Christoph Adami: Leven vinden dat we ons niet kunnen voorstellen

Hoe kunnen we zoeken naar buitenaards leven als het helemaal niet lijkt op het leven dat wij kennen? Op TEDxUIUC laat Christoph Adami zien hoe hij zijn onderzoek over kunstmatig leven - zelf-replicerende computerprogramma's - gebruikt om een signatuur, een 'biomarker', te vinden die vrij is van onze vooroordelen van wat het leven is.

Ik heb een rare loopbaan.

Dat weet ik omdat mensen als collega's

me zeggen: 'Chris, je hebt een rare loopbaan.'

(Gelach)

Ik begrijp ze

want ik ben mijn carrière begonnen

als theoretisch kernfysicus.

Ik zat al na te denken over quarks, gluonen

en botsingen met zware ijzerkernen

toen ik slechts 14 jaar oud was.

Nee, nee, ik was geen 14 jaar oud.

Maar daarna

had ik mijn eigen lab

in de afdeling voor computationele neurowetenschappen

en ik deed niet eens aan neurowetenschappen.

Later zou ik werken aan evolutionaire genetica

en systeembiologie.

Maar ik ga jullie vandaag over iets anders vertellen.

Ik ga jullie vertellen

over hoe ik iets heb geleerd over het leven.

Ik was eigenlijk raketwetenschapper.

Niet echt raketwetenschapper,

maar ik werkte

bij het Jet Propulsion Laboratory

in het zonnige Californië, waar het warm is.

Nu zit ik in het middenwesten

en daar is het koud.

Maar het was een spannende ervaring.

Op een dag komt een NASA-manager mijn kantoor binnen,

gaat zitten en zegt:

'Kun je ons alsjeblieft vertellen

hoe we op zoek kunnen gaan naar leven buiten de aarde?'

Dat kwam als een verrassing voor mij,

want ik was eigenlijk ingehuurd

om te werken aan kwantumberekening.

Toch had ik een heel goed antwoord.

Ik zei: 'Ik heb geen idee.'

hij vertelde me: 'Biosignaturen,

we moeten op zoek naar een biosignatuur.'

Ik weer: 'Wat is dat?'

Hij zei: 'Het is eender welk meetbaar fenomeen

dat ons in staat stelt om

de aanwezigheid van leven vast te stellen.'

Ik zei: 'Echt waar?

Is dat dan niet makkelijk?

Ik bedoel, we hebben hier leven.

Kun je daar geen definitie op toepassen

zoals bijvoorbeeld een Supreme Court-achtige definitie van leven?'

Toen ik er een beetje over had nagedacht, zei ik:

'Is het echt zo gemakkelijk?

Want ja, als je zoiets als dit ziet,

dan noem ik dat leven -

geen twijfel mogelijk.

Maar hier is iets.'

Hij dan: 'Goed, dat is ook leven. Dat weet ik.'

Maar als je denkt dat het leven ook is gedefinieerd

door dingen die sterven,

dan heb je geen geluk met dit ding

omdat dat eigenlijk een heel vreemd organisme is.

Het groeit op tot het volwassen stadium,

maakt dan een Benjamin Buttonfase door,

gaat achteruit en achteruit

totdat het weer als een klein embryo is

en groeit dan weer terug, terug naar beneden en weer terug - als een jojo.

Het sterft nooit.

Het is leven,

maar geen leven

zoals wij het ons voorstelden.

Dan zie je zoiets.

Hij : 'Mijn God, wat voor een levensvorm is dat?'

Weet iemand dat?

Het is eigenlijk geen leven, het is een kristal.

Als je eenmaal op zoek gaat

naar kleinere en kleinere dingen --

Deze persoon

schreef er een heel artikel en zei: 'Hè, dit zijn bacteriën.'

Maar als je een beetje dichterbij gaat kijken,

zie je dat dit ding veel te klein is om dat te zijn.

Hij was ervan overtuigd

maar de meeste mensen in feite niet.

Toen kwam NASA natuurlijk

ook met een grote aankondiging.

President Clinton gaf zelfs een persconferentie

over deze verbazingwekkende ontdekking

van leven in een meteoriet van Mars.

