Op zoek naar centrale kenmerken van leven en constanten in het ontstaan en in de ontwikkeling van levensvormen, vindt het vakgebied een van zijn hoogtepunten in het computerprogramma Tierra, ontwikkeld door de Amerikaanse ecoloog Tom Ray.
Ray ontwikkelde Tierra uit onvrede met het feit dat hij als ecoloog alleen de producten van evolutie kon bestuderen en niet het evolutieproces zelf. Tierra bleek, ondanks de op het eerste gezicht erg eenvoudige uitgangspositie, een zeer aantrekkelijk model voor het bestuderen van evolutionaire processen als zodanig. Programma's als Tierra maken rewinding the tape, zoals Stephen Gould het noemt, voor het eerst mogelijk. We kunnen met behulp van dergelijke programma's evolutie als het ware nogmaals laten plaatsvinden. Ondanks, of misschien juist wel dankzij zijn schijnbare eenvoud heeft Tierra veel aandacht getrokken, zowel binnen de wetenschap als daarbuiten.
Met Tierra beantwoordt Ray volledig aan het adagium van het onderzoek naar kunstmatig leven. Of zoals Chris Langton, die met zijn artikel Artificial Life het vakgebied in 1987 van een naam voorzag, het verwoordt: To have a theory of the actual, it is necessary to understand the possible.
1 C.G. Langton, 1995, 'Editor's introduction', in: C.G. Langton (ed.), Artificial Life - An overview, Cambridge (Mass.) 1995, p.x.
Onderzoek naar vormen van kunstmatig leven biedt, zo menen de onderzoekers, de mogelijkheid een beter inzicht te krijgen in de wijze waarop natuurlijke levensprocessen zich afspelen. Het meeste onderzoek op het gebied van Kunstmatig Leven bestaat in het ontwerpen van computermodellen. Progressie in met name de rekenkracht van computers heeft dit mogelijk gemaakt. De diversiteit is groot. Behalve programma's zoals Tierra, waarin evolutie centraal staat, bestaan er bijvoorbeeld modellen voor de ontwikkeling van kleurpatronen op schelpen, de morfologische ontwikkeling van planten, celdeling- en differentiatie en de manier waarop vogels in staat zijn zich als een zwerm voort te bewegen. Naast modellen met software als medium, wordt bij een deel van het onderzoek naar kunstmatig leven gebruik gemaakt van hardware of wetware. Een voorbeeld van een project met hardware als medium is de mobiele robot die zijn weg moet vinden in een complexe omgeving. Het onderzoek van onder andere Gerald Joyce is een voorbeeld waar gebruik wordt gemaakt van wetware als medium. In een proces dat 'directed molecular evolution' wordt genoemd, worden RNA strengen met de juiste katalytische eigenschappen kunstmatig geselecteerd. Behalve een bruikbaar product levert dergelijk onderzoek ook inzicht op in de mogelijke rol van RNA bij het ontstaan van de eerste levensvormen op aarde.
Voor een belangrijk deel van de onderzoekers is dit kunstmatige leven niet alleen een hulp bij de bestudering van natuurlijke levensprocessen. Met name Tom Ray is van mening dat tenminste een aantal kunstmatige levensvormen, waaronder de organismen die Tierra bevolken, werkelijk levend zijn. Leken dit soort gedachten tot voor kort misschien voorbehouden aan science fiction, aan auteurs als Isaac Asimov (een van zijn boeken heet I, Robot...), met de ontwikkeling van modellen als Tierra is het ontstaan van levensvormen met silicium als centraal chemisch element daadwerkelijk tot de mogelijkheden gaan behoren.
Centrale begrippen in het onderzoek naar kunstmatig leven, die ook in Tierra opvallend naar voren komen, zijn emergentie, autonomie en zelforganisatie. Wordt het onderzoek van het verwante vakgebied kunstmatige intelligentie gekenmerkt door modellen waarvan de organisatie en ontwikkeling door de ontwerper wordt opgelegd (dat geldt, in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, ook voor neurale netwerken), modellen ontworpen in het onderzoek naar kunstmatig leven kennen geen van te voren vastgelegde ontwikkeling of organisatie. De interacties van de componenten, de onderdelen van het model onderling, doen een bepaalde organisatie, een bepaalde structuur ontstaan. Veel eigenschappen van de ontworpen modellen zijn emergente eigenschappen, eigenschappen die niet expliciet terug te vinden zijn in de begincondities van het model. Zichtbare consequenties van de organisatie van het totale systeem zoals Douglas Hofstadter.
