Künstliches Leben(M 103, M409)

• Einführung und Grundlagen (MH)• Was ist Leben ? (FK)• Erstes Beispiel: Ursuppe (JK)

Seminar im SS 2004, BITÖK B9 14-18.00 UhrMi den 16.6., 30.6., 7.7.

http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/mod/de/lehre/lehre/lehre.php?semester=2004-f

Wissenschaftliche und nicht-wissenschaftliche Fragen

• Warum, wann ist ein Organismus lebendig?• Was ist Leben ?

– Wie ist das Leben entstanden?– Wie wirkt es auf die Umgebung ?– Wie fühlt es sich an ?– Was ist der Tod ?

• Ist das im Universum einzigartig oder typisch ?

• Ist das heute wiederholbar:– Im biochemischen Labor ? – Im Computer (in Silico) ?

Vorschläge für Definitionen

• Erwin Schrödinger (What is Life, 1944)– Kann ein Organismus eine Maschine sein ?

• Stuart Kauffman (Investigations, 1998) – Selbstreproduktion und– Ein vollständiger thermodynamischer Arbeitszyklus

• Lee Smolin (The Life of the Cosmos, 1997)– Ein selbstorganisiertes Nichtgleichgewichtssystem,– dessen Prozesse durch ein symbolisch gespeichertes

Programm gesteuert werden und – das sich einschließlich das Programms selbst reproduzieren

kann• Robert Rosen (Life Itself, 1991)

– Ein Organismus ist lebendig, genau dann, wenn er ein geschlossenes System im Hinblick auf die Kausalität der Wirkung darstellt (der in ihm wirkenden effektiven Ursachen).

– Ist die Struktur wichtiger als die Funktion ?

Erwin Schrödinger: What is Life ?

• Warum „Leben“ und nicht „lebendig“ ?• die vorhandene Basis für Modelle reicht nicht• Wann ist ein Erbfaktor (Gen) ein Molekül?

– Unterschiedliches (phänotypisches) Verhalten ist durch unterschiedliche Kräfte bedingt

– Der Ausgangspunkt und Wirkraum dieser Kräfte liegt im Organismus und ist vererbbar

• Wann kann ein Molekül ein Erbfaktor (Gen) sein?– Aus einem „Trägheitseffekt“ (reagiert passiv auf

Ursachen) wird hier eine „Schwerkrafteffekt“ (=aktive Ursache)

– Delbrück: der Trägheitseffekt der Vererbung ist anhand von einem Molekül zu veranschaulichen (klein und stabil)

– Schrödinger: „Schwerkrafteffekt“ der Erbfaktoren auf dem Weg zum Phänotyp erfordert „neue Physik“

Positionen: – Schrödinger: Neue Physik ist nötig

– Einstein: One can best feel in dealing with living things how primitive physics still is.

– Jacques Monod: Biology is marginal because - the living world constituting but a tiny and very special part of the universe – it does not seem likely that the study of living things will ever uncover general laws applicable outside the biosphere.

– Lee Smolin: In dem alten Bild eines Gleichgewichtuniversums war das Vorhandensein von Leben eine Anomalie oder zumindest etwas außerordentlich Unwahrscheinliches, das nur das Ergebnis eines statistischen Zufalltreffers sein konnte. In dem von uns postulierten Bild bleibt das Universum dauerhaft in einem Zustand des Nichtgleichgewichts. In diesem Bild machen Leben, Ordnung und Struktur den natürlichen Zustand des Kosmos aus. Unsere Existenz und vielleicht sogar unser Geist ließe sich als etwas von der Welt natürlich erschaffenes verstehen

Modellierung (nach Robert Rosen)

Natural System

ENCODING

DECODING

Formal

System

INFER

EN

CE

CA

US

ALIT

Y 1

2

4

3

Naturgesetze

Newton

Definitionen von „Leben“

Natural System

ENCODING

DECODING

Formal

System

INFER

EN

CE

CA

US

ALIT

Y 1

2

4

3

biologisch def.

physikalisch def.

hinreichend ?

tautologisch ?

Kausalität bei Aristoteles:

1. Materielle Ursache: Anfangswert

2. Formale Ursache: Exponent n

3. Effektive Ursache: Abbildung T

4. Finale Ursache: f(n) (unzulässig)

)()( rTnf n

Warum f(n) ?

rf )0(

)()( rTnf n

Kausalität manifestiert sich durch Zustandsübergänge

1. Materielle Ursache: Zustand (t)

2. Formale Ursache: Masse

3. Effektive Ursache: träge und schwere

Masse

4. Finale Ursache: Bewegung

Kausalität in der Mechanik (Newton)

Warum Bewegung f(t) ?