Vandaag is dat zwaar omstreden.

Als les uit al deze foto's

kan je besluiten het toch niet zo gemakkelijk is.

Misschien heb ik toch wel

een definitie van leven nodig

om dat soort onderscheid maken.

Kan het leven worden gedefinieerd?

Hoe zou je dat doen?

Je kan natuurlijk

de Encyclopaedia Britannica openslaan op de L.

Natuurlijk doe je dat niet. Je zoekt het ergens op in Google.

Dan zou je toch iets zou moeten vinden.

Je vindt wat

en alles dat we al kennen,

gooi je weg.

Dan kun iets als dit vinden.

Het zegt iets ingewikkelds

met veel, veel concepten.

Wie op aarde zou zoiets

ingewikkelds, complex

en zinloos neerschrijven?

In feite is het een reeks echt belangrijke concepten.

Ik haal er een paar woorden uit.

Het geven van dergelijke definities

steunt op dingen die niet gebaseerd zijn

op aminozuren of bladeren

of iets dat we kennen,

maar in feite alleen maar op processen.

Dit komt eigenlijk uit een boek

dat ik schreef en dat gaat over kunstmatig leven.

Dat verklaart waarom

die NASA-manager uiteindelijk in mijn kantoor belandde.

Ze dachten dat we met dergelijke concepten

misschien een vorm van leven

zouden kunnen produceren.

Misschien vraag je jezelf wel af:

'Wat in hemelsnaam is kunstmatig leven?'

Ik leg even uit

hoe dit alles tot stand kwam.

Het begon al een tijdje geleden

toen iemand een van de eerste

succesvolle computervirussen schreef.

Degenen onder jullie die nog niet oud genoeg zijn,

weten niet hoe deze infectie werkte -

namelijk door middel van deze diskettes.

Maar het interessante aan deze computervirusinfecties

was dat, als je keek naar de snelheid

waarmee deze infectie om zich heen greep,

zij het piekend gedrag vertoonde

dat we zo goed kennen van een griepvirus.

Door deze wapenwedloop

tussen hackers en besturingssysteemontwerpers

gaan die dingen op en neer.

Het resultaat is een soort boom des levens

van deze virussen,

een fylogenie die heel erg lijkt

op het type van leven dat we kennen, althans op het virale niveau.

Is dat dan leven? Niet wat mij betreft.

Waarom? Omdat deze zaken niet op zichzelf evolueren.

In feite zijn er hackers nodig om ze te schrijven.

Maar het idee werd al snel een klein beetje verder uitgewerkt

toen een wetenschapper van het Wetenschappelijk Instituut dit bedacht:

'Waarom gaan we niet proberen om deze kleine virussen

in kunstmatige werelden binnen de computer

te laten evolueren?'

Dat was Steen Rasmussen.

Hij ontwierp dit systeem maar het werkte niet echt,

omdat zijn virussen voortdurend bezig waren elkaar te vernietigen.

Maar er was nog een andere wetenschapper die dit volgde, een ecoloog.

Hij zei: 'Ik weet hoe dit op te lossen.'

Hij schreef het Tierra-systeem.

Volgens mij een van de eerste

echt kunstmatige levende systemen -

behalve het feit dat deze programma's niet echt groeiden in complexiteit.

Vanuit deze basis

begon ik eraan te werken.

Ik besloot om een systeem te creëren

met alle nodige eigenschappen

om complexiteit te laten evolueren,

om voortdurend meer en meer complexe problemen te laten evolueren.

Natuurlijk had ik hierbij hulp nodig, omdat ik niet weet hoe code te schrijven.

Twee studenten

van het California Institute of Technology werkten bij mij.

Charles Offria aan de linkerkant, Titus Brown aan de rechterkant.

Ze zijn nu respectabele professoren

aan de Michigan State University,

maar ik kan jullie verzekeren dat wij indertijd

een allesbehalve respectabel team waren.

Ik ben echt blij dat er geen foto's meer bestaan

over hoe wij gedrieën toen te keer gingen.

Maar hoe ziet dit systeem eruit?

Ik kan niet ingaan op de details,

maar wat je hier ziet is een deel van de ingewanden.

