. В норме эволюция происходит крайне медленно. К счастью, для того, чтобы произошла эволюция, необходимо выполнить всего три условия:

  • Репликация, то есть способность воспроизводиться и производить потомство.
  • Изменчивость, то есть возможность изменения во времени и различия между особями.
  • Конкуренция, то есть борьба за ресурсы и стремление превзойти конкурента.

Эти компьютерные программы удовлетворяют всем требованиям. Кроме того, у компьютеров есть дополнительные преимущества, а именно скорость и удобство сбора данных. Эта комбинация позволяет быстро исследовать принципы эволюции с большими объемами данных. Таким образом, в центре моего проекта находятся небольшие автономные компьютерные программы или цифровые организмы. Когда я говорю о цифровых организмах, я имею в виду организмы, реализованные в Авиде, платформе для вычислительной эволюции. Эти цифровые организмы на самом деле являются довольно абстрактной конструкцией. Однако если вы внимательно посмотрите на эти компьютерные программы, то увидите, что они построены на тех же принципах, что и бактерии.

Организмы Avida, как и нормальные организмы, имеют геном, размножаются и взаимодействуют с окружающей средой. Геном в Avida состоит из циклической последовательности «инструкций». Инструкции могут иметь различные связанные функции, например. зондирование ресурсов в окружающей среде или копирование генома. Размножение, в самой упрощенной форме, бесполое путем удвоения генома и последующего деления на два организма. Таким образом, первое требование эволюции выполнено.

Во время размножения, как и в природе, могут возникать ошибки копирования или удаление/вставка геномного содержимого. Эти мутации вызывают различия между отдельными цифровыми организмами и, таким образом, выполняют второе требование эволюции.

Как реализуется в Avida третье требование эволюции, конкуренция между организмами? В простейшей форме цифровые организмы борются за пространство. В мире Avida есть только ограниченное пространство, и как только оно будет занято, вновь рожденные организмы заменят другие существующие организмы. Так что это гонка за пространство, в котором можно жить. Единственный шанс обеспечить выживание своего вида — размножаться быстрее и чаще. Это открывает второй уровень соревнования, а именно соревнование за компьютерное время. Вначале каждый организм имеет одинаковое время для выполнения инструкций. Все организмы одинаково быстры и размножаются с одинаковой скоростью. Единственный способ получить больше компьютерного времени - это решать логические задачи, например. расчеты. Правильный результат принесет организму бонус. Чем сложнее выполняемая задача, тем выше обычно будет польза. Это третий уровень конкуренции. Таким образом, конкуренция описывается борьбой за жизненное пространство, компьютерное время и сложность задач. Дополнительную информацию и приложения Avida можно найти в статье Карла Циммера или всеобъемлющей публикации Чарльза Офриа и Клауса Вильке.



Когда ваши внутренние часы выходят из равновесия

Всем известен феномен, когда после перехода на летнее время возникают проблемы с пробуждением. Или когда вы вернулись из отпуска в чужой стране и вам нужно заново адаптироваться к вашему обычному часовому поясу. Причиной этого явления являются ваши внутренние часы или циркадные часы. Циркадные часы помогают организму приспособиться к повторяющимся ежедневным изменениям. Ярким примером является, как описано ранее, цикл дня и ночи. Внутренние часы также являются центральным компонентом организации клеток и целых организмов. Его можно найти почти во всех формах жизни [10]; от людей и других млекопитающих до растений и даже одноклеточных организмов, таких как цианобактерии. Возникает вопрос: в чем причина таких часов?

Уже можно было образцово показать, что циркадные часы обеспечивают преимущество приспособленности организма [11]. Это преимущество, однако, видно только в колеблющихся условиях, таких как цикл дня и ночи.
Как должен был выглядеть мир, который способствовал развитию такого регулирующего механизма? Эволюция первых циркадных часов насчитывает миллиарды лет [10]. Однако различия между известными формами циркадных часов настолько велики, что весьма вероятны множественные эволюции этих часов [10]. В своем проекте я хочу ответить на эти вопросы об эволюции этих внутренних часов.
Я хочу понять влияние определенных параметров, таких как продолжительность дня, на эволюцию циркадных часов. Важно ли, чтобы продолжительность дня и ночи была постоянной и одинаковой в течение года, подобно экваториальной зоне, или часы могут развиваться на полушарии с изменением продолжительности дня и времени года? Как только я получу лучшее представление об условиях окружающей среды для эволюции циркадных часов, я хочу исследовать, как эти часы изменяют приспособленность организма к конкуренции с другими организмами. Насколько полезны циркадные часы по сравнению с организмами без часов или даже с организмами с по-другому адаптированными часами?

