Probleemoplossend Vermogen
Vrij naar David C Krakauer, president en William H Miller hoogleraar complexe systemen aan het Santa Fe Institute in New Mexico. Hij werkt aan de evolutie van intelligentie en domheid op aarde. Terwijl de eerste bewonderd maar zeldzaam is, is de tweede gevreesd maar gebruikelijk. Hij is de oprichter van het InterPlanetary Project bij SFI en de uitgever/hoofdredacteur van SFI Press. Chris Kempes is een professor aan het Santa Fe Institute, werkzaam op het snijvlak van natuurkunde, biologie en aardwetenschappen. Bewerkt door Cameron Allan McKean
Wat maakt computation mogelijk? Op zoek naar antwoorden op die vraag reist een hardware-ingenieur van een andere planeet in de 21e eeuw naar de aarde. Nadat hij door onze atmosfeer is afgedaald, gaat deze buitenaardse ontdekkingsreiziger naar een van de grootste datacentra van onze planeet, het China Telecom-Inner Mongolia Information Park, 470 kilometer ten westen van Beijing. Maar in deze uitgestrekte ministad van serverfarms is het niet eenvoudig om berekeningen te ontdekken. De bezoekende ingenieur scant de bijna ontelbare transistoren in het Information Park en zou kunnen denken dat het antwoord op zijn vraag ligt in de primaire materialen die rekenprocessen aansturen: silicium en metaaloxiden. Sinds de jaren zestig zijn de meeste rekenapparaten immers afhankelijk van transistoren en halfgeleiders die van deze metalloïde materialen zijn gemaakt.
Als de buitenaardse ingenieur de aarde enkele decennia eerder had bezocht, vóór de komst van metaaloxidetransistoren en siliciumhalfgeleiders, hadden ze misschien heel andere antwoorden op hun vraag gevonden. In de jaren 40, voor siliciumhalfgeleiders, zou berekening een eigenschap kunnen zijn van thermionische kleppen gemaakt van wolfraam, molybdeen, kwarts en silica – de belangrijkste materialen die worden gebruikt in computers met vacuümbuizen.
En een buitenaardse waarnemer die een eeuw eerder op bezoek was, lang voor het tijdperk van de moderne computer, zou tot nog vreemdere conclusies kunnen komen. Als ze in 1804 waren aangekomen, het jaar waarin het Jacquard-weefgetouw werd gepatenteerd, hadden ze misschien geconcludeerd dat vroege vormen van berekening voortkwamen uit de plantenresten en insectenuitwerpselen die werden gebruikt om de houten frames, ponskaarten en zijden draden te maken die werden gebruikt in weefgetouwen, de analoge voorlopers van moderne programmeerbare machines.
Maar als de bezoekende ingenieur tot deze conclusies zou komen, zouden ze het mis hebben. Berekening ontstaat niet uit silicium, wolfraam, insectenuitwerpselen of andere materialen. Het ontstaat uit procedures van rede of logica.
Dit speculatieve verhaal gaat niet alleen over de worstelingen van een buitenaardse ingenieur. Het is ook een analogie voor de pogingen van de mensheid om een van onze moeilijkste problemen op te lossen: het leven. Want net zoals een buitenaardse ingenieur moeite zou hebben om berekeningen via materialen te begrijpen, zo is het ook met mensen die onze verre oorsprong bestuderen.
Tegenwoordig groeien de twijfels over conventionele verklaringen van het leven en is er een golf van nieuwe algemene theorieën ontstaan om onze oorsprong beter te definiëren. Deze suggereren dat leven niet alleen afhankelijk is van aminozuren, DNA, eiwitten en andere vormen van materie. Tegenwoordig kan het digitaal worden gesimuleerd, biologisch worden gesynthetiseerd of worden gemaakt van geheel andere materialen dan die waarmee onze evolutionaire voorouders konden floreren. Deze en andere mogelijkheden nodigen onderzoekers uit om fundamentelere vragen te stellen: als de materialen voor leven radicaal kunnen veranderen – zoals de materialen voor berekeningen – wat blijft dan hetzelfde? Zijn er diepere wetten of principes die het leven mogelijk maken?
