Эволюция – это не просто что-то из прошлого. Это также происходит в режиме реального времени. Бактерии мутируют и противодействуют антибиотикам. Вирусы изобретают себя и ускользают от новых лекарств. Животные адаптируют свое поведение в ответ на меняющуюся планету. Традиционно исследователи изучали эволюцию, оглядываясь назад, часто используя окаменелости и другие реликвии, чтобы понять, как организмы со временем изменились, чтобы выжить. Это установленный и ценный подход. Но это не единственный.
Благодаря новым сложным вычислительным технологиям ученые теперь могут комбинировать полевые наблюдения с цифровыми системами эволюции, позволяя им отвечать на важные биологические вопросы, а также решать небиологические проблемы с использованием эволюционных методов.
«Дело не в том, что то, что мы делаем, не будет проливать свет на эволюцию в течение миллионов лет, но мы также можем изучать то, что мы можем наблюдать на наших глазах», – говорит Эрик Гудман, директор Центра исследований BEACON Эволюции в действии, которая проводит большую часть этой работы. «Мы смотрим на эволюцию в реальном мире».
Компьютерное программное обеспечение позволяет исследователям создавать цифровые организмы, аналогичные, в некотором роде, реальным бактериям и вирусам, например, которые могут копировать себя, совершать ошибки и вызывать мутации, по существу, вести себя как их реальная жизнь. Разница, однако, заключается в том, что цифровые существа могут сделать это за долю времени.
«Например, если мы найдем какое-то явление в лаборатории, которое мы не можем объяснить, мы можем принять его в цифровой мир и получить объяснение того, как он может работать», – говорит Гудман. «Тогда мы сможем вернуть его в лабораторию, чтобы узнать, существует ли это объяснение в реальном мире».
Инженеры также могут использовать программное обеспечение для инженерного моделирования для создания среды, в которой новые разработки продукта могут «развиваться». С каждым поколением компьютер создает случайные мутации в существующих проектах, чтобы создавать новые; тогда симуляционное программное обеспечение оценивает каждую новую линию и позволяет лучше выживать, подобно эволюции в природе. Компьютеры также могут «развить» новые программы роботов, используя естественный отбор и позволяя машинам реагировать на взаимодействие человека или животных.
«Как, например, вы могли бы создавать роботы, которые могли бы сотрудничать друг с другом, чтобы работать вместе в направлении единой цели, вознаграждать их, когда они сотрудничают и наказывают их, когда они обманывают?» – говорит эволюционный биолог Ричард Ленски, профессор микробиологии и молекулярной генетики в штате Мичиган. «Evolution решает некоторые из этих трудных проблем, и это способ позволить самим компьютерным программам участвовать в их собственной форме эволюции и естественного отбора».
Национальный научный фонд поддерживает центр с 25 миллионами долларов в течение пяти лет с возможностью одноразового обновления после первого цикла. Центр, запущенный в прошлом году, находится в Мичиганском государственном университете с партнерами в Университете штата Северная Каролина и Университете штата Айдахо, Техасском университете в Остине и Вашингтонском университете.
Исследователи BEACON включают биологов, инженеров и компьютерных ученых, которые сотрудничают в области биологической и цифровой эволюции, а также эволюционные подходы к разработке. В центре также есть художник по месту жительства, который исследует эволюцию через художественную линзу.
В конечном счете, их работа не только обеспечит лучшее понимание эволюции, но также потенциально может побудить медицинские инновации, такие как новые вакцины для нацеливания на неуловимые вирусы, а также улучшить дизайн продукта.
«Мы не занимаемся медицинскими исследованиями, а пытаемся понять основные механизмы», – говорит Гудман. «Если бы мы знали больше о том, как развиваются определенные вирусы, например, мы можем ориентировать слабые стороны на разработку лучших вакцин. Например, в области дизайна продукта мы разработали новые детали для автомобилей, используя компьютерные программы, основанные на эволюции. Компьютерные программы могут генерировать кучу конструкций наугад, а лучшие становятся «родителями» следующего поколения. Он работает как естественный отбор, он имитирует эволюционный процесс ».
Кея Э. Холекамп, профессор зоологии штата Мичиган, изучает поведение млекопитающих, фокусируясь на гиенах, и сотрудничает с инженерами BEACON в разработке роботизированных гиен, которые когда-нибудь будут взаимодействовать с реальными. Цель состоит в том, чтобы помочь ответить на давние вопросы о том, как животные общаются друг с другом. Ученые все еще находятся на стадии планирования, но Холекамп надеется использовать эти роботы в своих исследованиях в течение нескольких лет. «Гиена« разговаривает »друг с другом, используя разные способы, – говорит она. «Они участвуют в позе, они определяют свои хвосты и уши определенным образом. Они вокализуют. Они излучают несколько сигналов. Я не могу попросить гиен, чтобы остановиться, пока я работаю с одним из них, но я мог программировать роботов. Если я смогу манипулировать роботами из своего автомобиля и следить за ответами гиен, я могу понять, что они общаются. Я не мог этого сделать в реальной среде ».
