Wissenschaftler versuchen, Leben in einem Computer zu erschaffen

Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, Leben in Computern zu erschaffen, was eher nach Science-Fiction als nach echter Forschung klingt, aber hier sind sie und programmieren digitale Kreaturen, die sich fortpflanzen, mutieren und sterben können, genau wie echte Lebewesen. Diese virtuellen Organismen existieren als Code-Strings, die um Rechenleistung und Speicherplatz konkurrieren und neue Überlebensstrategien entwickeln, die ihre Schöpfer niemals programmiert haben. Die Ergebnisse waren überraschend lebensecht und gelegentlich beunruhigend.

Die Geburt des künstlichen Lebens: Von Conways Spiel zu digitalen Ökosystemen

Als John Conway 1970 sein Spiel des Lebens einführte, erwartete er wahrscheinlich nicht, dass seine einfache mathematische Kuriosität zum Gründungsdokument eines ganzen Forschungsbereichs werden würde, der sich der Erschaffung von Leben in Computern widmet. Conways zelluläre Automaten, die auf einem einfachen Gitter operieren, wo Zellen basierend auf ihren Nachbarn leben oder sterben, demonstrierten etwas Bemerkenswertes: komplexe, lebensähnliche Muster konnten aus lächerlich einfachen Regeln entstehen. Gleiter trieben über Bildschirme, Selbstorganisation entsprang digitalem Chaos, und Forscher erkannten, dass sie auf etwas Bedeutsames gestoßen waren. Die heutigen digitalen Ökosysteme haben sich weit über Conways binäre Welt hinaus entwickelt und weisen sich selbst replizierende Organismen auf, die konkurrieren, kooperieren und koevolvieren auf eine Weise, die Darwin nach seinem Notizbuch greifen lassen würde, vorausgesetzt er könnte herausfinden, wie man den Computer anschaltet. Die Zukunft könnte diese künstlichen Lebensformen reine Software überschreiten sehen, da hybride organisch-elektronisch-software Organismen aus der Integration von Online-Intelligenz mit biologischen Systemen entstehen könnten.

Virtuelle Kreaturen, die sich entwickeln: Wie digitale Organismen sich anpassen und überleben

Diese digitalen Umgebungen entwickelten sich schnell über Conways einfache Demonstrationen hinaus zu etwas weitaus komplexerem, wo virtuelle Kreaturen nicht nur vorgegebenen Mustern folgen, sondern sich tatsächlich anpassen, überleben und manchmal spektakulär scheitern auf Weise, die ihre Programmierer nie erwartet hatten. In Plattformen wie Avida konkurrieren digitale Organismen um CPU-Zeit und Speicher und entwickeln adaptive Strategien durch Mutation und natürliche Selektion, die die biologische Evolution widerspiegeln, wenn auch zugegebenermaßen ohne die unordentlichen Feinheiten echter DNA.

Die ökologischen Dynamiken, die entstehen, offenbaren faszinierende Muster:

• Wirt-Parasit-Beziehungen entwickeln sich spontan, wobei einige Kreaturen zu digitalen Schmarotzern werden, die die Replikationsprozesse anderer kapern
• Hyper-Parasitismus tritt auf, wenn Parasiten andere Parasiten ausbeuten und geschichtete Abhängigkeitsketten schaffen, die manchmal vollständig zusammenbrechen
• Punktualismus zeigt sich mit schnellen Innovationsschüben gefolgt von evolutionärer Stagnation

Diese Systeme demonstrieren, dass Komplexität keinen Fortschritt garantiert, da viele schließlich stagnieren trotz anfänglicher Vielfalt. Anders als traditionelle Modelle, die auf vorgegebene Erfolgsmessungen angewiesen sind, operieren diese digitalen Ökosysteme ohne explizite Fitnessfunktionen und ermöglichen es Organismen, ihre eigenen Überlebenskriterien durch ihre Fähigkeit zu definieren, in der rechnerischen Umgebung zu bestehen und sich zu reproduzieren.