Onze planeet lijkt uitzonderlijk zeldzaam te zijn. Van de duizenden die door astronomen zijn geïdentificeerd, heeft er maar één enig bewijs van leven vertoond. De aarde is, in de woorden van Carl Sagan, een 'eenzaam stipje in de grote omhullende kosmische duisternis'. Deze schijnbare eenzaamheid is een voortdurende puzzel voor wetenschappers die de oorsprong en evolutie van het leven bestuderen: hoe is het mogelijk dat slechts één planeet onweerlegbaar bewijs van leven heeft vertoond, ook al worden de natuurwetten gedeeld door alle bekende planeten en zijn de elementen in het periodiek systeem overal in het heelal te vinden?
Het antwoord is voor velen om te accepteren dat de aarde echt zo uniek is als het lijkt: de afwezigheid van leven elders in het heelal kan worden verklaard door te accepteren dat onze planeet fysiek en chemisch anders is dan de vele andere planeten die we formeel hebben geïdentificeerd. Alleen de aarde, zo luidt het argument, heeft de speciale materiële omstandigheden gecreëerd die bevorderlijk zijn voor onze zeldzame chemie, en dat deed het ongeveer 4 miljard jaar geleden, toen het leven voor het eerst ontstond.
Stanley Miller in zijn laboratorium in 1970. Courtesy and © SIO Photographic Laboratory Collection, SAC 44, UC San Diego
In 1952 leverden Stanley Miller en zijn supervisor Harold Urey het eerste experimentele bewijs voor dit idee door middel van een reeks experimenten aan de Universiteit van Chicago. Het Miller-Urey-experiment, zoals het bekend werd, probeerde de atmosferische omstandigheden van de vroege aarde te herscheppen met behulp van laboratoriumapparatuur en te testen of organische verbindingen (aminozuren) konden worden gecreëerd in een gereconstrueerde anorganische omgeving. Toen hun experiment slaagde, werd het ontstaan van leven gebonden aan de specifieke materiële omstandigheden en chemie op onze planeet, miljarden jaren geleden.
Genetische evolutie omvat ook probleemoplossing:
insectenvleugels lossen het 'probleem' van vliegen op
Echter, recenter onderzoek suggereert dat er waarschijnlijk talloze andere mogelijkheden zijn voor hoe leven zou kunnen ontstaan door potentiële chemische combinaties. Zoals de Britse chemicus Lee Cronin, de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Sara Walker en anderen onlangs hebben betoogd, kan het zoeken naar bijna wonderbaarlijke toevalligheden van chemie ons vermogen beperken om andere processen te vinden die betekenisvol zijn voor het leven. In feite zijn de meeste chemische reacties, of ze nu op aarde of elders in het heelal plaatsvinden, niet verbonden met leven. Chemie alleen is niet genoeg om te identificeren of iets leeft, en daarom moeten onderzoekers die de oorsprong van het leven zoeken, andere methoden gebruiken om nauwkeurige oordelen te vellen.
Tegenwoordig is 'adaptieve functie' het primaire criterium voor het identificeren van de juiste soorten biotische chemie die aanleiding geven tot leven, zoals de theoretisch bioloog Michael Lachmann (onze collega bij het Santa Fe Institute) graag opmerkt. In de wetenschap verwijst adaptieve functie naar het vermogen van een organisme om biologisch te veranderen, te evolueren of, anders gezegd, problemen op te lossen. 'Probleemoplossing' lijkt misschien nauwer verwant aan de domeinen van de maatschappij, cultuur en technologie dan aan het domein van de biologie. We kunnen denken aan het probleem van migratie naar nieuwe eilanden, dat werd opgelost toen mensen leerden navigeren door zeestromingen, of het probleem van het uitzetten van trajecten, dat onze soort oploste door te leren hoeken te berekenen, of zelfs het probleem van beschutting, dat we oplosten door huizen te bouwen. Maar genetische evolutie omvat ook probleemoplossing. Insectenvleugels lossen het 'probleem' van vliegen op. Optische lenzen die licht focussen, lossen het 'probleem' van zicht op. En de nieren lossen het 'probleem' van het filteren van bloed op. Dit soort biologische probleemoplossing - een resultaat van natuurlijke selectie en genetische drift - wordt conventioneel 'aanpassing' genoemd. Hoewel het cruciaal is voor de evolutie van het leven, suggereert nieuw onderzoek dat het ook cruciaal kan zijn voor de oorsprong van het leven.