Открытый процесс исследования для всех

Проект является частью программы товарищества «Freies Wissen», которая была инициирована Wikimedia и Stifterverband. Цель этой стипендиальной программы - поддержать молодых исследователей, чтобы они открыли свои исследования и обеспечили открытый научный процесс. Я решил использовать стипендию, чтобы начать новый проект и работать максимально открыто. Для облегчения участия в проекте я выбрал GitHub, онлайн-площадку для совместных программных проектов. Решающим фактором для выбора GitHub в качестве центра проекта является контроль версий контента через систему контроля версий Git. Кроме того, на GitHub есть дополнительные инструменты. Можно собирать и редактировать как код, лежащий в основе экспериментов и анализа данных, так и фоновую документацию и дополнительную информацию. Кроме того, трекер проблем можно использовать для открытого обсуждения проблем и вопросов. Я использую все эти возможности GitHub на данный момент, а также пишу открытый лабораторный блокнот, чтобы записывать прогресс и мысли.
Мне важно, чтобы каждый мог не только следить за ходом проекта, но и активно участвовать. Поэтому я выбрал Avida (для экспериментов) и язык программирования Python (для анализа данных), два решения с открытым исходным кодом, которые позволяют любому желающему открыто участвовать.

Сторонние проекты

В ходе проекта возникли два новых побочных проекта. Пока я начинал проект, возникла пара вопросов по поводу правильной настройки научного проекта на GitHub. Какая лицензия мне нужна, если таковая имеется? Что происходит с моими данными и где их хранить? Это привело к новому проекту, который пытается создать руководство по похожим проектам на GitHub.
Кроме того, я использую Python для анализа данных. Однако мне нужна была какая-то справочная коллекция, чтобы помочь другим, которые хотят участвовать в проекте, изучить и использовать Python.
Оба этих проекта также находятся на GitHub, как и основной проект, открытый для сотрудничества и идеи.

Ссылки на проекты

Ссылки

Arbeitsgemeinschaft der öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten der Bundesrepublik Deutschland (ARD) — Консорциум общественных вещателей в Германии: Тематическая неделя ARD Zukunft der Arbeit, URL: http://www.ard.de/home/themenwoche/ARD_Themenwoche_2016_Zukunft_der_Arbeit/3234726/ index.html (дата обращения: 10 ноября 2016 г.).

Сайт Репликация. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 8 ноября 2016 г., 11:17 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Reproduction (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Сайт Вариация. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 7 февраля 2016 г., 23:00 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_variation (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Сайт Конкурс. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 20 октября 2016 г., 20:50 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Competition_(biology) (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Ofria, C. и Wilke, CO. (2004): Avida: программная платформа для исследований в области вычислительной эволюционной биологии. Журнал искусственной жизни, том. 10, стр. 191–229, Международное общество искусственной жизни (ISAL).

Рэнди Олсон (2013): Кристоф Адами — Введение в платформу цифровой эволюции Avida, опубликовано 11 ноября 2013 г. в разделе https://youtu.be/ouF8wKxXWFQ, дата обращения: 11 ноября 2016 г.

Сайт Бактерии. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 7 ноября 2016 г., 00:49 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Циммер, Карл (2005): Тестирование Дарвина. Откройте для себя журнал. Resort Technology, 5 февраля 2005 г., онлайн по адресу: http://discovermagazine.com/2005/feb/cover/#.URRxZOjZrbI, дата обращения: 10 ноября 2016 г.

Сайт Циркадный ритм. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 30 августа 2016 г., 17:49 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Circadian_rhythm (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Росбаш, М. (2009): Последствия множественного происхождения циркадных часов. PLoS Biol 7(3): e1000062. doi: 10.1371/journal.pbio.1000062

Вельфле, М.А., Ян, О.Ю., Фанвижхитсири, К., Джонсон, Ч.Х. (2004): Адаптивная ценность циркадных часов: экспериментальная оценка у цианобактерий. Тек. биол. 14, 1481–1486.

Wikimedia и Stifterverband Fellow Programm «Freies Wissen», URL: https://wikimedia.de/wiki/BildungWissenschaftKultur/Fellowprogramm (дата обращения: 21 ноября 2016 г.).

Сайт GitHub. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 9 июня 2016 г., 16:50 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/GitHub (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Сайт Контроль версий. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 23 октября 2016 г., 14:29 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Version_control (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)

Сайт Гит. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 17 ноября 2016 г., 00:31 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Git (дата обращения: 22 ноября 2016 г.)

Репозиторий проекта Эволюция циркадных часов, URL: https://github.com/schmelling/clock_evo (дата обращения: 27 ноября 2016 г.)

Сайт Авида. В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 30 марта 2013 г., 09:48 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Avida (дата обращения: 27 ноября 2016 г.)

Сайт Python (язык программирования). В: Википедия, свободная энциклопедия. Статус редактирования: 20 октября 2016 г., 15:14 UTC. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Python_(programming_language) (дата обращения: 10 ноября 2016 г.)