Вместе со своими сотрудниками BEACON она также разрабатывает вычислительную теорию о том, как кооперативное поведение развивается среди конкурирующих хищников, опять же, сосредоточившись на гиенах. Она планирует имитировать совместное поведение гиены, в частности, как они сотрудничают, чтобы украсть пищу у львов и как они конкурируют между собой за еду, когда они ее получают.
«Наша исследовательская группа сначала проведет видеозапись событий в природе, а затем смоделирует их с помощью вычислительных симуляций, чтобы изучить их эволюционное происхождение, в том числе условия, при которых каждое поведение будет эффективным», – говорит она. «Результатом будет вычислительная теория о том, как и почему конкурирующие хищники сотрудничают, а также вычислительные методы для развития сложного сотрудничества между интеллектуальными агентами в виртуальных средах».
Она добавляет: «Гиены катастрофически трудно изучать с точки зрения эволюции, потому что они воспроизводят так медленно. Они также, по-видимому, нарушают многие правила биологии млекопитающих. Например, роли мужчин и женщин полностью отменены. У большинства млекопитающих самцы больше, сильнее и агрессивнее. В гиенах это женщины.
«Кроме того, эти животные живут на вершине пищевой цепи, но их общества не имеют ничего общего с другими плотоядными животными», – продолжает она. «Они нарушают правила плотности. Большинство млекопитающих наверху относительно редки, но гиены многочисленны, живут в больших группах, которые могут содержать до 90 человек. Я думаю, что эти особые животные являются одними из самых интересных на Земле ».
По-другому взглянув на эволюцию, художник BEACON в резиденции Адам Браун создает роботизированный художественный проект, состоящий из около 150 трехмерных скульптурных роботов, установленных на стенах и способных общаться друг с другом, и будет использовать компьютерные программы эволюции обнаружить виды поведения, которые будут вдохновлять на взаимодействие с людьми.
Браун объясняет: «Предположим, вы хотите развить роботов, которые хотят, чтобы их трогали люди – какие виды поведения должны играть роботы, чтобы поощрять это? Мигающие огни? Звуки? Мы используем инструменты эволюционно-эволюционных алгоритмов – для решения проблемы. За пять минут вы можете иметь более 10 000 поколений для определенной задачи, что-то, что вы можете сделать с помощью вычислительной техники, которую вы не можете сделать в реальном мире ».
В другой части, соединяющей эволюцию с искусством, Браун и Роберт Рут-Бернштейн, профессор физиологии штата Мичиган, создали художественную инсталляцию, воссоздающую классический эксперимент Миллера-Юри 1952 года о происхождении жизни, имитирующий то, что считается исходной атмосферой Земли сочетая водород, аммиак и метан в стеклянной камере, с использованием электричества как «молнии» для образования аминокислот, которые имеют решающее значение для жизни.
Часть, названная «Origins of Life Experiment № 1.2», переосмысливает работу физика Гарольда Юри, который предположил, что можно было бы воссоздать атмосферу изначальной Земли в закрытом контейнере и синтезировать органические молекулы путем добавления источника энергии, такого как как молния к смеси. Стэнли Миллер, аспирант, провел эксперимент, производя через несколько дней несколько аминокислот. Эксперимент Миллера-Юри быстро превратился в научную и общественную икону истоков жизненных экспериментов.
«Этот эксперимент был вдохновляющим для меня», – говорит Браун, адъюнкт-профессор электронного искусства и посредников в отделе искусства и истории искусств штата Мичиган. «Я хотел взять этот научный эксперимент и перевести его в контекст искусства».
В дополнение к исследованиям и искусству, ученые Центра BEACON разработали летние программы для старшеклассников и магистрантов, а также работают с аспирантами, чтобы разоблачить их новыми междисциплинарными концепциями эволюционной и вычислительной биологии.
«Имея обе эти системы доступными, учащиеся изучают другой способ формулирования своих гипотез и задают свои вопросы», – говорит Гудман. «Затем, когда они начинают работать с цифровыми организмами, они также могут получить результаты на следующий день и на следующей неделе – вместо того, чтобы работать годами в лаборатории».