Dit probleemoplossende perspectief verandert onze kennis van het universum radicaal. Het leven begint er steeds minder uit te zien als een resultaat van scheikunde en natuurkunde, en meer als een computationeel proces.
Het idee van het leven als een soort computationeel proces heeft wortels die teruggaan tot de 4e eeuw v.Chr., toen Aristoteles zijn filosofie van hylomorfisme introduceerde waarin functies voorrang hebben op vormen. Voor Aristoteles gingen vermogens zoals zicht minder over de biologische vorm en materie van ogen en meer over de functie van zicht. Het duurde ongeveer 2000 jaar voordat zijn idee van hylomorfe functies evolueerde naar het idee van adaptieve eigenschappen door het werk van Charles Darwin en anderen. In de 19e eeuw stopten deze natuurkundigen met het definiëren van organismen op basis van hun materiële componenten en chemie, en begonnen ze in plaats daarvan eigenschappen te definiëren door zich te richten op hoe organismen zich aanpasten en evolueerden - met andere woorden, hoe ze problemen verwerkten en oplosten. Het zou vervolgens nog een eeuw duren voordat het idee van hylomorfe functies verschoof naar het abstracte concept van berekening door het werk van Alan Turing en de eerdere ideeën van Charles Babbage.
In de jaren 1930 was Turing de eerste die het klassieke Griekse idee van functie verbond met het moderne idee van berekening, maar zijn ideeën waren onmogelijk zonder het werk van Babbage, een eeuw eerder. Belangrijk voor Turing was de manier waarop Babbage het verschil had gemarkeerd tussen rekenapparaten die vaste werkingswetten volgen, die Babbage 'Difference Engines' noemde, en rekenapparaten die programmeerbare werkingswetten volgen, die hij 'Analytical Engines' noemde.
Met behulp van Babbages onderscheid ontwikkelde Turing het meest algemene model van berekening: de universele Turing Machine. In 1936 stelde hij zich deze machine voor als een bandrecorder, bestaande uit een lees- en wiskop die wordt gevoed door een oneindig lange band. Terwijl deze band door de machine gaat, worden er afzonderlijke stukjes informatie (momenteel opgeslagen in de machine) op gelezen of geschreven. Zowel de machine als de band bepalen gezamenlijk welke bit als volgende wordt gelezen of geschreven.
Het kan voor buitenstaanders moeilijk zijn om te begrijpen
hoe deze onmeetbare ideeën zijn met elkaar verbonden
Turing beschreef geen van de materialen waaruit zo'n machine zou worden gebouwd. Hij had weinig interesse in scheikunde, behalve de fysieke vereiste dat een computer bits betrouwbaar opslaat, leest en schrijft. Dat is de reden waarom, verbazingwekkend genoeg, deze eenvoudige (hoewel oneindig) programmeerbare machine een abstract model is van hoe onze krachtige moderne computers werken. Maar de theorie van berekening die Turing ontwikkelde, kan ook worden begrepen als een theorie van het leven. Zowel berekening als leven omvatten een minimale set algoritmen die adaptieve functies ondersteunen. Deze 'algoritmen' helpen materialen informatie te verwerken, van de zeldzame chemicaliën die cellen bouwen tot de siliciumhalfgeleiders van moderne computers. En dus, zoals sommige onderzoeken suggereren, zijn een zoektocht naar leven en een zoektocht naar berekening misschien niet zo verschillend. In beide gevallen kunnen we op een zijspoor raken als we ons richten op materialen, op scheikunde, fysieke omgevingen en omstandigheden.
