Künstliches Leben (M 103, M409)

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1 Künstliches Leben (M 103, M409)
Seminar im SS 2004, BITÖK B Uhr Mi den 16.6., 30.6., 7.7. Einführung und Grundlagen (MH) Was ist Leben ? (FK) Erstes Beispiel: Ursuppe (JK) /lehre/lehre/lehre.php?semester=2004-f

2 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) ?

3 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 ?

4 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“

5 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

6 Modellierung (nach Robert Rosen)
Newton Natural System ENCODING DECODING Formal System INFERENCE CAUSALITY 1 2 4 3 Naturgesetze

7 Definitionen von „Leben“
biologisch def. Natural System ENCODING DECODING Formal System INFERENCE CAUSALITY 1 2 4 3 tautologisch ? physikalisch def. hinreichend ?

8 Kausalität bei Aristoteles:
Warum f(n) ? Materielle Ursache: Anfangswert Formale Ursache: Exponent n Effektive Ursache: Abbildung T Finale Ursache: f(n) (unzulässig) Kausalität manifestiert sich durch Zustandsübergänge

9 Kausalität in der Mechanik (Newton)
Warum Bewegung f(t) ? Materielle Ursache: Zustand (t) Formale Ursache: Masse Effektive Ursache: träge und schwere Masse Finale Ursache: Bewegung „Genotyp“ „Phänotyp“ Unterscheidung in Phänotyp und Genotyp ist hier unnötig (und irreführend)

10 Kausalität in der Biologie (Rosen)
Warum Leben f(t) ? Materielle Ursache: Zustand (t) der Zelle Formale Ursache: Erbfaktoren Effektive Ursache: „Funktionen“ Finale Ursache: Verhalten der Zelle „Genotyp“ „Phänotyp“ Unterscheidung in Phänotyp und Genotyp hier wichtig

11 Algebra Eine (universelle, allgemeine) Algebra ist ein Paar bestehend aus einer Menge A und einer Abbildung Coalgebra Siehe Gumm(2003) in allgemeine Algebra Wobei F eine feste, „mengentheoretische Konstruktion“ darstellt

12 Ansätze für Modelle: 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 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

13 Ansätze für Modelle: 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) 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“) Warum etwas lebt wird (immer) mit Verhalten beantwortet. Kann man durch einmal hinschauen prüfen ob etwas lebt? 2x und noch Reizsetzen auf den die Reaktion abgewartet werden muss (darf sich nicht völlig vorhersgabar verhalten etc.) Hier ist eine innere Struktur/oder Funktion für die Individualität des Verhaltens verantwortlich

14 Was hat sich durch Computer geändert ?
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) 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 Warum etwas lebt wird (immer) mit Verhalten beantwortet. Kann man durch einmal hinschauen prüfen ob etwas lebt? 2x und noch Reizsetzen auf den die Reaktion abgewartet werden muss (darf sich nicht völlig vorhersgabar verhalten etc.) Hier ist eine innere Struktur/oder Funktion für die Individualität des Verhaltens verantwortlich

15 What is a Model ? An Arrow Domain Co-Domain e.g.: set of states
e.g.: set of behaviours observable ? Interactive ?

16 Dyn. System: Interaktiv ?
Modelle Dyn. System: Interaktiv ? Dyn. System: Komplex ? Bewerbungsgespräch mündliche Prüfung Schach (Mensch, Computer) Dame (Mensch) Jagen Umwelt Jäger & Sammler Turing Test Persist. Turing Maschinen Flugsimulatoren Waldwachstumsmodelle Fragebogen Klausur Dame (Computer) Töten heutige Umwelt (?) Turing Maschine Wetterbericht