Entdeckung eines unerwarteten Lebens

Wie sucht man nach außerirdischem Leben, wenn es sich völlig von dem Leben, das wir kennen, unterscheidet? Beim TEDxUIUC Event zeigt Christoph Adami, wie er seine Forschungsergebnisse zu künstlichem Leben – nämlich sich selbst reproduzierende Computer Programme – benutzt, um eine Signatur zu finden, einen "Biomarker", der absolut frei ist von unserer Auffassung was Leben.

Meine Karriere ist ungewöhnlich.

Ich weiß das, weil Menschen, wie etwa Kollegen,

zu mir kommen und sagen: "Chris, deine Karriere ist ungewöhnlich."

(Gelächter)

Und ich kann gut verstehen, was sie meinen,

da ich meine Karriere

als theoretischer Nuklearphysiker begann.

Ich machte mir Gedanken über Quarks und Gluonen,

und Schwerion-Kollisionen,

und das im Alter von 14 Jahren.

Nein, nein, ich war nicht 14 Jahre alt.

Aber danach

hatte ich wirklich mein eigenes Labor

in der für Computational Neuroscience

und ich machte keine Neurowissenschaft.

Später würde ich an Evolutionsgenetik arbeiten,

und an Systembiologie.

Aber heute will ich von etwas anderem erzählen.

Ich werde Ihnen erzählen,

wie ich etwas über das Leben lernte.

Ich war eigentlich Raketenwissenschaftler.

Ich war nicht wirklich ein Raketenwissenschaftler,

aber ich arbeitete

im Labor für Jet-Propulsion,

im sonnigen Kalifornien, wo es warm ist;

wohingegen ich jetzt im Mittleren Westen bin,

und es ist kalt.

Aber es war eine aufregende Erfahrung.

Eines Tages kam ein NASA Manager in mein Büro,

setzte sich und sagte:

"Können Sie uns bitte sagen,

wie wir nach Leben außerhalb der Erde suchen sollten?"

Da war ich überrascht,

da ich eigentlich eingestellt worden war,

um an Quantum Computation zu arbeiten.

Und doch hatte ich eine richtig gute Antwort.

Ich sagte: "Ich habe keine Ahnung."

Und er sagte zu mir: "Biosignaturen,

wir müssen nach Biosignaturen suchen."

Und ich fragte: "Was ist das?"

Er antwortete: "Jedes messbare Naturerscheinung,

die Hinweise auf die Anwesenheit von Leben

zulässt."

Und ich sagte: "Wirklich?

Ist das so einfach?

Ich meine, wir haben Leben.

Kann man keine Definition anwenden,

wie zum Beispiel eine Definition des Lebens vom Obersten Gerichtshofs?"

Und dann dachte ich eine Weile darüber nach und sagte:

"Nun ja, ist das wirklich so einfach?

Weil, ja, wenn man soetwas sieht,

dann, ja klar, nenne ich das Leben--

kein Zweifel.

Aber hier ist etwas."

Und er meinte: "Eben, das ist auch Leben. Das weiß ich."

Außer wenn man daran glaubt, dass Leben

durch Sterben definiert ist,

hat man hier kein Glück.

da dies ein sehr merkwürdiger Organismus ist.

Er wächst bis zu seiner Erwachsenenzeit so

und durchschreitet dann eine Benjamin-Button-Phase,

und entwickelt sich weiter und weiter zurück,

bis er wieder einem Embryo gleicht,

und wächst danach wieder, schrumpft dann wieder, wächst wieder -- wie ein Jo-Jo--

und er stirbt niemals.

Es handelt sich also um Leben,

aber eben nicht so,

wie wir es uns vorstellen.

Und dann sieht man soetwas.

Und er sagt: "Oh mein Gott, was für eine Form des Lebens ist das?"

Weiß es jemand?

Es ist eigentlich kein Leben, es ist ein Kristall.

Wenn man einmal anfängt

auf die ganz kleinen Sachen zu schauen --

diese Person hat

einen ganzen Artikel geschrieben und sagte, "Hey, das sind Bakterien."

Außer, wenn man noch genauer schaut,

sieht man, dass in Wahrheit dieses Ding, viel zu klein ist, um das zu sein.

Also er war überzeugt,

aber tatsächlich sind die meisten Menschen das nicht.

Und dann natürlich

hat die NASA auch eine große Ankündigung gemacht

und Präsident Clinton hat eine Pressekonferenz gegeben,

über diese unglaubliche Entdeckung

von Leben auf einem Mars-Meteroiten.

Nur ist das heutzutage sehr umstritten.