Als reactie op deze zorgen is er een reeks uiteenlopende ideeën ontstaan om het leven opnieuw te verklaren, via principes en processen die worden gedeeld met berekeningen, in plaats van de zeldzame chemie en vroege aardse omgevingen die worden gesimuleerd in het Miller-Urey-experiment. Wat deze ideeën, die de afgelopen 60 jaar zijn ontwikkeld door onderzoekers die in uiteenlopende disciplines werken - waaronder natuurkunde, computerwetenschappen, astrobiologie, synthetische biologie, evolutiewetenschap, neurowetenschappen en filosofie - aandrijft, is een zoektocht naar de fundamentele principes die probleemoplossende materie aansturen. Hoewel onderzoekers in losstaande vakgebieden hebben gewerkt en hun ideeën onvergelijkbaar lijken, geloven we dat er brede patronen zijn in hun onderzoek naar de oorsprong van het leven. Het kan echter moeilijk zijn voor buitenstaanders om te begrijpen hoe deze schijnbaar onvergelijkbare ideeën met elkaar verbonden zijn of waarom ze belangrijk zijn. Daarom zijn we van plan om deze nieuwe manieren van denken te beoordelen en te ordenen.
Hun voorstellen kunnen worden gegroepeerd in drie verschillende categorieën, drie hypothesen, die we Tron, Golem en Maupertuis hebben genoemd. De Tron-hypothese suggereert dat leven kan worden gesimuleerd in software, zonder afhankelijk te zijn van de materiële omstandigheden die de levende wezens op aarde hebben doen ontstaan. De Golem-hypothese suggereert dat leven kan worden gesynthetiseerd met behulp van andere materialen dan die welke onze evolutionaire geschiedenis in gang hebben gezet. En als deze twee ideeën correct zijn en het leven niet gebonden is aan de zeldzame chemie van de aarde, dan hebben we de Maupertuis-hypothese, de meest radicale van de drie, die de fundamentele wetten onderzoekt die betrokken zijn bij de oorsprong van complexe computationele systemen.
Deze hypothesen suggereren dat diepe principes de opkomst van probleemoplossende materie bepalen, principes die ons begrip van moderne natuurkunde en scheikunde naar hun grenzen duwen. Ze markeren een radicale afwijking van het leven zoals we dat ooit kenden.
In 1982 werd de sciencefictionfilm Tron uitgebracht in de Verenigde Staten. Geregisseerd door Steven Lisberger, vertelde het het verhaal van biologische wezens die perfect en functioneel werden gedupliceerd in een computerprogramma. De held, Tron, is een mensachtig algoritme dat bestaat uit circuits en de essentiële kenmerken van het leven vastlegt zonder afhankelijk te zijn van biotische chemie. Wat we de 'Tron-hypothese' hebben genoemd, is het idee dat een volledig gerealiseerde simulatie van het leven kan worden gecreëerd in software, bevrijd van de zeldzame chemie van de aarde. Het vraagt zich af wat de principes van het leven zouden kunnen zijn als er geen chemische sporen meer zijn voor aanwijzingen. Zijn de fundamenten van het leven voornamelijk informatief?
Vijf jaar nadat Tron voor het eerst in de bioscoop werd uitgebracht, introduceerde de Amerikaanse computerwetenschapper Christopher Langton de wereld aan een concept dat hij 'kunstmatig leven' of 'ALife' noemde tijdens een workshop die hij organiseerde over de simulatie van levende systemen. Voor Langton was ALife een manier om zich te richten op de synthese van het leven in plaats van op analytische beschrijvingen van geëvolueerd leven. Het bood hem een manier om verder te gaan dan 'het leven zoals we het kennen' naar wat hij 'het leven zoals het zou kunnen zijn' noemde. Het doel was, in zijn eigen woorden, om 'biologische fenomenen in alternatieve media te herscheppen', om levensechte entiteiten te creëren via computersoftware.
Langtons gebruik van computers als laboratoriumgereedschap volgde het werk van twee wiskundigen: Stanisław Ulam en John von Neumann, die beiden aan het Manhattan Project werkten. Eind jaren 40 begonnen Ulam en von Neumann met een reeks experimenten op vroege computers, waarbij ze groei simuleerden met behulp van eenvoudige regels. Door dit werk ontdekten ze het concept van cellulaire automaten, een model van berekening en biologisch leven. Ulam zocht naar een manier om een gesimuleerde automaat te creëren die zichzelf kon reproduceren, zoals een biologisch organisme, en von Neumann verbond het concept van cellulaire automaten later met de zoektocht naar de oorsprong van het leven. Met behulp van dit concept omlijstte von Neumann de oorsprong van het leven zoals Turing eerder had gedaan met berekening, door te zoeken naar de abstracte principes die bepalen wat hij 'constructie' noemde: d.w.z. biologische evolutie en ontwikkeling. Gecompliceerde vormen van constructie bouwen patronen van het soort dat we associëren met organisme leven, zoals celgroei, of de groei van hele individuen. Een veel eenvoudigere vorm van constructie kan worden bereikt op een computer met behulp van een kopieer-en-plakbewerking. In de 20e eeuw werden von Neumanns inzichten over een zichzelf replicerende cellulaire automaat, een 'universele constructeur', te abstract geacht om ons begrip van de chemische oorsprong van het leven te helpen. Ze leken ook weinig te zeggen over biologische processen zoals aanpassing en natuurlijke selectie.
