Искусственная химия

Искусственная химия ^[1]^[2]^[3] представляет собой химическую систему, которая обычно состоит из объектов, называемых молекулами, которые взаимодействуют по правилам, напоминающим правила химических реакций. Искусственная химия создается и изучается для понимания фундаментальных свойств химических систем, включая эволюцию пребиотиков, а также для разработки химических вычислительных систем. Искусственная химия — это область информатики, в которой химические реакции — часто биохимические — моделируются на компьютере, что позволяет понять эволюцию, самосборку и другие биохимические явления. В этой области не используются настоящие химические вещества, и ее не следует путать ни с синтетической химией, ни с вычислительной химией . Скорее, биты информации используются для представления исходных молекул, а конечные продукты исследуются вместе с процессами, которые к ним привели. Эта область зародилась в искусственной жизни , но оказалась универсальным методом, применимым во многих областях, таких как химия , экономика , социология и лингвистика. .

Формальное определение

Искусственная химия вообще определяется как тройка (S,R,A). В некоторых случаях достаточно определить его как кортеж (S,I).

S — множество возможных молекул S={s ₁ ...,s _n }, где n — количество элементов в множестве, возможно, бесконечное.
R — набор n-арных операций над молекулами из S, правила реакции R={r ₁ ...,r _n }. Каждое правило r _i записывается как химическая реакция a+b+c->a*+b*+c*. Обратите внимание, что r _i являются операторами, а не +.
A — алгоритм, описывающий, как применять правила R к подмножеству P. $\subset$ С.
I — правила взаимодействия молекул в S.

Виды искусственной химии

в зависимости от пространства возможных молекул
- конечный
- бесконечный
в зависимости от типа реакции
- каталитические системы
- реактивные системы
- тормозные системы
в зависимости от топологии пространства
- хорошо перемешиваемый реактор
- топологически устроены (1-, 2- и 3-мерные)

Важные понятия

Эта область во многом зависит от математики, включая математическое моделирование. На самом деле он больше опирается на математическое образование, чем на химическое.
Организации: Организация — это набор молекул, который является закрытым и самоподдерживающимся. По существу, это набор, который не создает ничего вне себя, и внутри него может быть создана любая молекула внутри набора.
Закрытые наборы
Самообслуживающиеся наборы
Диаграмма Хассе организаций

История искусственной химии

Искусственная химия возникла как подобласть искусственной жизни , в частности, из сильной искусственной жизни . Идея этой области заключалась в том, что если кто-то хочет построить что-то живое, это должно быть сделано с помощью комбинации неживых существ. Например, клетка сама по себе является живой, но представляет собой комбинацию неживых молекул. Искусственная химия привлекает, среди прочего, исследователей, которые верят в экстремальный восходящий подход к искусственной жизни. В искусственной жизни биты информации использовались для представления бактерий или представителей вида, каждый из которых двигался, размножался или умирал в компьютерном моделировании. В искусственной химии биты информации используются для представления исходных молекул, способных вступать в реакцию друг с другом. Эта область относится к искусственному интеллекту в силу того факта, что за миллиарды лет неживая материя превратилась в первичные формы жизни, которые, в свою очередь, превратились в разумные формы жизни.

Важные участники

Первое упоминание об искусственной химии содержится в технической статье, написанной Джоном Маккаскиллом. . ^[4]Уолтер Фонтана, работая с Лео Бассом, затем приступил к разработке модели AlChemy. ^[5]. ^[6]Модель была представлена на второй Международной конференции искусственной жизни.В своих первых работах он представил концепцию организации как набора молекул, алгебраически замкнутого и самоподдерживающегося.Эта концепция была далее развита Диттрихом и Сперони ди Феницио в теорию химических организаций. ^[7]. ^[8]

Две основные школы искусственной химии существовали в Японии и Германии.В Японии главными исследователями были Такаси Икегами. , ^[9]^[10]Хидеаки Сузуки ^[11]^[12]и Ясухиро Судзуки ^[13]. ^[14]В Германии это был Вольфганг Банцхаф , который вместе со своими учениками Петером Диттрихом и Йенсом Циглером разработал различные модели искусственной химии.Их статья 2001 года «Искусственная химия – обзор». ^[3] стал стандартом в этой области. Йенс Циглер в рамках своей докторской диссертации доказал, что искусственную химию можно использовать для управления небольшим роботом Хепера.. ^[15]Среди других моделей Питер Диттрих разработал модель седера , которая способна объяснить формирование групп в обществе с помощью некоторых простых правил. С тех пор он стал профессором в Йене , где исследует искусственную химию как способ определения общей теории конструктивных динамических систем .