2 D.R. Hofstadter, Gödel, Escher, Bach - Een eeuwige gouden band, Amsterdam 1985, p.357 (Oorspronkelijke engelstalige uitgave 1979)
het noemde. Een verschijnsel als parasitisme dat zich binnen Tierra ontwikkelde was bijvoorbeeld geen verschijnsel dat expliciet aanwijsbaar is in de opzet zoals Ray die had gemaakt. In een model van Craig Reynolds dat het zwermgedrag van vogelachtige organismen beschrijft is geen expliciete regel te vinden die aangeeft dat deze organismen een zwerm moeten vormen.
Desondanks vormen de vogels een zwerm, en de zwerm blijft intact en hergroepeert zich nadat hij zich heeft gesplitst om een obstakel te passeren (Langton, '87). Chris Langton drukt het als volgt uit: Local behavior supports global dynamics, which shapes local context, which affects local behavior, which supports global dynamics, and so forth.
3 C.G. Langton, 'Artificial Life', in: M.A. Boden (ed.), The Philosophy of Artificial Life, Oxford 1996, p.68
Om een model te begrijpen moeten niet de afzonderlijke elementen worden bestudeerd, maar het samenspel van die componenten. De organisatie is niet top-down, maar bottom-up.
Tom Ray, verbonden aan de universiteit van Delaware, is als ecoloog en evolutiebioloog een groot deel van de tijd werkzaam in het tropisch regenwoud van Costa Rica. Hoewel hij geïnspireerd werd (en wordt) door de grote diversiteit aan levensvormen, werd hij zich tegelijkertijd bewust van de beperking die er aan de bestudering van bestaande diversiteit verbonden is. We krijgen wel de voorlopige eindproducten van de evolutie te zien, maar het evolutieproces zelf onttrekt zich grotendeels aan het zicht. Met de ontwikkeling van Tierra heeft Ray getracht zich van die beperking te ontdoen.
Wat hem voor ogen stond was een model waarin zichzelf replicerende computerprogramma's zouden evolueren volgens Darwiniaanse principes.
4 Voor de ontstaansgeschiedenis van Tierra is voornamelijk geput uit het desbetreffende hoofdstuk in Roger Lewins Complexity.
Er zou een bepaalde mutatiedruk moeten zijn die een variatie in programma's tot gevolg zou hebben, en vervolgens zou er een selectieproces moeten plaatsvinden. De inzet was hoog: de replicerende programma's zouden als levende organismen beschouwd moeten kunnen worden (Ray '92, '94). Toen Ray in 1989 zijn idee lanceerde werd het met de nodige scepsis ontvangen, zowel door collega ecologen als door iemand als Chris Langton, een van de grondleggers van het op dat moment net ontloken vakgebied van het kunstmatig leven. De bezwaren lagen voor de hand. Ten eerste leek het onwaarschijnlijk dat een computerprogramma na een willekeurige mutatie in dat programma nog steeds een werkzaam programma zou zijn. Computerprogramma's lijken eenvoudigweg te kwetsbaar. Ten tweede, zouden er ondanks de mutaties toch werkzame programma's over blijven: des te erger. Gezien het gevaar van computervirussen leek een model dat willekeurig veranderde computerprogramma's zou genereren eenvoudigweg te bedreigend.
Ray nam de bezwaren ter harte en begon eind '89 met het programmeren (in de programmertaal C) van wat Tierra zou worden. Begin 1990 was de eerste versie gereed. En wat Ray had gehoopt gebeurde. De programma's in Tierra muteerden en repliceerden zichzelf. Tierra, Spaans voor aarde, is een in feite een virtuele computer die wordt ontworpen binnen het RAM geheugen van een reële computer. Op deze manier wordt Tierra afgeschermd, zodat potentieel schadelijke programma's die zouden ontstaan, niet kunnen ontsnappen. Tierra wordt bevolkt door populaties computerprogramma's die maar een taak hebben: zichzelf reproduceren. Zoals in de natuur organismen elkaar beconcurreren om voedsel en ruimte, zo beconcurreren de programma's in Tierra elkaar om beschikbare CPU tijd, nodig om zichzelf te reproduceren, en de hoeveelheid geheugen die ze moeten reserveren voor hun nakomelingen.