Ik wil de aandacht vestigen op

dit type van de populatiestructuur.

Er zitten ongeveer 10.000 programma's in.

Alle verschillende stammen weergegeven in verschillende kleuren.

Er zijn groepen die boven op elkaar groeien,

omdat ze zich verspreiden.

Telkens er een programma is

dat beter is in overleven in deze wereld,

door welke mutatie dan ook die het heeft verworven,

gaat het zich verspreiden over de anderen en worden de anderen tot uitsterven gedreven.

Ik ga jullie een film tonen waar dit dynamisch wordt voorgesteld.

Dit soort experimenten begon

met programma's die we zelf schreven.

We schrijven onze eigen spullen, repliceren ze

en zijn zeer trots op onszelf.

We zetten ze in en wat je meteen ziet,

is dat er golven van innovatie plaatsvinden.

Tussen haakjes, dit is zeer versneld,

je ziet hier een duizend generaties per seconde.

Maar het systeem begint met:

'Wat voor een stom stuk code is dit?

Dat kan snel op allerlei manieren

worden verbeterd.'

Je ziet golven van nieuwe types

die het halen op andere types.

Dit soort activiteiten gaat voor een tijdje door

totdat de meest eenvoudige dingen zijn overgenomen door deze programma's.

Dan zie je een soort stasis aankomen

waar het systeem in wezen wacht

op een nieuw type van innovatie, zoals dit,

dat zich weer gaat verspreiden

over alle andere innovaties die ervoor bestonden

en zijn eerdere genen begint te wissen,

totdat er een nieuw type met een hoger niveau van complexiteit is bereikt.

Dit proces blijft maar doorgaan.

Wat we hier zien,

is een systeem dat leeft op een manier

die erg lijkt op het leven dat we kennen.

Maar wat de NASA-mensen me echt hadden gevraagd,

was: 'Hebben deze jongens

een biosignatuur?

Kunnen we dit soort van leven meten?

Want als we dat kunnen,

hebben we misschien kans om elders leven te ontdekken

zonder vooroordelen

over dingen als aminozuren.'

Ik zei: ‘Misschien moeten we

een biosignatuur construeren

gebaseerd op leven als universeel proces.

In feite moet ze misschien gebruik maken

van de concepten die ik heb ontwikkeld

alleen maar om vast te leggen

hoe een eenvoudig levend systeem zou kunnen zijn.'

Wat ik bedacht -

ik moet jullie eerst een inleiding tot het idee geven

en misschien zou dat een betekenisdetector worden,

in plaats van een levendetector.

De manier waarop we dat zouden doen:

ik wil te weten komen hoe ik tekst

die door een miljoen apen is getypt, kan onderscheiden

van tekst zoals hij in onze boeken staat.

Ik zou het graag doen op zo'n manier

dat ik de taal niet moeten kunnen lezen,

want ik weet zeker dat ik dat niet zal kunnen.

Als ik maar weet dat er een soort alfabet is.

Ik zou een grafiek maken van de frequentie van

hoe vaak

elk van de 26 letters van het alfabet voorkomt

in een tekst geschreven door willekeurige apen.

Natuurlijk zou elk van deze letters

ongeveer even frequent voorkomen.

Als je nu kijkt naar dezelfde verdeling in Engelse teksten,

dan ziet het er zo uit.

Dat blijft praktisch hetzelfde voor alle Engelse teksten.

Bij Franse, Italiaanse of Duitse teksten

ziet het er een beetje anders uit.

Ze hebben allemaal hun eigen type frequentieverdeling,

maar het blijft hetzelfde.

Het maakt niet uit of je nu schrijft over politiek of over wetenschap.

Het maakt niet uit of het een gedicht

of een wiskundige tekst is.

Het is een herhaalbare signatuur

en ze is zeer stabiel.

Zolang onze boeken zijn geschreven in het Engels -

omdat mensen ze herschrijven en kopiëren -

vinden we die frequentie daar terug.

Dat inspireerde me om

dit idee te gebruiken,

niet om willekeurige teksten te onderscheiden

van teksten met betekenis,

maar eerder om uit te vinden of er betekenis schuilt

in de biomoleculen van het leven.