Unterscheidung in Phänotyp und Genotypist hier unnötig (und irreführend)

„Phänotyp“

„Genotyp“

1. Materielle Ursache: Zustand (t) der

Zelle

2. Formale Ursache: Erbfaktoren

3. Effektive Ursache: „Funktionen“

4. Finale Ursache: Verhalten der Zelle

Kausalität in der Biologie (Rosen)

Warum Leben f(t) ?

Unterscheidung in Phänotyp und Genotyp hier wichtig

„Phänotyp“

„Genotyp“

Eine (universelle, allgemeine) Algebra ist ein Paar bestehend aus einer Menge A und einer Abbildung

Algebra

),( AfAA

AAFf A )(:

Coalgebra

)(: AFAf A

Wobei F eine feste, „mengentheoretische Konstruktion“ darstellt

1. Algebraisch: steht hier für Ansätze, in

denen (nicht interaktives) Verhalten auf

(beobachtbare) Zustände reduziert wird

- Aus der Rekonstruktion (Synthese) folgt Verständnis

- Kongurenz von beobachteten und vorhergesagten

Strukturen als Kriterium für Erfolg

2. Coalgebraisch: steht hier für Ansätze in

denen (unbeobachtbare) Zustände auf

(interaktives) Verhalten reduziert wird

- Aus der (interaktiven) Simulation folgt Bewertung

- Ununterscheidbarkeit von virtuellen und realen

Interaktion als Kriterium für Erfolg

Ansätze für Modelle:

1. Algebraisch: Aus dem formalen, materiellen und effektiven Ursachen

wird das beobachtete Verhalten vorhergesagt und erklärt

- Kongruent erzeugte Strukturen werden sich auch identisch verhalten

- Harnstoff-Moleküle aus einem Organismus gewonnen und im Labor synthetisiert

verhalten sich identisch (Synthese als Umkehrung der Analyse möglich)

2. Coalgebraisch: Das erinnerte (interaktive) Verhalten wird beliebig

wiederholt, in Gang gehalten und bewertet

- Verhält sich eine Systemsimulation an der Schnittstelle in der Interaktion

ununterscheidbar, dann sind auch die simulierten Zustände identisch mit den

tatsächlichen

- z.B. Turing test: eine Schnittstelle, die Fragen so beantwortet, dass diese von

denen eines Menschen ununterscheidbar sind (für einen Menschen, der diese

Schnittstelle benutzten kann), dann ist das System hinter der Schnittstelle

intelligent

- Z.B. Schachcomputer, der für alle Menschen unschlagbar ist, simuliert das Spiel

auf jedem für Menschen erreichbaren Niveau. („Er kann Schach“)

Ansätze für Modelle:

1. Algebraische Modelle sind sehr viel leistungsfähiger

geworden. Emergente Phänomene werden im Computer

rekonstruiert und erklärt (siehe Vortrag über C. Langton)

- z.B. Dame ist kein Spiel mehr, da von jeder beliebigen Position

aus die Gewinnvariante errechnet werden kann (Bewertung

trivial)

2. Coalgebraische Modelle sind technisch möglich

geworden. Die meisten Computer werden wegen ihres

interaktiven Verhalten als Kommunikation Instrumente

verwendet und nicht nur als algorithmischer „Rechner“

- Schachcomputer helfen bei der schweren Bewertung

ungelöster Partien

- Internet als eine emergente Technologie

Was hat sich durch Computer geändert ?

What is a Model ?

Domain Co-DomainAn Arrow

e.g.: set of states

e.g.: set of behaviours

observable ? Interactive ?

Modelle

Dyn. System: Interaktiv ?

• Fragebogen• Klausur• Dame (Computer)

• Töten• heutige Umwelt (?)• Turing Maschine• Wetterbericht

Dyn. System: Komplex ?

• Bewerbungsgespräch• mündliche Prüfung• Schach (Mensch, Computer)• Dame (Mensch)

• Jagen• Umwelt Jäger & Sammler• Turing Test • Persist. Turing Maschinen• Flugsimulatoren • Waldwachstumsmodelle