Wenn man aus all diesen Bildern lernt,

dann wird man feststellen, dass es eigentlich nicht so einfach ist.

Vielleicht brauche ich docch

eine Defintion des Lebens,

um diese Unterscheidung zu machen.

Kann man Leben definieren?

Wie würden Sie es angehen?

Natürlich

wüde man die Encyclopedia Britannica nehmen und L aufschlagen.

Nein, natürlich würde man das nicht manchen, man würde es googeln.

Und dann hat man vielleicht ein Ergebnis.

Und was man vielleicht bekommt --

und alles, was sich auf Dinge bezieht, die wir gewohnt sind,

schmeißt man weg.

Und dann kommt man vielleicht auf soetwas.

Und es ist etwas Kompliziertes

mit sehr vielen Konzepten.

Wer würde so etwas

Verschachteltes und Komplexes

und Sinnloses schreiben?

Oh, es ist eigentlich ein wirklich bedeutender Konzeptenkomplex.

Also, ich hebe einige Wörter hervor

und sage, dass solche Defintionen

beruhen auf Sachen, die nicht

auf Aminosäuren oder Blättern basieren,

oder auf etwas, was wir gewohnt sind,

sondern in Wahrheit nur auf Prozessen.

Wenn man sich das anschaut ist,

ist dies eigentlich in einem Buch, das ich über künstliches Leben geschrieben habe.

Und das erklärt, warum

der NASA-Manager überhaupt bei mir im Büro war.

Weil die Idee war, dass wir mit solchen Konzepten

wir vielleicht tatsächlich

eine Form des Lebens herstellen können.

Und wenn man sich fragt,

"Was zum Himmel ist künstliches Leben?",

lassen Sie mich Ihnen einen schnellen Überblick geben,

wie das Ganze angefangen hat.

Und es hat vor einiger Zeit angefangen,

als jemand

einen der ersten erfolgreichen Computerviren geschrieben hat.

Und alle die nicht alt genug sind,

Sie haben keine Ahnung, wie diese Infektion passierte --

nämlich durch diese Disketten.

Aber das Interessante an diesen Virusinfektionen der Computer

war, dass, wenn man auf die Infektionsrate schaut,

in der die Infektionen passierten,

sich diese Zacken zeigen,

dass man von Grippeviren kennt.

Und in Wahrheit ist es der Rüstungswettlauf

zwischen Hackern und Designern der Computersysteme,

der alles es hin und her gehen lässt.

Und das Ergebnis ist eine Art Lebensbaum

dieser Viren,

eine Stammesgeschichte, die der Art des Lebens, die wir kennen,

sehr ähnlich sieht, zumindest auf der viralen Ebene.

Ist das also Leben? Nicht für mich.

Warum? Weil diese Dinge sich nicht eigenständig entwickeln.

In Wahrheit, schreiben Hacker sie.

Dieser Ansatz wurde schnell
aufgegriffen und weitergeführt,

als ein Wissenschaftler
am Santa Fe Institute beschloss,

"Warum versuchen wir nicht,
diese kleinen Viren

in künstliche Welten im Rechner zu packen,

und lassen die sich selbst entwickeln?"

Und das war Steen Rasmussen.

Er hat dieses System entwickelt, aber es funktionierte nicht wirklich,

weil die Viren sich ständig gegenseitig zerstörten.

Aber es gab noch einen Wissenschaftler, der das beobachtet hatte, einen Ökologen.

Er ging nach Hause und sagte, "Ich weiß, wie man das in Ordnung bringen kann."

Und er schrieb das Tierrasystem,

und, in meinen Buch ist es wirklich eines der ersten

wahren künstlichen lebenden Systeme --

außer dass diese Programme nicht an Kompexität wuchsen.

Als man sah, dass das funktioniert und ein wenig daran arbeitete,

da kam ich dazu.

Und ich beschloss ein System zu entwickeln,

das alle Voraussetzungen erfüllt, die notwendig sind

für die Evolution von Komplexität, nach der sich

immer komplexere Probleme sich ständig entwickeln.

Und da ich nicht wirklich wusste, wie man Code schreibt, hatte ich dabei natürlich Hilfe.

Zwei Studenten am

California Institute of Technology arbeiteten mit mir.

Das ist Charles Offria auf der linken, und Titus Brown auf der rechten Seite.

Die beiden sind jetzt wirklich anerkannte Professoren

an der Michigan State University,

aber ich kann Ihnen versichern, damals

waren wir nicht so ein respektables Team.

Und ich bin auch froh, dass es kein Fotos gibt

von uns dreien nebeneinander.

Aber wie schaut nun dieses System aus?