Aanvankelijk was er slechts één soort programma, een programma van 80 machine-instructies, het 'ancestor' programma. Dit is het enige programma van de vele die uiteindelijk Tierra zouden gaan bevolken dat Ray zelf heeft geschreven. Alle andere programma's zijn ontstaan door mutatie of recombinatie. Mutatie in Tierra bestaat in willekeurige bit-flips: willekeurige bits veranderen van een 1 in een 0 of andersom. Er bestaan twee mutatieregimes: een met kleine kans op mutatie, vergelijkbaar met de kans op mutatie door kosmische achtergrondstraling, en een met een wat grotere kans op mutatie, afhankelijk van het aantal zelfreplicaties. Recombinatie bestaat in het uitwisselen van delen van programma's tussen de verschillende programma's onderling. De meeste mutaties en recombinaties (ongeveer 80%) zullen tot gevolg hebben dat mutanten en recombinanten niet werkzaam zullen zijn. Computerprogramma's blijven kwetsbaar voor willekeurige veranderingen. Om te voorkomen dat Tierra vol raakt, dat wil zeggen, alle geheugenplaatsen bezet raken, bestaat er een zogenaamde 'reaper function', Magere Hein, die plaats maakt door oude en defectieve programma's op te ruimen.
Al snel na het starten van een Tierra sessie blijken er naast het oorspronkelijke programma nieuwe werkzame programma's te ontstaan. Zo ontstaan er parasieten (zie fig. 1) die, niet in staat zichzelf te reproduceren, gebruik maken van reproductiemodules van andere programma's om zichzelf te vermenigvuldigen. De geparasiteerde programma's hebben zwaar te lijden, maar zullen niet uitsterven. Parasieten kunnen immers niet zonder hen. Er ontstaat tussen parasieten en geparasiteerde programma's een ecologisch evenwicht. Een ander soort programma dat ontstaat is de zogenaamde hyperparasiet. Deze programma's zijn immuun voor bepaalde parasieten en zijn er zelfs in geslaagd parasitaire programma's voor hun karretje te spannen: de parasieten dragen bij aan de reproductie van de hyperparasieten. Zo blijken er vele soorten programma's te ontstaan. Sommige zijn korter dan het oorspronkelijke programma van 80 instructies, andere juist langer. Binnen de programma's met een bepaalde lengte bestaat bovendien ook nog variatie in samenstelling.
De verschillende soorten programma's die ontstaan doen ook verschillende samenlevingsvormen ontstaan. Naast parasitisme ontstaan bijvoorbeeld ook commensalisme en programma's die in een sociaal verband leven en zich niet afzonderlijk kunnen vermenigvuldigen. De parallellen tussen Tierra en de situatie in de natuur dringen zich sterk op. Die suggestie wordt nog versterkt doordat in sommige gevallen bijvoorbeeld een soort 'punctuated equilibrium' is waar te nemen. Perioden waarin niet of nauwelijks nieuwe programma's ontstaan worden afgewisseld met perioden waarin in korte tijd juist veel verschillende nieuwe programma's ontstaan. Dit fenomeen is voor natuurlijke evolutie beschreven door Stephen Gould en Nils Eldridge.
De suggestie dat de processen die zich in Tierra afspelen hun pendant vinden in de natuur is terecht aldus Ray. Volgens hem moeten we de programma's die Tierra bevolken als levende organismen beschouwen. Weliswaar zijn het digitale organismen en daarom niet tot detail vergelijkbaar met natuurlijke organismen, maar ze voldoen aan de criteria die Ray stelt om iets een levend organisme te kunnen noemen. Ze kunnen zichzelf namelijk reproduceren en zijn in staat tot wat Ray 'open ended evolution' noemt: er zijn geen a priori beperkingen wat betreft de mogelijke vormen die kunnen ontstaan. Nu zijn de criteria die Ray hanteert natuurlijk aanvechtbaar, maar daar staat tegenover dat nog niemand een definitie voor 'leven' heeft gegeven die niet aanvechtbaar is. De suggestie dat het hier om levende organismen gaat blijft onverminderd sterk.