Применение искусственной химии

Искусственная химия часто используется при изучении протобиологии, пытаясь преодолеть разрыв между химией и биологией .Еще одной мотивацией к изучению искусственной химии является интерес к конструктивным динамическим системам. Ясухиро Судзуки смоделировал различные системы, такие как мембранные системы, сигнальные пути (P53), экосистемы и ферментные системы, используя свой метод — абстрактную систему переписывания на мультимножествах (ARMS).

Искусственная химия в массовой культуре

В научно-фантастическом романе Город перестановок» « Грега Игана 1994 года сканированные мозгом эмулированные люди, известные как копии, обитают в симулированном мире, который включает в себя « Автоверс» , симулятор искусственной жизни, основанный на комплексе клеточных автоматов, достаточном для того, чтобы представлять собой субстрат искусственной химии. В Autoverse моделируются крошечные среды, наполненные популяциями простой, созданной формы жизни — Autobacterium lamberti . Цель Автоверса - позволить Копиям исследовать жизнь, которая развилась там после того, как она была запущена на значительно большом сегменте моделируемой вселенной (именуемой «Планета Ламберт»).

См. также

Авида Цифровая Эволюция
Клеточные автоматы
Вычислительная химия - использование упрощенных моделей для моделирования химических взаимодействий.

Внешние ссылки

Сайт искусственной химии ^[1]
Papers & Talks Тима Хаттона - включает несколько статей по искусственной химии для искусственной жизни.
сайт protobiology.org

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б В. Банцхаф и Л. Ямамото. Искусственная химия , MIT Press, 2015.
^ П. Диттрих. Искусственная химия (АС) В книге А. Р. Мейерса (редактор), «Вычислительная сложность: теория, методы и приложения», стр. 185–203, Springer, 2012.
^ Перейти обратно: ^а ^б П. Диттрих, Дж. Зиглер и В. Банцхаф. Искусственная химия — Обзор .Искусственная жизнь, 7(3):225–275, 2001.
^ JSMcCaskill. Химия полимеров на пленке: вычислительная модель для новой генетики. Технический отчет, MPI по биофизической химии, 1988 г.
^ В. Фонтана. Алгоритмическая химия. В К. Г. Лэнгтоне, К. Тейлоре, Дж. Д. Фармере и С. Расмуссене, редакторах, «Искусственная жизнь II», страницы 159–210. Вествью Пресс, 1991.
^ В. Фонтана и Л. Басс. «Приход сильнейшего»: к теории биологической организации. Бюллетень математической биологии, 56 (1): 1–64, 1994.
^ П. Диттрих, П. Сперони ди Феницио. Теория химической организации . Бюллетень математической биологии (2007) 69: 1199:1231.
^ П. Сперони ди Феницио. Теория химической организации. Кандидатская диссертация, Йенский университет имени Фридриха Шиллера, 2007 г.
^ Т. Икегами и Т. Хашимото. Активная мутация в самовоспроизводящихся сетях машин и лент. Искусственная жизнь, 2(3):305–318, 1995.
^ Т. Икегами и Т. Хасимото. Репликация и разнообразие в машинно-ленточных коэволюционных системах. В К. Г. Лэнгтоне и К. Шимохаре, редакторах, «Искусственная жизнь V», страницы 426–433. Массачусетский технологический институт Пресс, 1997.
^ Х.Сузуки. Модели сохранения генетической информации с помощью искусственной химии на основе струн. В. Банцхаф, Дж. Зиглер, Т. Кристаллер, П. Диттрих и Дж. Т. Ким, редакторы, «Достижения в искусственной жизни», том 2801 конспектов лекций по информатике, страницы 78–88. Спрингер, 2003.
^ Х. Сузуки. Сетевая клетка с молекулярными агентами, которая делится по сигналам центросомы. Биосистемы, 94(1-2):118–125, 2008.
^ Ю. Сузуки, Дж. Такабаяши и Х. Танака. Исследование тритрофических взаимодействий в экосистеме с помощью абстрактной химии. Искусственная жизнь и робототехника, 6(3):129–132, 2002.
^ Ю. Судзуки и Х. Танака. Моделирование сигнальных путей p53 с использованием обработки мультимножеств. В Г. Чобану, Г. Па Чуне и М. Дж. Перес-Хименесе, редакторах, «Приложения мембранных вычислений», серия Natural Computing, страницы 203–214. Спрингер, 2006.
^ Дж.Зиглер и В.Банцхаф. Развитие управляющего метаболизма робота. ArtificialLife, 7(2):171–190, 2001.