Nun, ich kann nicht wirklich ins Detail gehen,

aber hier sehen Sie ein paar Einzelheiten.

Aber worauf ich mich konzentrieren möchte,

ist der Typ der Bevölkerungsstruktur.

Da sind etwa 10.000 Programme angesiedelt.

Und alle verschiedenen Stämme haben verschiedene Farben.

Und wie man hier sieht, gibt es Gruppen, die übereinander wachsen,

weil sie sich ausbreiten.

Immer wenn es ein Programm gibt,

das besser in dieser Welt überlebt,

aufgrund irgendeiner Mutation,

breitet es sich über die anderen aus und bringt die anderen zum Verschwinden.

Ich werde nun einen Film zeigen, in dem Sie diesen Vorgang sehen.

Diese Art von Versuchen begannen

mit Programmen, die wir selber geschrieben haben.

Wir schreiben unsere eigenen Sachen, vervielfältigen diese,

und sind sehr stolz auf uns.

Und wir fügen diese hinzu, und gleich kann man sehen,

dass es eine Welle der Innovation nach der anderen gibt.

Übrigens ist das sehr beschleunigt,

es ist fast wie tausend Generationen pro Sekunde.

Aber sofort sagt das System:

"Was für ein blöder Code war das?

Das kann auf viele Arten verbessert werden

und schnell."

Man sieht Wellen einer neuen Art,

die andere Arten überwindet.

Und diese Art von Aktivität geht noch eine Weile so,

bis die einfachen Hauptsachen von diesen Programmen übernommen wurden.

Und dann sieht man eine Art von Entwicklungsstau,

in dem das System hauptsächlich

auf eine neue Entwicklung wartet, wie diese da,

welche sich ausbreiten wird

über all die anderen Innovationen, die vorher da waren

und die Gene löscht, die es vorher hatte,

bis eine neue Art höherer Komplexität erreicht wurde.

Und dieser Prozess geht immer weiter.

Was wir hier sehen,

ist ein System, das in etwa so lebt,

wie wir Leben gewohnt sind.

Aber was die NASA-Leute mich wirklich gefragt hatten

war: "Haben diese Dinger

eine Biosignatur?

Können wir diese Art des Leben messen?

Wenn wir das können,

haben wir vielleicht eine Chance, Leben wirklich irgendwo anders

zu entdecken, ohne voreingenommen zu sein

durch Dinge wie Aminosäuren."

Also sagte ich: "Vielleicht sollten wir

eine Biosignatur herstellen,

die auf Leben als universalem Prozess basiert.

Vielleicht sollte es

die Konzepte verwenden, die ich entwickelt habe

um zu erfassen,

was ein einfaches lebendes System sein kann."

Und was ich mir ausgedacht habe --

Ich muss Ihnen zuerst eine Einführung in die Idee geben,

und vielleicht wäre das eher ein Bedeutungs-Detektor

als ein Lebensdetektor.

Und wir würden das so machen --

ich würde gerne herausfinden, wie sich

Text, der von einer Million Affen geschrieben wurde,

von Text unterscheidet, der in unseren Büchern ist.

Und ich würde es gerne so angehen,

dass ich die Sprache nicht wiklich lesen können muss,

weil ich mir sicher bin, dass ich dazu nicht in der Lage bin.

Solang ich weiß, dass es eine Art Alphabet gibt.

Dies wäre die Häufigkeit

in der man

jeden der 26 Buchstaben des Alphabets

in einem von zufällig gewählten Affen geschriebenen Text finden kann.

Und offensichtlich kommt jeder dieser Buchstaben

ungefähr gleich häufig vor.

Aber wenn man die gleiche Verteilung in einem englischen Text betrachtet,

schaut das so aus.

Und ich sagen Ihnen, bei englischen Texten ist dies sehr stabil.

Und wenn man sich französische Texte anschaut, dann sieht es ein wenig anders aus,

oder bei Italienisch oder Deutsch.

Sie alle haben eine eigene Häufigkeitsverteilung,

aber es ist solide.

Dabei ist es unwichtig, ob über Politik oder Wissenschaft geschrieben wurde.

Es ist auch nicht wichtig, ob es ein Gedicht ist,

oder ein mathematischer Text.

Es ist eine stabile Signatur,

und es ist sehr stabil.

Solange unsere Bücher auf Englisch geschrieben werden --

weil Menschen sie neu schreiben und wieder kopieren --

wird das immer da sein.

Das hat mich angeregt darüber nachzudenken,

was, wenn ich versuche, diese Idee

nicht dazu benutze zufällige Texte

von Texten mit Bedeutung zu unterscheiden,

sondern dazu benutze, eine Bedeutung zu finden

in den Biomolekülen, die Leben ausmachen.

