"Moc obliczeniowa ┐ycia"

Stanis│aw Lem
"Moc obliczeniowa ┐ycia"

áááááááááWstΩpnie muszΩ powiedzieµ, ┐e nie jestem dostatecznie kompetentny dla choµby szkicowego ukazania "horyzontu ewolucji komputer≤w molekularnych", kt≤re zdaj╣ siΩ dzi£ stanowiµ niedobrze jeszcze rozpoznan╣, ale fundamentaln╣ bazΩ proces≤w »YCIA. Bieda tej mojej niekompetencji w pewnym stopniu ulega wszak┐e pomniejszeniu przez fakt, ┐e na razie NIKT tak daleko nie jest w stanie ekstrapolowaµ, czyli siΩgn╣µ po owe majacz╣ce nam tylko w oddali czasu moleku│y, utworzone z typowych dla kodu dziedziczno£ci nukleotyd≤w, moleku│y, powt≤rzΩ dla zwiΩkszenia wyrazisto£ci, stanowi╣ce "naturalnie powsta│e mikromaszyny Turinga".

áááááááááPierwsze informacje o tym, ┐e by│y sensowne moje mg│awicowe intuicje, wskazuj╣ce na KOD genetyczny, jako na przysz│ego uniwersalnego projektanta, a zarazem rachmistrza steruj╣cego ┐yciowymi procesami, znaleƒµ mo┐na w ameryka±skim periodyku fachowym SCIENCE (tom 266 z 11 listopada 94 roku). Ksera artyku│≤w, demonstruj╣cych zawart╣ potencjalnie w │a±cuszkach nukleotydowych moc obliczeniow╣, moc, kt≤ra o bodaj┐e dziesiΩµ porz╣dk≤w przewy┐sza moc obliczeniow╣ najnowocze£niejszych komputer≤w (jakich u┐ywamy i jakie budujemy), pracuj╣cych szeregowo, przys│ano mi z USA. Uczyni│ to ┐yczliwy czytelnik, poniewa┐ dostrzeg│, jak mi napisa│, niejakie pokrewie±stwo moich intuicji, zawartych w ksi╣┐eczce "WIELKOî╞ UROJONA", a dotycz╣cych w│a£nie potencja│≤w sprawczych kodu dziedzicznego, z pierwszymi wynikami prac, w kt≤rych fragmenty kodu - oligonukleotydowe sekwencje, z│o┐one z ok. 20 polimer≤w - okaza│y siΩ zdolne praktycznie pokonaµ, tj. rozwi╣zaµ takie zadanie z zakresu teorii graf≤w Hamiltonowych, kt≤re dla "normalnego" komputera okazuje siΩ bardzo czasoch│onne. W TEN problem, kt≤ry rozwi╣za│y w fazie p│ynnej oligonukleotydy, wej£µ tutaj dok│adnie z dwu powod≤w nie zamierzam: po pierwsze, poniewa┐ na teorii graf≤w znam siΩ bardzo kiepsko, a po wt≤re, poniewa┐ zadanie, nukleotydowym szturmem rozwi╣zane, nie ma praktycznie nic wsp≤lnego z przebiegiem proces≤w ewolucyjnych (biologicznych): rozwi╣zanie to ukazuje tylko, ┐e w owym £rodowisku p≤│p│ynnym, jakie stanowiµ mog╣ kropelki protoplazmy z kodem dziedzicznym, nimi steruj╣cym, u te s takie moce obliczeniowe o jakich dotychczas nie mieli£my bladego pojΩcia.

