Künstliches Leben (M 103, M409) Michael Hauhs, Ökologische Modellbildung (BITÖK) Was ist Leben ? Was ist künstliches Leben ? Vortragsthemen Historisch Theoretisch Beispiele Kritik am AL Seminar im SS 2004, S108 FAN D Mo oder Do 12-14 Mo 12-14 Do 12-14 Oder Fr 12.14 S102 (FAN) http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/mod/de /lehre/lehre/lehre.php?semester=2004-f

Definitionsversuch (Langton) Artificial Life involves the realization of lifelike behaviors on the part of man made systems consisting of populations of semi-autonomous entities whose local interactions with one another are governed by a set of simple rules. The emergent structures play a vital role in organizing the behavior of the lowest-level entities by establishing the context within which those entities invoke their lokal rules and as a consequence, these structures may evolve in time Wichtig ist der Punkt: es gibt keine expliziten Regeln für die Population auf der globalen Ebene.

Offene Probleme des AL A. How does life arise from the nonliving? Generate a molecular proto-organism in vitro. Achieve the transition to life in an artificial chemistry in silico. Determine whether fundamentally novel living organizations can exist. Simulate a unicellular organism over its entire lifecycle. Explain how rules and symbols are generated from physical dynamics in living systems. B. What are the potentials and limits of living systems? Determine what is inevitable in the open-ended evolution of life. Determine minimal conditions for evolutionary transitions from specific to generic response systems. Create a formal framework for synthesizing dynamical hierarchies at all scales. Determine the predictability of evolutionary consequences of manipulating organisms and ecosystems. Develop a theory of information processing, information flow, and information generation for evolving systems. Es ist ein auf ein besseres Verständnis der zeitlichen Ordnung gerichtetes Forschungsprogramm: auf vorher und nachher und welche Modelle in diesem Zusammenhang relevant sind Zufall und Notwendigkeit in der Evolution, kommentieren wir ein Spiel dessen Ergebnis wir kennen ? Beschreiben wir etwas angemessen in seinen Eigenschaften (Struktur und Funktion) Man sucht hier offensichtlich in einer Modellklasse (generisch ..., Vorhersagbarkeit) Die Entstehung von Hierarchien (über mehr als einen Sprung hinweg) hat bisher überhaupt nicht geklappt! Bei 13. Ist da der qualitative Unterschied denn schon klar? 12. Ist auch ein netter Punkt C. How is life related to mind, machines, and culture? Demonstrate the emergence of intelligence and mind in an artificial living system. Evaluate the influence of machines on the next major evolutionary transition of life. Provide a quantitative model of the interplay between cultural and biological evolution. Establish ethical principles for artificial life.

Vortragsthemen Überblick Historisches 1. Was ist Leben (Schrödinger 1947) 2. Der Aufbruch: Chris Langton 3. Die Klassiker: Themen der ersten Arbeiten: Reaktions- Diffusions-Systeme, autokatalytische Systeme, ZA, B. Beispiele 3. AVIDA (Chris Adami): Welche? 4. TIERRA 5. Ameisenkolonien 6. ... C. Kritik und Ausblick 13. Bedaus Kritik 14. Rosens Kritik 15. Perspektiven

Grundlagen I Grundlage und Vorläufer: Erwin Schrödinger (1944): What is Life? Dieses kleine Buch wurde vor der Entdeckung der DNS geschrieben und beschäftigt sich mit den Folgen der modernen physikalischen Theorien für die Biologie. Es hat eine große Wirkung in der Biologie gehabt, die bis heute aktuell geblieben ist. Es wurde oft (irrtümlich) als ein Ausdruck von Reduktionismus gelesen. Das ist aber nur eine der möglichen Interpretation, wie spätere Analysen des Textes zeigen. Fragen in diesem Zusammenhang: Wie viel der biologischen Ordnung stammt von außen (durch natürliche Selektion) und wie viel kann auf Selbstorganisation von Netzwerken zurückgeführt werden (von Innen)? In welchem Verhältnis stehen die molekularbiologischen zu den historischen Ansätzen in der Biologie? Aus diesem Block lassen sich je nach Interesse 1-3 Vorträge definieren Literatur: E. Schrödinger (1944) What is Life ? R.Rosen (2000) Essays on Life itself: Kap 1: The Schrödinger Question fifty years later. Murphy und O`Neill (1997) What is Life ? The next fifty years (Kap. Von Kauffmann)