Maar eerst moet ik vragen:

wat zijn deze bouwstenen, zoals het alfabet, die ik liet zien?

Het blijkt dat we vele verschillende alternatieven hebben

voor zo'n set bouwstenen.

We kunnen aminozuren,

nucleïnezuren, carbonzuren of vetzuren gebruiken.

De chemie is extreem rijk en ons lichaam maakt gebruik van veel van die zaken.

Om dit idee te testen,

namen we eerst een kijkje bij de aminozuren en enkele andere carbonzuren.

Hier is het resultaat.

Hier is in feite wat je krijgt

als je kijkt naar de verdeling van de aminozuren

op een komeet of in de interstellaire ruimte

of, in feite, in een laboratorium,

waar je heel zeker bent dat er in jouw oersoep

geen levend spul zit.

Meestal vind je wat glycine, alanine

en wat sporen van de andere aminozuren.

Dat is ook zeer herhaalbaar -

voor wat je kunt vinden in plaatsen op Aarde

waar er aminozuren zijn,

maar zonder leven.

Maar stel dat je wat vuil

opraapt en

in een spectrometer plaatst,

omdat er overal bacteriën zitten.

Of je onderzoekt wat water

dat krioelt van het leven,

met dezelfde methode.

Het spectrum ziet er dan compleet anders uit.

Natuurlijk is er nog steeds glycine en alanine,

maar in feite vind je dan deze zware moleculen, deze zware aminozuren,

die worden aangemaakt

omdat ze waardevol zijn voor organismen.

Enkele andere

die niet worden gebruikt in de set van 20,

zullen niet te zien zijn

in welke concentratie dan ook.

Dit blijkt ook uiterst herhaalbaar te zijn.

Het maakt niet uit wat voor soort sediment je gebruikt om te vermalen,

of het nu bacteriën of andere planten of dieren zijn.

Overal waar het leven is,

zal je deze verdeling aantreffen,

in tegenstelling tot die verdeling daar.

Het is niet alleen voor aminozuren aantoonbaar.

Nu kun je vragen:

Hoe zit het met deze Avidianen?

De Avidianen zijn de bewoners van deze computerwereld

waar ze perfect gelukkig repliceren en groeien in complexiteit.

Dit is de verdeling die je krijgt

als er geen leven is.

Ze hebben ongeveer 28 instructies.

Als je een systeem hebt waar de een wordt vervangen door de andere

is het net als bij apen die tikken op een typemachine.

Al deze instructies komen voor

met ongeveer gelijke frequentie.

Maar als je nu een set hebt van replicerende jongens

zoals in de video die je zag,

dan ziet het er zo uit.

Er zijn dus instructies

die zeer waardevol zijn voor deze organismen,

en hun frequentie zal hoog zijn.

Er zijn zelfs instructies

die je maar één keer gebruikt of nooit.

Dus zijn ze ofwel giftig

of moeten ze echt worden gebruikt op een lager niveau dan willekeurig.

In dat geval is hun frequentie lager.

Is dat nu echt een herhaalbare signatuur?

Ik kan je vertellen dat het zo is,

omdat dit type spectrum, net als wat je gezien hebt bij de boeken

en net als wat je hebt gezien bij aminozuren, zeer herhaalbaar is

zonder dat het uitmaakt hoe je het milieu verandert.

Het gaat een weerspiegeling zijn van zijn het milieu.

Daarom ga ik jullie nu een klein experiment tonen.

Ik moet uitleggen dat

de top van deze grafiek

de frequentieverdeling laat zien waar ik het over had.

Hier is het de levenloze omgeving

waar elke instructie

met een gelijke frequentie voorkomt.

Daar beneden toon ik

de mutatiesnelheid in de omgeving.

Ik begin met een zeer hoge mutatiesnelheid.

Als je er

een replicerend programma in gooit

dat anders graag zou opgroeien

om de hele wereld te vullen,

gaat het zo snel muteren dat het onmiddellijk doodgaat.

Er is dus geen leven mogelijk

bij deze mutatiesnelheid.