áááááááááW dwu s│owach warto mo┐e jednak wyja£niµ przynajmniej, o jakie zadania sz│o. Autorem pracy "Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problem" jest Leonard M. Adelman. W zasadzie chodzi o problem odnalezienia takiej drogi, kt≤ra przechodzi przez ka┐dy wierzcho│ek okre£lonego grafu tylko jeden raz, a w praktyce bywa│ ten z dawien dawna znany problem rozpatrywany jako zadanie komiwoja┐era, kt≤ry ma odwiedzaµ po kolei ca│y szereg miejscowo£ci i chodzi o to, a┐eby ┐adnej nie pomin╣│ na swojej drodze i ┐eby zarazem droga ta okaza│a siΩ jak najkr≤tsza (oszczΩdna). Problem, kt≤ry dla malej liczby "miejscowo£ci" nie przedstawia specjalnego k│opotu tak┐e dla normalnego komputera, przy wzro£cie liczby tych miejscowo£ci - punkt≤w (wierzcho│k≤w graf≤w) zaczyna rosn╣µ wyk│adniczo. Je┐eli mikrosekunda jest potrzebna dla rozwi╣zania zadania o dziesiΩciu punktach, to 3,9 x 10¹¹ wiek≤w trzeba czekaµ na rozwi╣zanie dla STU punkt≤w. ( Nie liczy│em - zastrzegam siΩ - lecz polegam w ca│o£ci na artykule "On the Path to Computation with DNA" Davida K. Gifforda, umieszczonym w nazwanym ju┐ numerze SCIENCE). Ot≤┐ ten przeraƒliwy problem oligonukleotydowe sekwencje potrafi╣ rozwi╣zaµ dziΩki temu w czasie ani trochΩ nie tak "nieludzkim", poniewa┐ dzia│aj╣ "szerokim frontem". Inaczej to samo m≤wi╣c, tych │a±cuszk≤w molekularnych jest (musi byµ) bardzo wiele, a i w przyrodzie ich nie brak: przecie┐ np. najprostsze bakterie, wiΩc ju┐ organizmy, dzia│aj╣ w ilo£ciach rzΩdu miliard≤w i bilion≤w. Inaczej m≤wi╣c, problem zostaje pokonany metod╣ "brute force" i zarazem metod╣ paraleln╣, poniewa┐ zadanie zostaje zaatakowane przez wszystkie oligonukleotydowe │a±cuszki, a rozwi╣zaniem mo┐e siΩ okazaµ tylko jedn╣ ich sekwencja. Jednak ten problem, w kt≤rym matematyka rzuca w b≤j hamiltoniany, NIE jest g│≤wn╣ osi╣ mojej tu wyra┐onej nadziei, ┐e TAKIE metody obliczeniowe le┐╣ u podstawy ┐ycia. Chodzi tylko o to, ┐e zosta│a niejako "zerwana zas│ona" z pozornie "chaotycznej gry" nukleotydowej, za kt≤r╣ czai siΩ potΩga obliczeniowa, i odkrycie to rzuca jeszcze niezbyt jasne, ale daj╣ce ju┐ do my£lenia £wiat│o na te trzy miliardy lat Ziemi, podczas kt≤rych ┐ycie na niej bylo wy│╣cznie ┐yciem organizm≤w najprostszych, a potem bakterii.

áááááááááW pierwszej po│owie naszego stulecia modne bywa│o obliczanie "ca│kom tego nieprawdopodobie±stwa", jakim mia│oby byµ powstanie ┐ycia (biogeneza) w toku proces≤w chaotyczno losowych. W po│owie wieku za£ modne by│y ponadto dysputy darwinist≤w-ewolucjonist≤w z kreacjonistami - sceptykami, kt≤rzy domagali siΩ od pierwszych, aby wyt│umaczyli ewolucyjne powstawanie gatunk≤w, organ≤w, zachowa± zwierzΩcych itp. Oczywi£cie, ewolucjono£ci, tak┐e biologowie pierwszej wody, jakim np. by│ J.B.S. Haldane, chΩtny do drobnych utarczek, na og≤l przegrywali. Rzecz w tym, ┐e umys│ ludzki, choµby to by│ umys│ superm╣drego darwinisty, nie jest w stanie wyobraziµ sobie i wys│owiµ w spos≤b podleg│y naocznej weryfikacji takich proces≤w, kt≤re przebiega│y przez tysi╣ce milion≤w lat, a choµby "tylko" lat miliony.