Grundlagen II Der fundierende Artikel: Chris Langton (1989) Der erste Workshop zum Thema Artificial Life fand im Sept. 1987 in Los Alamos statt. Chris Langton war mit vielen zersplitterten Ansätzen zur Modellierung und der Simulation biologischer Systeme unzufrieden. Er versuchte das unter dem Schlagwort des künstlichen Lebens zu integrieren. Die 160 Teilnehmer waren an der Simulation und Synthese lebender Systeme interessiert, Die beiden Richtung, die als Ingenieur-Aspekte des Soft- und Hardwarebaus und als theoretische Aspekte betrachtet werden können, existieren dabei neben einander. Dem Feld fehlt die Kohärenz, wegen der fehlenden Theorie, aber aus der verfügbaren Technik entstand ein neuer Integrationsversuch. Stichworte dieses Aufbruchs waren: emergentes statt spezifiziertes Verhalten; Bottom-up statt top-down Modellierung; lokale statt globale Kontrolle; einfache statt komplexe Spezifikationen, Populationen statt Individuen. Langton stellt selbst wegen des Ortes der Tagung und der möglichen Konsequenzen den Bogen zur Atombombe her. Ist das berechtigt?   Literatur: Chris Langton: Einführungsartikel aus dem ersten Tagungsband

Grundlagen III Die ersten Themen des AL: Ursprung des Lebens, Evolution, Diffusions-Reaktions-Systeme, Zellulare Automaten, etc. Hier geht es um den theoretischen bzw. Experimentellen Hintergrund außerhalb von AL. Daraus lassen sich je nach Nachfrage jeweils eigene Vorträge gestalten.

Beispiele I AVIDA: Chris Adami hat eine der ersten Monographien zum Thema AL geschrieben. AVIDA ist das Programm, das darin als Beispiel diskutiert wird. Es ist zudem der erste Fall, von dem die Autoren behaupten, dass sie „open-ended Evolution“ in den Fitnesswerten zeigen. Die Berechnung und die Analyse der Fitnesswerte in Avida sind in diesem Vortrag der zentrale Punkt. Das Programm ist vorhanden, es können eigene Demos dazu angefertigt werden. Literatur; Chris Adami (Buch) Lenski, R.E., Ofria, C., Pennock, R.T. and Adami, C. (2003): The evolutionary origin of complex features. Nature 423, 139-144. … TIERRA: (Tom Ray) Das erste AL Programm, das überraschendes (emergentes) Verhalten zeigt; zu dem sich mühelos eine biologische Interpretation findet (Parasitismus, Hyperparasitismus etc.) Ameisenkolonien (F. Klügel u.a.) Soziale Insekten sind eines der „klassischen“ Anwendungsgebiete von AL in der Biologie.

Beispiele II Talking heads: (oder eine der viele anderen Anwendungen aus der Linguistik): Hier existieren eine Reihe von Modellen, die sich mit der Entstehung von Diversität in Sprachen befassen. B. de Boer (2003) Conditions for stable vowel systems in a population, ECAL VII, S. 415-424 Robotik: Im Rahmen des AL hat sich eine eigenes Forschungsgebiet in der Robotik entwickelt. Hier geht es darum unter kontrollierten Selektionsbedingungen eingebettete Systeme zu evolvieren. Hierarchien: Eines der großen Probleme des AL besteht darin, die hierarchisch aufgebaute Organisation lebender Systeme aus einfachen Bausteinen zu erzeugen. Meist gelingt es nur, eine Stufe von neuem (emergenten) Verhalten zu studieren und dann geht es nicht weiter. Eine Reihe von Modellen versuchen dieses Problem zu lösen.

Beispiele III Selbst-organisierende, evolvierende kleine Netzwerke. Eine der neueren Richtungen auf AL Tagungen, besonders interessant in der Gruppe um R. Sole Sole, R.V., Alonso, D. and McKane, A. (2002): Self-organized instability in complex ecosystems. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences 357, 667-681. Klassifikation von Ergebnissen (Bedau): Wie kann man das Verhalten und die Ergebnisse von Simulationen klassifizieren? Was sind die leichten (gelösten) Probleme, was ist der harte Rest? Hier geht es um eine genauere Angabe, was eigentlich unter „open-ended-evolution“ zu verstehen ist und wie man das in den künstlichen Systemen überprüft. Bedau im AL VI Band (J Koch) URSUPPE: eine Eigenproduktion aus BITÖK. Stichworte: Ecogrammars, evolvierende endliche Automaten, Bericht aus einer laufenden Diplomarbeit.

Kritik und Ausblick Bedau, Risan Kritik: Ist AL überhaupt eine legitime biologische Wissenschaft? Wird sie von (theoretischen, experimentellen) Biologen ernst genommen? Handelt es sich eher um eine Technik oder eine Kunst? Literatur: Risan L. (1997) in ECAL IV Bedau (2000) in Nature: ...“Something is wrong“: Robert Rosens Kritik (2. Kapitel aus Life Itself): Die Begriffe Mechanismus und Maschine werden im Zusammenhang mit Automatentheorie definiert. Rosen entwickelt auf dieser Basis eine Definition von Leben, die gerade auf dem Nicht-Maschinen Charakter beruht. Wie kann er dabei die drohende Vitalismusfalle umgehen? Lassen sich seine Thesen heute mit den Ergebnissen der AL Forschung eher bestätigen oder bereits widerlegen: Sind Organismen Maschinen oder ist das die falsche Frage? Perspektive: wie geht es weiter? Woran arbeiten die Leithammel des AL derzeit?