Maar dan ga ik het bij wijze van spreken op een klein vuurtje zetten

en dan stap je over de drempel voor levensvatbaarheid

waar het nu voor een replicator mogelijk zou zijn

om daadwerkelijk te leven.

We blijven dan doorgaan met deze jongens

de hele tijd in die soep te gooien.

Laten we eens kijken wat dat geeft.

Dus eerst, niets, niets, niets.

Te warm, te warm.

Nu wordt de levensvatbaarheidsdrempel bereikt,

de frequentieverdeling

verandert drastisch en stabiliseert.

En dan doe ik iets vervelends.

Ik voeg opnieuw warmte toe en nog eens en nog eens.

Natuurlijk bereikt het de levensvatbaarheidsdrempel.

Ik laat het jullie gewoon even opnieuw zien omdat het zo leuk is.

Je overschrijdt de levensvatbaarheidsdrempel en

de distributie verandert in 'levend!'

Maar zodra je de drempel

waar de mutatiesnelheid zo hoog is

dat je niet in staat bent tot zelfreproductie,

kan je de informatie

niet meer naar je nageslacht kopiëren

zonder zo veel fouten te maken

dat je vermogen om te repliceren verdwijnt.

Dan gaat die signatuur verloren.

Wat leren we hieruit?

Een aantal dingen.

Een ervan is

dat we in staat zijn om over het leven na te denken

in abstracte termen.

We praten dan niet over zaken als planten,

aminozuren,

of bacteriën.

We denken in termen van processen.

Dan kunnen we beginnen na te denken over het leven,

niet als iets dat specifiek is voor de Aarde,

maar als iets dat in feite overal kan bestaan.

Omdat het eigenlijk alleen maar vandoen heeft

met concepten van informatie,

van het opslaan van informatie

op fysische substraten.

Dat kunnen bits zijn of nucleïnezuren,

alles wat een alfabet kan vormen.

Er moet een of ander proces bestaan

zodat deze informatie lang kan worden opgeslagen.

Veel langer dan de tijd die nodig is

om de informatie teloor te laten gaan.

Als je dat kan doen,

dan heb je leven.

Het eerste wat we leren,

is dat het mogelijk is het leven te definiëren

in termen van alleen maar processen,

zonder ook maar te verwijzen naar

het soort dingen die ons dierbaar zijn,

voor zover de aard van het leven op aarde dat is.

In die zin brengt ons dat weer,

net zoals al onze wetenschappelijke ontdekkingen, of toch vele ervan -

een stapje verder in de continue onttroning van de mens -

van hoe we denken dat we speciaal zijn omdat we leven.

We kunnen leven maken. We kunnen leven maken in de computer.

Toegegeven, het is maar beperkt,

maar we hebben geleerd wat er nodig is

om het echt te construeren.

Eens we zover zijn,

is het niet zo'n moeilijke taak meer

om te zeggen dat, als we de fundamentele processen begrijpen

die niet verwijzen naar een bepaald substraat,

we kunnen proberen

om er voor andere werelden

achter te komen wat voor soort chemische alfabetten er zouden kunnen zijn.

We zullen genoeg te weten komen over de normale chemie,

de geochemie van de planeet,

zodat we zouden weten hoe deze verdeling eruit zou zien

bij afwezigheid van leven.

Dan kunnen we zoeken naar grote afwijkingen daarvan -

zo'n opvallend iets dat zegt:

'Deze chemische stof hoort daar niet.'

Dat betekent dan nog niet dat er leven is,

maar we zouden kunnen zeggen:

'In ieder geval ga ik deze chemische stof eens nader bekijken

om te zien waar ze vandaan komt.'

Dat zou ons een kans geven om

leven te ontdekken

ook als we het niet kunnen zien.

Dat is dus de enige boodschap

die ik voor jullie heb.

Leven zou wel eens minder mysterieus kunnen zijn

dan we denken

als we nadenken over hoe het zou zijn op andere planeten.

Als we het mysterieuze van het leven kunnen wegnemen,

dan denk ik dat het voor ons een beetje makkelijker

zal zijn om na te denken over hoe we leven

en hoe we misschien wel niet zo bijzonder zijn als we altijd gedacht hebben.

Ik hou het hierbij.

Dank u zeer.

(Applaus)