Schlüsselsimulationen, die das Feld prägen: Tierra, Cambrium und darüber hinaus

Gelegentlich stoßen Forscher auf digitale Ökosysteme, die grundlegend verändern, wie Wissenschaftler über künstliches Leben denken, und Tierra steht vielleicht als die einflussreichste dieser zufälligen Entdeckungen da. Die Tierra-Architektur funktioniert wie ein virtueller Parallelcomputer, wo digitale Organismen um CPU-Zeit und Speicherplatz konkurrieren, ähnlich wie Bakterien um Nährstoffe in einer Petrischale kämpfen. Jeder Organismus läuft auf seinem eigenen virtuellen Prozessor, komplett mit Registern, Stapeln und Befehlszeigern, die die Codeausführung durch Holen-Dekodieren-Ausführen-Zyklen verwalten. Digitale Replikation erfolgt, wenn Organismen ihren Code in freien Speicher kopieren und dabei unvermeidlich Mutationen einführen, die evolutionäre Dynamiken antreiben. Anders als traditionelle Evolutionsmodelle arbeitet Tierra ohne eine explizite Fitnessfunktion und lässt Überleben und Tod natürlich aus der kompetitiven Dynamik des Systems entstehen. Währenddessen gehen Kambrische Simulationen über Tierras Grundlage hinaus und versuchen, die explosive Diversifizierung von Lebensformen nachzustellen, die vor Millionen von Jahren auftrat, allerdings mit entschieden gemischten Ergebnissen.

KI-gestützte Entdeckung: Automatisierung der Suche nach neuen Formen digitalen Lebens

Die meisten Forscher im Bereich künstliches Leben verbringen Monate oder sogar Jahre damit, Parameter manuell zu justieren und digitale Ökosysteme zu beobachten, aber jüngste Fortschritte im maschinellen Lernen haben begonnen, diesen traditionell praktischen Prozess auf eine Weise zu automatisieren, die noch vor einem Jahrzehnt wie Science-Fiction gewirkt hätte. Stanfords KI-„virtueller Wissenschaftler“ entwirft und führt Experimente nun autonom durch, iteriert durch Hypothesen schneller als jeder menschliche Forscher es schaffen könnte, während Systeme wie AlphaFold 3 molekulare Interaktionen vorhersagen, die digitale Organismen ausnutzen könnten.

• KI-Erkundungsalgorithmen können über Nacht Tausende von Parameterkombinationen testen und emergente Verhaltensweisen entdecken, auf die Forscher manuell vielleicht nie gestoßen wären
• Maschinelle Lernmodelle identifizieren vielversprechende evolutionäre Pfade, indem sie Muster in riesigen Datensätzen von Interaktionen digitaler Organismen erkennen
• Automatisierte Experimente reduzieren die mühsame Trial-and-Error-Arbeit und befreien Wissenschaftler dazu, sich auf die Interpretation von Ergebnissen zu konzentrieren, anstatt Simulationen zu überwachen
• Generative Biologie-Technologie entwickelt nun neue Proteine und Gene, die als Bausteine für ausgefeiltere digitale Lebensformen dienen könnten

Brücke zwischen Silizium und Kohlenstoff: Herausforderungen und zukünftige Anwendungen computerbasierter Lebensformen

Während Forscher die Kunst gemeistert haben, digitale Organismen zu erschaffen, die in siliziumbasierten Computern gedeihen, stellt die Aussicht, diese beiden grundlegend verschiedenen Substrate zu überbrücken—Kohlenstoff, das Rückgrat des biologischen Lebens, und Silizium, die Grundlage der modernen Datenverarbeitung—ein Rätsel dar, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten verwirrt hat. Die Kohlenstoff-Herausforderungen sind überraschend alltäglich und betreffen Herstellungskosten und Energieeffizienz, während sich Silizium-Beschränkungen als hartnäckiger erweisen, insbesondere die thermodynamischen Barrieren, die eine komplizierte Molekülbildung in wasserreichen Umgebungen verhindern. Ironischerweise haben Ingenieure erfolgreich Computerchips mit Kohlenstoff-Nanoröhren gebaut, doch Silizium-Kohlenstoff-Bindungen wurden erst kürzlich durch bakterielle Proteinentwicklung in lebenden Zellen zum Leben erweckt, was darauf hindeutet, dass die Natur den Schlüssel zur Verschmelzung dieser rechnerischen Welten besitzen könnte. Die Energiedisparität zwischen diesen Systemen bleibt beeindruckend, da ein menschliches Gehirn komplexe Informationen effizient mit nur 12-14 Watt verarbeitet, während Rechenzentren Megawatt benötigen, um ähnliche rechnerische Lasten zu bewältigen.

References

• https://en.wikipedia.org/wiki/Tierra_(computer_simulation)
• https://douwe.com/projects/artificiallife
• https://sakana.ai/asal/
• https://www.youtube.com/watch?v=KQN7EToy9X0
• https://www.britannica.com/technology/artificial-life
• https://palaeo-electronica.org/content/1-2-computer-simulation
• https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3327539/
• https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3605903/
• https://alife.org/encyclopedia/digital-evolution/introduction-to-digital-evolution/
• https://www.frontiersin.org/journals/ecology-and-evolution/articles/10.3389/fevo.2021.750779/full