Aber zuerst muss ich fragen:

Was sind die Bausteine, wie das Alphabet, Elemente, die ich Ihnen gezeigt habe?

Es zeigt sich, dass wir viele verschiedene Alternativen haben

für solch einen Satz von Bausteinen.

Wir könnten Aminosäuren verwenden,

wir könnten Nukleinsäuren, Carbonsäuren, Fettsäuren verwenden.

Die Chemie ist extrem reich, und unser Körper verwendet vieles davon.

Um diese Idee zu testen, sahen wir uns daher

zunächst Aminosäuren und ein paar andere Carbonsäuren an.

Und hier sind die Ergebnisse.

Das bekommt man,

wenn man zum Beispiel die Verteilung der Aminosäuren betrachtet

auf einem Kometen, oder im interstellaren Raum,

oder in einem Labor,

wenn man sichergestellt hat, dass in der ursprünglichen Suppe

nichts Lebendes drin ist.

Man findet zumeist Glycin, dann Alanin,

und dann gibt Spuren anderer Elemente.

Das ist auch sehr stabil --

was man in Systemen wie der Erde findet,

wo es Amniosäuren gibt,

aber kein Leben.

Aber nehmen wir an, man nimmt ein wenig Dreck

und wühlt darin

und dann untersucht man es in diesen Spektrometern,

weil da überall Bakterien sind;

oder man nimmt Wasser von irgendwo auf der Erde,

weil es voller Leben ist,

und dann macht man die gleiche Analyse;

das Spektrum schaut komplett anders aus.

Natürlich ist da weiterhin Glycin und Alanin,

aber da sind diese Schwerelemente, diese schweren Aminosäuren,

die produziert werden,

weil sie für den Organismus nützlich sind.

Und andere wiederum,

welche nicht im 20er Komplex verwendet werden,

treten überhaupt nicht auf

in jeder möglichen Konzentration.

Also das scheint sehr stabil zu sein.

Es ist nebensächlich, welches Sediment man verwendet, um es zu zermahlen,

ob es Bakterien, Pflanzen oder Tiere sind.

Überall wo Leben ist,

wird man diese Verteilung haben,

im Gegensatz zu dieser Verteilung.

Und das kann man nicht nur in Aminosäuren finden.

Jetzt könnte man fragen:

was ist mit diesen Avidian?

Die Avidian sind die Bewohner dieser Computerwelt,

wo sie sich überglücklich reproduzieren und an Komplexität zunehmen.

Das ist die Verteilung, die man bekommt,

wenn es kein Leben gibt.

Sie haben ungefähr 28 dieser Anweisungen.

Und wenn man ein System hat, wo sie gegeneinander austauschbar sind,

ist es so wie die Affen, die auf der Schreibmaschine schreiben.

Jede der Anweisungen erscheint

mit etwa der gleichen Häufigkeit.

Aber wenn man nun eine Zusammensetzung aus sich reproduzierenden Typen nimmt

wie im vorherigen Video,

schaut es so aus.

Es gibt ein paar Anweisungen

die extrem wichtig für die Organismen sind,

und deren Häufigkeit wird hoch sein.

Und es gibt einige Anweisungen,

die man nur einmal, wenn überhaupt verwendet.

Also sind diese entweder giftig

oder sollten nur zu einen niedrigen Grad verwendet werden, als zufällig.

In diesem Fall, ist die Häufigkeit niedriger.

Und jetzt kann man sehen, ob es eine stabile Signatur ist.

Ich kann es sagen, ja in der Tat, es ist eine,

weil dieser Spektrumtyp, wie wir in Büchern gesehen haben,

und wie wir es in Aminosäuren gesehen haben,

nicht wirklich wichtig ist dabei, wie man die Umgebung verändert, es ist sehr stabil;

es wird die Umwelt wiederspiegeln.

Ich werde nun ein kleines Experiment zeigen, das wir gemacht haben.

Und ich muss erklären,

die Spitze der Graphik

zeigt die Häufigkeitverteilung, über die ich gesprochen habe.

Hier, ist das Umfeld ohne Leben,

wo jede Anweisung passiert

auf einer gleichen Häufigkeit.

Und hier unten zeigt es

die Mutationsrate im Umfeld.

Ich beginne mit dieser Mutationsrate, die so hoch ist,

dass, auch wenn sie fallen würde,

ein reproduzierendes Programm,

das aufsteigen würde,

um die ganze Welt zu füllen,

wenn es sinkt, mutiert es sofort zu Tod.