[BY2015-1] Перейти обратно: ^а ^б В. Банцхаф и Л. Ямамото. Искусственная химия , MIT Press, 2015.

[Dittrich2012-2] П. Диттрих. Искусственная химия (АС) В книге А. Р. Мейерса (редактор), «Вычислительная сложность: теория, методы и приложения», стр. 185–203, Springer, 2012.

[DZB2001-3] Перейти обратно: ^а ^б П. Диттрих, Дж. Зиглер и В. Банцхаф. Искусственная химия — Обзор .Искусственная жизнь, 7(3):225–275, 2001.

[4] JSMcCaskill. Химия полимеров на пленке: вычислительная модель для новой генетики. Технический отчет, MPI по биофизической химии, 1988 г.

[5] В. Фонтана. Алгоритмическая химия. В К. Г. Лэнгтоне, К. Тейлоре, Дж. Д. Фармере и С. Расмуссене, редакторах, «Искусственная жизнь II», страницы 159–210. Вествью Пресс, 1991.

[FB1994-6] В. Фонтана и Л. Басс. «Приход сильнейшего»: к теории биологической организации. Бюллетень математической биологии, 56 (1): 1–64, 1994.

[7] П. Диттрих, П. Сперони ди Феницио. Теория химической организации . Бюллетень математической биологии (2007) 69: 1199:1231.

[8] П. Сперони ди Феницио. Теория химической организации. Кандидатская диссертация, Йенский университет имени Фридриха Шиллера, 2007 г.

[9] Т. Икегами и Т. Хашимото. Активная мутация в самовоспроизводящихся сетях машин и лент. Искусственная жизнь, 2(3):305–318, 1995.

[10] Т. Икегами и Т. Хасимото. Репликация и разнообразие в машинно-ленточных коэволюционных системах. В К. Г. Лэнгтоне и К. Шимохаре, редакторах, «Искусственная жизнь V», страницы 426–433. Массачусетский технологический институт Пресс, 1997.

[11] Х.Сузуки. Модели сохранения генетической информации с помощью искусственной химии на основе струн. В. Банцхаф, Дж. Зиглер, Т. Кристаллер, П. Диттрих и Дж. Т. Ким, редакторы, «Достижения в искусственной жизни», том 2801 конспектов лекций по информатике, страницы 78–88. Спрингер, 2003.

[12] Х. Сузуки. Сетевая клетка с молекулярными агентами, которая делится по сигналам центросомы. Биосистемы, 94(1-2):118–125, 2008.

[13] Ю. Сузуки, Дж. Такабаяши и Х. Танака. Исследование тритрофических взаимодействий в экосистеме с помощью абстрактной химии. Искусственная жизнь и робототехника, 6(3):129–132, 2002.

[14] Ю. Судзуки и Х. Танака. Моделирование сигнальных путей p53 с использованием обработки мультимножеств. В Г. Чобану, Г. Па Чуне и М. Дж. Перес-Хименесе, редакторах, «Приложения мембранных вычислений», серия Natural Computing, страницы 203–214. Спрингер, 2006.

[15] Дж.Зиглер и В.Банцхаф. Развитие управляющего метаболизма робота. ArtificialLife, 7(2):171–190, 2001.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]