Een computerprogramma genaamd Avida simuleerde evolutionaire processen
Het ALife-onderzoek dat volgde op het werk van Ulam, von Neumann en Langton genereerde een reeks fascinerende formele en filosofische vragen. Maar, net als het werk van von Neumann, hebben deze vragen een beperkte en kortstondige impact gehad op onderzoekers die actief werken aan de oorsprong van het leven. Aan het einde van de 20e eeuw betreurden verschillende pioniers in ALife, waaronder de Amerikaanse filosoof Mark Bedau, het gebrek aan vooruitgang op deze vragen in een invloedrijk artikel getiteld 'Open Problems in Artificial Life'. De onbeantwoorde problemen die Bedau en zijn acht co-auteurs identificeerden, omvatten het genereren van 'een moleculair proto-organisme in vitro', het bereiken van 'de overgang naar leven in een kunstmatige chemie in silico', het aantonen van 'de opkomst van intelligentie en geest in een kunstmatig levend systeem' en, onder andere, het evalueren van 'de invloed van machines op de volgende grote evolutionaire overgang van het leven'.
Deze open problemen bleven onbeantwoord en dit artikel valt samen met de neergang van het vakgebied. Na de publicatie begonnen veel van de auteurs aan verschillende onderzoekscarrières, ofwel sprongen ze van kunstmatig leven naar het aangrenzende vakgebied van de evolutietheorie, of gingen ze onderzoeksprojecten na met betrekking tot chemie in plaats van software en hardware.
Niettemin produceerde ALife een aantal zeer geavanceerde modellen en ideeën. In hetzelfde jaar dat Bedau en zijn collega's problemen identificeerden, toonde een andere groep onderzoekers de hoogten aan die kunstmatig leven had bereikt aan het begin van de eeuw. In hun onderzoekspaper 'Evolution of Biological Complexity' (2000) schreef deze groep, onder leiding van de natuurkundetheoreticus Christoph Adami, over een computerprogramma genaamd Avida dat evolutionaire processen simuleerde. 'Het Avida-systeem', schreven Adami en zijn co-auteurs, 'host populaties van zichzelf replicerende computerprogramma's in een complexe en lawaaierige omgeving, binnen het geheugen van een computer.' Ze noemden deze programma's 'digitale organismen' en beschreven hoe ze in seconden konden evolueren (en muteren) door middel van geprogrammeerde instructies. Elk Avida-organisme was een enkel gesimuleerd genoom dat bestond uit 'een reeks instructies die worden verwerkt als opdrachten naar de CPU van een virtuele computer.'
Een screenshot van de Avida-software die evolutionaire processen simuleert. Met dank aan Wikipedia
De Tron-hypothese leek veelbelovend. Maar uiteindelijk leverde het werk van Adami en anderen belangrijkere bijdragen aan populatiegenetica en theoretische ecologie dan onderzoek naar de oorsprong van het leven. Dit werk hielp fundamentele stellingen in berekeningen te verbinden met abstracte biologische concepten, zoals geboorte, competitie en dood, maar heeft de greep van prebiotische chemie op dominante concepten van leven niet verbroken.