áááááááááMaj╣c szczeg≤ln╣ s│abo£µ do dywagacji, wspomnΩ tutaj, ┐e kiedy osiem lat temu uzyska│em mo┐liwo£µ rozmawiania z noblist╣ Manfredem Eigenem, kiedy zapozna│em siΩ te┐ z jego teori╣ "hypercykl≤w" maj╣cych stanowiµ osnowΩ powstawania zjawisk ┐ycia, przez pewien czas chodzi│em mile uspokojony my£l╣, ┐e biogeneza znalaz│a wreszcie swe naukowe wyt│umaczenie. Potem dopiero nasz│y mnie takie oto w╣tpliwo£ci: hypercykle, jako te┐ ca│y piΩkny schemat pracy ewolucyjnej opartych na ich replikacji procesach elementarnej ewolucji (tej, o kt≤rej powiada prawy darwinista "survival of the fittest"), s╣ bardzo │adnym urz╣dzeniem, ale to przecie┐ nie jest co£, co mog│o powstaµ "spad│szy z nieba". Inaczej m≤wi╣c: pytanie o pocz╣tek ┐ycia zosta│o hipotez╣ hypercykli niejako przesuniΩte w nadal ciemn╣ przesz│o£µ, w kt≤rej co£ te hypercykliczne reakcje, krΩc╣ce siΩ dziΩki sta│emu dop│ywowi energii w k≤│ko, powo│a│o do istnienia .... i tutaj nadal nic nie wiemy.

áááááááááTak┐e praca, o jakiej pisa│em wy┐ej, Adelmana, nie wyja£nia bezpo£rednio niczego co do biogenezy. Natomiast zaczyna £witaµ rozumowa nie, kt≤re pozwolΩ sobie bardzo skr≤towo przedstawiµ. Typowy komputer klasy desktop wykonuje co najmniej 10⁶ operacji na sekundΩ. Najszybsze komputery potrafi╣ wykonaµ 10¹² operacji na sekundΩ. Je┐eli powi╣zanie (Anglicy pisz╣ "concatenation") dwu moleku│ DNA uznamy za jedn╣ operacjΩ (elementarn╣) i je┐eli oko│o polowy oligonukleotyd≤w liczy ich 4 x 10¹⁴, to w│a£nie 10¹⁴ operacji zostaje wykonanych, gdy┐ ka┐dy nukleotyd "dzia│a na w│asn╣ odpowiedzialno£µ". To w│a£nie jest frontalny atak "brute force", kt≤ry │atwo mo┐na powiΩkszyµ do 10²⁰ operacji: nie m≤wiΩ wcale, ┐e TAK w│a£nie pracuje aparatura kodu dziedzicznego, kt≤ra jest niezr≤wnanie bardziej skomplikowana (i w kt≤rej pracy uczestnicz╣ rozmaite dodatkowe pomoce enzymatyczne, a wszak m≤j stary s│ownik genetyki liczy sobie 600 stron, choµ w nim brak jednego s│owa o mocach obliczeniowych, potencjalnie obecnych w kodzie). PrezentujΩ jedynie rz╣d przeraƒliwych zgo│a wielko£ci tych mocy, kt≤re powstaj╣ z chwil╣, kiedy siΩ nukleotydy ju┐ pojawiaj╣ i pracuj╣ zorientowane dla rozwi╣zania okre£lonego problemu.

