Молекулы предпочитают быть «дезертирами» и «безбилетниками», но как только условия ухудшаются, они начинают кооперироваться друг с другом.
Что сделали авторы новой работы?
Новую гипотезу опубликовали как статью в журнале Life. Ее авторы — аспирант Александр Шампань-Рюэль и его научный руководитель Пол Шарбонно, профессор факультета физики в Монреальском университете.
Авторы исследования взяли за основу гипотезу о том, что жизнь зародилась на Земле в сетях самовоспроизводящихся молекул. Самовоспроизводящиеся молекулы — это такая динамическая система, в которой создается идентичная или похожая копия самой себя. Биологические клетки, находящиеся в подходящей среде, размножаются при помощи клеточного деления. Во время клеточного деления ДНК реплицируется и может быть передана потомству во время размножения.
Исследователи разработали компьютерные модели разной среды, чтобы наблюдать, как взаимодействуют такие самовоспроизводящиеся молекулы. Это нужно, чтобы смоделировать события, которые могли происходит во время зарождения жизни.
«Физики часто изучают разные сложные формы, в частности зарождение жизни. Есть несколько моделей, согласно которым при возникновении жизни происходило активное сотрудничество между участниками этого процесса», — сказал Шампань-Рюэль.
Зачем им была нужна теория эволюции Дарвина?
Шампань-Рюэль и Шарбонно сначала построили свою модель, которая основана на дилемме заключенного. Это сценарий в теории игр, который используют в ряде научных областей.
В основе этой проблемы сюжет о двух заключенных, которых подозревают в совершении преступления. Их задержала полиция и посадила в разные камеры. Теперь каждому заключенному надо решить, признаваться в совершенном или молчать.
Оба преступника сидят в разных камерах, поэтому не могут совещаться, но они знают, что если оба не сознаются, то их выпустят через 6 месяцев из-за отсутствия состава преступления. Если оба признают вину, то отсидят по два года. А если один сознается, а второй нет, то первого выпустят, а второго посадят на три года. Суть дилеммы в том, что бы ни делал ваш оппонент, вы больше выиграете если будете дезертировать (донесете на сообщника), чем если будете сотрудничать (молчать). А вот обоим будет лучше, если они решат сотрудничать.
Авторы новой работы использовали для построения своей модели эту дилемму. Дальше они добавили в нее три основных принципа дарвиновской системы — отбор, наследуемость и изменчивость (или мутации) — и провели моделирование на сетке, где «игроки» действовали свободно и повторяющимся образом.
«Во время моделирования мы подсчитали стратегии, которые набрали количество баллов. Мы отобрали их и сделали так, чтобы они свободно распространялись, воссоздавая динамику, которая, возможно, преобладала в пребиотической среде», — объяснил Шампань-Рюэль.
Что удивило авторов во время моделирования
В ходе взаимодействий Шампань-Рюэль обнаружил, что игроки, которые дезертировали, доминируют. В некоторых вариациях таких игроков еще называют безбилетниками. Это, по его словам, является известным результатом эволюционной теории игр для такого типа моделирования.
Но когда у игроков появляется частота ошибок, которая не только наследуется, но и подвержена мутациям, то систему захватывают те, кто кооперируется. Как только они попадают в эволюционную среду, где есть наследуемость и изменчивость, кооперация процветает. Это происходит, даже если изначально была конкурентная среда, где все дезертировали.
Физики отметили, что такой резкий переход к кооперации напоминает то, что в физике называется фазовым переходом. Это внезапная спонтанная реорганизация системы, например, когда вода достигает точки кипения.
«Наша модель подтверждает идею о том, что возникновение жизни может быть похоже на фазовый переход. Эта гипотеза похожа на те, которые ранее уже выдвигали», — сказал Шампань-Рюэль.
Есть ли сотрудничество при зарождении жизни на других планетах
Результаты Шампань-Рюэля показывают, что даже если в системе нет развитых геномов и сложных в поведении организмов, все равно может возникать сотрудничество и кооперация.
«Если сотрудничество между молекулами и организмами так легко возникает в природе, это говорит о том, что жизнь также может существовать в неблагоприятных условиях. Мы потенциально можем найти ее в ближайшем будущем с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», — отметил Шампань-Рюэль, — Астробиологи не должны игнорировать никаких подсказок, потому что естественное сотрудничество — и, следовательно, жизнь — может появиться даже в среде, которая кажется неблагоприятной».
Читать далее
Диагноз за минуту: как ИТ меняет здравоохранение
Ученые нашли самое большое растение: его длина 180 км, а возраст около 4,5 тыс. лет
Оспа обезьян становится глобальным вирусом: почему она передается так быстро