Ray's ambitie is nu het creëren van een soort Cambrische explosie in Tierra. De Cambrische explosie vond plaats aan het einde van het Cambrium, zo'n 550 miljoen jaar geleden. In relatief korte tijd ontstonden alle nu bekende basisvormen van meercellige organismen. Ray verwacht dat een dergelijke, plotselinge ontwikkeling van diversiteit en complexiteit ook in Tierra mogelijk is. Tot nu toe zijn de ontstane programma's, digitale organismen eigenlijk erg eenvoudig. Ze zijn volgens Ray vergelijkbaar met de eerste levensvormen op aarde (Ray '94a). Voorwaarde voor een ontwikkeling zoals die in het Cambrium plaatsvond is dat Tierra een langlopende sessie doormaakt. De onderliggende gedachte is dat er lange-termijn-effecten zullen optreden die onzichtbaar blijven als een Tierra sessie na korte tijd (een dag, een week) wordt beëindigd. Ray stelt zich een netwerk voor waarop Tierra continu zou draaien, en denkt daarbij met name aan het Internet. Omdat Tierra een virtuele computer is, kan hij zich verplaatsen van de ene plek op het netwerk naar de andere. Tierra moet in deze opzet op zoek gaan naar die plekken waar een (reële) computer actief is. De netwerkversie van Tierra zou kunnen uitgroeien tot een soort reservaat voor digitale organismen. Hier valt het wetenschappelijke werk van Ray samen met zijn werk als activist voor het behoud van het tropisch regenwoud in Costa Rica (Ray '94b).
Het belang van Tierra is veelledig. Ten eerste is er natuurlijk het belang voor de biologie. Ray benadrukt dat we ons moeten realiseren dat het in Tierra om digitale organismen gaat die een andere constitutie hebben dan natuurlijke organismen en mogelijk ook een eigen soort biologie hebben. Desondanks gelooft hij dat door Tierra een beter begrip van bijvoorbeeld de Cambrische explosie en de rol van parasitisme in de evolutie mogelijk wordt gemaakt. Ten tweede toont Tierra het belang aan van fenomenen als zelforganisatie en emergentie. Uitgaande van een programma van 80 instructies en een aantal randvoorwaarden zoals de mate waarin mutaties optreden, ontstaat een scala aan nieuwe digitale organismen en relaties tussen die organismen. Nergens in de opzet van Tierra is een verwijzing naar parasitisme of sociale organisatie te vinden. Er is geen vastgelegd ontwerp, de ontwikkeling is spontaan. Local rules, global order: deze centrale gedachte van het onderzoek naar kunstmatig leven is bij uitstek van toepassing op Tierra. Naast puur wetenschappelijk belang, ziet Ray voor de netwerkversie van Tierra ook een direct praktisch belang. De programma's die zich in het digitale reservaat zullen ontwikkelen zouden mogelijk nuttige programma's kunnen blijken te zijn. Dat is de ironie van het project. Werd het aanvankelijk bekritiseerd om de potentiële gevaren die kleven aan het willekeurig genereren van computerprogramma's, nu ziet het ernaar uit dat het een mogelijke generator van nuttige software zal worden.
Literatuur
M.A. Boden (ed.), The Philosophy of Artificial Life Oxford 1996
J. Dibbel, Viruses are Good for You 1996 www.hotwired.com/wired/3.02/features/viruses.html
K. Gerbel en P. Weibel (eds.), Ars Electronica 93 - Genetische Kunst/Kunstliches Leben Wenen 1993
S.J. Gould, Wonderful Life - The Burgess Shale and the Nature of History London 1989
C.G. Langton (ed.), Artificial Life - An overview Cambridge (Mass.) 1995
R. Lewin, Complexity - Life at the Edge of Chaos'' New York 1992
T.S. Ray, A Proposal to Create Two Biodiversity Reserves: One Digital and One Organic / A Proposal to Consolidate and Stabilize the Rain Forest Reserves of the Sarapiqui Region of Costa Rica 1994
www.hip.atr.co.jp/~ray/pubs/reserves/node10.html