áááááááááRzecz jasna, kluczem do nastΩpnych wr≤t, czyli sposobem na postawienie kolejnego, kto wie czy nie decyduj╣cego kroku, bΩdzie pytanie o to, sk╣d bior╣ siΩ zadania, jakie zostaj╣ nukleotydom postawione w Naturze? Hamiltoniany i grafy nie maj╣ przecie┐ bezpo£rednio z procesami ┐yciowymi NIC wsp≤lnego. Jest mniej wiΩcej tak, jak by£my pokazali potΩgΩ drzemi╣c╣ w pewnym urz╣dzeniu obliczeniowym, i to w takim "urz╣dzeniu", kt≤re w niczym komputera naszej produkcji nie przypomina. Biochemik powiada: hydroliza jednej moleku│y tr≤jfosforanu adenozyny daje tyle energii, ┐e jeden d┐ul starczy na 2 10¹⁹ operacji.
áááááááááJest to wydajno£µ zdumiewaj╣ca, je┐eli zwa┐yµ, ┐e drugie prawo termodynamiki pozwala na teoretyczne maksimum 34 x 10¹⁹ operacji na 1 d┐ula (przy 300░ Kelvina). Najlepsze nasze komputery natomiast potrafi╣ wykonaµ najwy┐ej 10⁹ operacji na 1 d┐ula. Jak widaµ, procesy, jakimi ┐ywi╣ siΩ energetycznie "urz╣dzenia" nukleotydowe, s╣ niezr≤wnanie bardziej wydajne od naszych technicznych wytwor≤w. Na dalek╣ metΩ mo┐na by zatem uznaµ, ┐e moje pr≤by zawarte w "Summa technologiae", przekonywania i zapewniania, i┐ przejmiemy potΩgΩ Natury NIE przez imitacjΩ o£rodkowych uk│ad≤w nerwowych, NIE przez budowΩ "sztucznych m≤zg≤w", ale poprzez ow│adniΩcie mocami ukrytymi w genomach, by│y wcale sensowne. Byµ mo┐e, i┐, jak pisze Adelman, jedna moleku│a DNA mo┐e r≤wnaµ siΩ "momentalnej" /"instantaneous"/ deskrypcji maszyny Turinga i ┐e stoj╣ce do naszej dyspozycji enzymy i protoko│y mog╣ zostaµ zastosowane do uruchomienia TAKICH "MASZYN". Badania zmierzaj╣ce w tym kierunku mog╣ doprowadziµ do rozwoju enzym≤w, zdolnych do wykonywania prac syntezy projektowej; bΩdzie to era manipulowania makromoleku│ami, o kt≤rej pisa│em w 1980 roku w "Prognozie rozwoju biologii do roku 2060" - dla Polskiej Akademii Nauk. Ostatecznie - pisze Adelman - "mo┐na sobie wyobraziµ powstanie uniwersalnego czynno£ciowo komputera, utworzonego z niczego wiΩcej ponad jedn╣ makromoleku│Ω, pod│╣czon╣ do zespo│u enzym≤w /podobnych do rybosom≤w/, kt≤re bΩd╣ na tΩ makromoleku│Ω 'nale┐ycie' oddzia│ywa│y".

áááááááááWyznajΩ, ┐e kiedy czytam takie rzeczy w pi£mienie roszcz╣cym sobie, dalipan, najmniejszej pretensji do Science Fiction, i kiedy patrzΩ w przesz│o£µ na to, co wypisywa│em i co bywa│o uznane za utopijne bajeczki, odczuwam nie tyle nawet satysfakcjΩ, ile zdumienie pe│ne niepokoju. Jedn╣ rzecz╣ jest bowiem powiadaµ, ┐e hen tam, kiedy£, "za grzbietami stuleci" co£ zostanie stworzone, ┐e jakie£ Moce ulegn╣ wyzwoleniu i zaw│aszczeniu przez ludzi, a zarazem uspokajaµ siΩ wiar╣ w polepszalno£µ ludzkiej natury (w toku "postΩp≤w cywilizacyjnych"), a inn╣ rzecz╣ ca│kiem jest do┐yµ takich, jak cytowane, publikacji, i widzieµ, ┐e ju┐ za progiem nadci╣gaj╣cego XXI wieku rozpoczn╣ siΩ inwazje ogromnych kapita│≤w, masywnych inwestycji, rynkowych walk i szale±stw w bitwach o te "biokomputery", o jakich ja tak niefrasobliwie ku mizernemu zainteresowaniu odbiorczemu pisywa│em, nie s│ysz╣c przy tym najmniejszego odzewu (poza £miechem).