Also ist kein Leben möglich

auf diesen Mutationsindikator.

Aber wenn ich die Hitze runterdrehe,

und dann gibt es die Entwicklungsfähigkeitschwelle

wo es jetzt möglich ist

für einen Replikator zu leben.

Und wir werden diese Kerle die ganze Zeit

in die Mixtur sinken lassen.

Schauen wir uns an, wie sie ausschaut

Als erstes, nichts, nichts nichts.

zu heiß, zu heiß

Jetzt ist die Entwicklungsfähigkeitsschwelle erreicht,

und die Häufigkeitsverteilung

hat sich drastisch verändert, in Wahrheit stabilisiert.

Dann war ich gemein

und habe die Hitze wieder ansteigen lassen.

Und natürlich erreicht es die Entwicklungsfähigkeitschwelle.

Ich zeigs jetzt nochmal, weil es so schön ist.

Man erreicht die Entwicklungsfähigkeitschwelle.

Die Verteilung ändert sich zu "lebendig".

Und dann, wenn man die Schwelle erreicht,

wo die Mutationsrate so hoch ist,

dass man sich nicht selbst reproduzieren kann,

kann man die Infomation nicht

bis zur Nachkommenschaft kopieren,

ohne so viele Fehler zu machen,

dass die Fähigkeit zur Reproduktion verschwindet.

Und dann ist die Signatur verloren.

Was lernen wir daraus?

Wir lernen sehr viel davon.

Eines davon ist,

wenn wir im Stande sind, abstrakt über das Leben

nachzudenken, --

und wir sprechen nicht von Dingen wie Pflanzen,

und wir sprechen nicht von Aminosäuren,

und wir sprechen nicht über Bakterien,

aber wenn wir darüber als Prozess nachdenken --

dann könnten wir anfangen über das Leben zu denken,

nicht als etwas, was speziell auf der Erde anzutreffen ist,

sondern als etwas, das überrall exestieren könnte.

Weil es sich dabei um

Informationskonzepte handelt,

die Informationen speichern

in physischen Substraten

alles: Teile, Nukleinsäuren

alles was ein Alphabet ist,

und sicherstellt, dass dort ein gewisser Prozess besteht,

damit diese Information gespeichert werden kann

für länger als man von den

Zeitachsen für den Verfall der Inforamtionen erwarten würde.

Und wenn man das machen kann,

dann hat man Leben.

Also das erste, was wir lernen,

ist, dass es möglich ist Leben zu definieren

allein als ein Prozess

ohne Bezug auf

die Dinge, die uns lieb sind,

insofern uns das Leben auf der Erde lieb ist.

Und in gewisser Weise bringt uns das davon weg,

wie all unsere wissenschaftlichen Entdeckungen, oder viele davon-

es ist dieses ständige Enttrohnen der Menschheit-

weil wir denken dass wir etwas besonderes sind, weil wir am Leben sind.

Wir können Leben machen. Wir können Leben im Computer herstellen.

Natürlich, in beschränkter Weise,

aber wir haben gelernt, was man braucht,

um es tatsächlich herzustellen.

Und wenn man es einmal hat

dann ist es keine schwierige Aufgabe mehr

zu sagen, dass, wenn man die grundlegenden Prozesse versteht,

die sich nicht auf ein bestimmtes Substart beziehen,

dann kann man losgehen

und andere Welten versuchen

und herausfinden welche Art des chemischen Alphabets da sein kann,

die gängige Chemie

die Geochemie des Planeten herausfinden,

sodass man weiß, wie die Verteilung ausschauen würde

in der Abwesenheit des Lebens,

sich die großen Abweichungen anschauen-

das Ding, das hervorschaut und sagt:

"Diese Chemikalie sollte wirklich nicht da sein."

Dann weiß man nicht ob da Leben ist,

aber man kann sagen

"Zumindest schaue ich mir die Chemikalie ganz genau an

und schaue, woher sie kommt."

Und das kann die Chance sein,

um tatsächlich Leben zu entdecken,

wenn wir es nicht sehen können.

Und das ist die Message,

die ich für Sie habe.

Leben kann weniger rätselhaft sein

als wir denken,

wenn wir versuchen uns vorzustellen, wie es auf anderen Planeten wäre.

Und wenn man das Geheimnis des Lebens rausnimmt,

dann ist es auch ein wenig leichter

über unsere Art zu leben nachzudenken

und dass wir vielleicht nicht so etwas Besonderes sind, wie wir immer denken.

Und ich verlasse Sie mit diesen Worten

Vielen Dank

(Applaus)