áááááááááA┐eby mnie jeszcze lepiej dobiµ (czy uwie±czyµ?), grudniowy numer Scientific American zawiera artyku│ o powstaj╣cej projektowej in┐ynierii genetycznej , kt≤ra mia│aby stworzyµ nowy front walki z drobnoustrojami chorobotw≤rczymi. O tym jednak ju┐ nie chcΩ tu i teraz pisaµ. My£l╣ raczej wr≤cΩ w najbardziej zamierzch│╣ przesz│o£µ, w kt≤rej najprostsze, jeszcze nie kom≤rkowe, raczej bakteryjne ┐ycie wegetowa│o i kot│owa│o siΩ na powierzchni naszej planety. Czy mo┐emy kiedykolwiek zrekonstruowaµ symulacyjnie procesy tej miary i takiej skali? W zasadzie wydaje mi siΩ to do pewnego stopnia mo┐liwe. Pytanie, na kt≤re nie pr≤bowa│em dot╣d znaleƒµ choµby i niepewnej odpowiedzi : CO stawia mocom obliczeniowym, powstaj╣cym w toku genezy kodu nukleotydowego, ZADANIA? - to pytanie jest zarazem pozornie proste i niezwykle zawile. Oczywi£cie, musia│o byµ tak, ┐e zadanie "narodzi│o siΩ samo" , w tym sensie elementarnym, i┐ "molekularne komputery" tylko w≤wczas mog│y po prostu przetrwaµ, je┐eli by│y tak zorientowane procesualnie, »E potrafi│y same siebie kontynuowaµ. A to dlatego, poniewa┐ tam, gdzie powsta│ ten moloch, te armie molekularne, utworzone z trylion≤w uporz╣dkowanych nukleinowych kwas≤w, r≤wnocze£nie w temperaturze Praziemi dzia│a│ chaos ruch≤w Browna: tam wci╣┐ trwa│y ataki atomowego bez│adu, dyktowane przez II zasadΩ termodynamiki, tam siΩ musia│y toczyµ bitwy ze wzrostem entropii. A to, co przegrywa│o te starcia, przestawa│o istnieµ. I tym samym zaczynamy ju┐ rozumieµ, jak to mo┐e byµ, ┐e bakterie po czasie stosunkowo kr≤tkich tryumf≤w medycyny, bombarduj╣cej je antybiotykami, uzyskuj╣ odporno£µ. Zadanie jest dla tych drobnoustroj≤w wci╣┐ takie samo, jak przed czterema miliardami lat: nale┐y prze┐yµ! "Nale┐y" ju┐ w tym sensie, w jakim "nale┐y" siΩ spodziewaµ trafiania Ziemi upadkiem meteor≤w czy te┐ czekaµ na zmiany klimatu, poniewa┐ zar≤wno biogeneza by│a zjawiskiem uwarunkowanym PROBABILISTYCZNIE, jak probabilizmy wyznaczaj╣ te┐ czΩsto£µ kosmicznych zaj£µ w rodzaju zderzenia z meteorem czy wej£cia w epokΩ lodowcow╣. Byl czas, w kt≤rym teoria prawdopodobie±stwa uchodzi│a za ubogiego krewnego, wrΩcz za podrzutka, kt≤ry przez badaczy hazardowych gier zosta│ matematyce niecnie pod│o┐ony. Ot≤┐ dzi£ jest ju┐ probabilistyka w pe│ni honor≤w i dowiadujemy siΩ po trosze, jak╣ rolΩ jej w│a£ciwa dzielno£µ odegra│a przy stworzeniu ┐ycia na Ziemi... i nada│a temu ┐yciu w jego najprostszych formach bakteryjnych tak╣ sprawno£µ, kt≤ra z ka┐dej wynalezionej medycznie opresji wyjdzie ca│o... co zmusi nas do toczenia z chorobami nastΩpnych bitew.

áááááááááPrzy tym wszystkim, kiedy ju┐ roztacza siΩ przed nami mepospolicie zaskakuj╣ca panorama przysz│ych prac, tych, kt≤re niemal maniakalnie opatrzy│em has│em "dogoniµ i przegoniµ NaturΩ w jej sprawno£ciach", trzeba te┐ zwa┐yµ, ┐e prosta rzetelno£µ i rzeczowo£µ nadal musi nas obowi╣zywaµ, a to znaczy, i┐ obawy, jakie w "Sumie Technologicznej" (w przypisach do niej) wyrazi│em, pozostaj╣ w mocy. Mianowicie zastanawia│em siΩ tam nad tym, czy i w jaki spos≤b ludzie bΩd╣ w stanie znaleƒµ drogΩ na niesamowite wrΩcz, pierwsze w ich dziejach, nies│ychane SKR╙TY ku realizacji wymienionego has│a.
áááááááááJe┐eli bowiem sprawa mia│aby siΩ tak, ┐e przed trzema miliardami lat powsta│o ┐ycie, a potem przez trzy miliardy samopowtarza│o siΩ w permutacjach i rekombinacjach, nie zmieniaj╣c w│asnej postaci, to jak w│a£ciwie mog│o potem - znienacka bodaj┐e - doj£µ do "kambryjskiego skoku", kt≤ry rozpleni│ ┐ycie, powiΩkszaj╣c je wielokom≤rkowo, kt≤ry zasiedli│ oceany, a potem l╣dy, sk╣d "molekularnie rozcz│onkowany moloch nukleotydowego kodu" wynalaz│, w jaki spos≤b on stworzy│ sobie dalsze zadania, polegaj╣ce na samokomplikacji ┐ycia, na jego rozszerzaniu siΩ na gatunki, sk╣d wzi╣│ siΩ zarazem ≤w trend akceleracji, przyspieszenia, dziΩki kt≤remu raz powsta│e organizmy zajΩ│y siΩ gor╣czkow╣ produkcj╣ nowych gatunk≤w? A jednocze£nie wiemy, ┐e z tych gatunk≤w ro£lin i zwierz╣t, kt≤re powsta│y w przesz│o£ci, 99 % wyginΩ│o, i tylko nadzwyczajna prΩ┐no£µ... zn≤w trzeba rzec po prostu: OBLICZENIOWA, rekombinuj╣ca, rekombinacyjna, z nukleotydowych cegie│ek umia│a wykrzesaµ dalsze miriady nastΩpnych gatunk≤w, cale fontanny specjacji... Czy to wszystko by│o te┐ "po prostu efektywno£ci╣ najwiΩkszej oko│os│onecznie loterii traf≤w" - czy mo┐e byµ, ┐e nic, opr≤cz Przypadku, chytrze skomplikowanego w kszta│t │a±cuch≤w Markowskich i p≤l-Markowskich, nie dzia│a│o jako ta si│a, kt≤ra na schy│ku holocenu wyrzuci│a na powierzchniΩ po│udniowej Afryki przedma│py razem z przed ludƒmi... i wchodz╣c w okrutnie dziesi╣tkuj╣ce sita doboru naturalnego, tamte gatunki ulega│y jeden po drugim zag│adzie, a┐ pozosta│y tylko dwa konary: na jednym usadowi│y siΩ ma│py, a na drugim - my: ludzie, Homo sapiens. NajbezwglΩdniejszy - niestety - paso┐yt biosfery.
áááááááááTo nie podlega ju┐ dzi£ zakwestionowaniu: byµ mo┐e zdo│amy opanowaµ moce obliczeniowe molekularnego komputera »YCIA i on dopomo┐e nam w prze┐yciu cywilizacji... albo te┐ sami zrujnujemy tΩ szansΩ, poniewa┐ oka┐e siΩ, ┐e i tΩ skradzion╣ prometejsk╣ moc Natury sami przeciw sobie obr≤cimy... w walce, kt≤r╣ tylko bakterie na koniec zdo│aj╣ prze┐yµ.

Pisa│em w grudniu 94

sssdasd