De laatste jaren zijn er dingen veranderd, omdat nieuwe concepten uit de natuurkunde de standaard Tron-hypothese uitbreiden. In 2013 publiceerde de natuurkundige David Deutsch een artikel over wat hij 'constructortheorie' noemde. Deze theorie stelde een nieuwe manier voor om de natuurkunde te benaderen, waarbij berekeningen fundamenteel waren voor het universum, op een dieper niveau dan de wetten van de kwantumfysica of algemene relativiteitstheorie. Deutsch hoopte dat de theorie dominante ideeën in de conventionele natuurkunde zou vernieuwen met een algemener raamwerk dat veel problemen zou elimineren, met name in relatie tot kwantummechanica en statistische mechanica, terwijl het een fundamentele status voor berekeningen zou vestigen. Hij wilde dit alles ook doen door een rigoureus en consistent raamwerk te bieden voor mogelijke en onmogelijke transformaties, waaronder fenomenen als de beweging van een lichaam door de ruimte of de overgang van een levenloze naar een levende planeet. De constructeurstheorie biedt geen kwantitatief model of voorspellingen over hoe deze transformaties zullen plaatsvinden. Het is een kwalitatief raamwerk om over mogelijkheden te praten; het legt uit wat er wel en niet kan gebeuren in het universum op een manier die verder gaat dan de wetten van de conventionele fysica. Deutsch' theorie is een provocerende visie en er blijven veel vragen over het nut ervan.
Deutsch' theorie bouwt voort op von Neumanns constructie-replicatiemodel voor leven - de oorspronkelijke Tron-hypothese - die op zijn beurt is gebaseerd op Turing's rekenmodel. Door Deutsch' theorie beginnen we ons af te wenden van principes en simulaties zoals nagestreefd door Avida-organismen en op silicium gebaseerde evolutie, en richting grotere conceptuele ideeën over hoe leven zou kunnen ontstaan. Constructortheorie en andere soortgelijke ideeën zijn mogelijk noodzakelijk om de diepere oorsprong van het leven te begrijpen, die conventionele natuurkunde en scheikunde niet adequaat hebben kunnen verklaren.
Het is één ding om leven te simuleren of de principes te identificeren die inherent zijn aan deze simulaties. Het is iets anders om leven te synthetiseren. In vergelijking met leven dat wordt gesimuleerd door middel van software, stelt de Golem-hypothese dat een synthetische levensvorm kan worden opgebouwd uit nieuwe chemische bestanddelen die verschillen van die welke aanleiding gaven tot de complexe vormen van leven op aarde. Deze hypothese is vernoemd naar een mythisch wezen uit de Joodse folklore dat leeft en ademt ondanks dat het volledig is gemaakt van levenloze materialen, meestal modder. Tot leven gebracht door zijn voorhoofd te graveren met een magisch woord, zoals emét (‘waarheid’ in het Hebreeuws), is de golem een vorm van geconstrueerd leven dat is geconstrueerd via een proces dat verschilt van evolutie. Als Tron de nadruk legt op informatie, dan legt de Golem de nadruk op energie – het is een manier om informatie te binden aan metabolisme.
In de roman The Golem (1913-14) schreef Gustav Meyrink: ‘Er is helemaal niets mysterieus aan. Het is alleen magie en tovenarij – kishuf – die mensen bang maken; het leven jeukt en brandt als een haren hemd.’ Voor ons doel is de golem een analogie voor synthetisch leven. Het is een levend wezen gegrond in generatieve modder en een abstracte weergave van wat mogelijk is met synthetische biologie en protocellen.
Begin 21e eeuw werd de interesse in dergelijke ‘modder’ populairder toen de beperkingen van ALife een hernieuwde interesse in de rol van verschillende soorten materialen en metabolisme inspireerden ten opzichte van die op de prebiotische aarde. In 2005 beschreven de Amerikaanse chemici Steven A. Benner en Michael Sismour de twee soorten synthetische biologen die aan problemen van het leven werkten: ‘De een gebruikt onnatuurlijke moleculen om opkomende gedragingen uit de natuurlijke biologie te reproduceren, met als doel kunstmatig leven te creëren. De ander zoekt uitwisselbare onderdelen uit de natuurlijke biologie om te assembleren tot systemen die onnatuurlijk functioneren.’ Als de laatste de Tron-hypothese testen, testen de eerste de Golem-hypothese.
Assemblagetheorie helpt ons te begrijpen hoe alle objecten van chemie en biologie worden gemaakt
Een van de beste voorbeelden van levensechte synthetische biologie is de creatie van genetische systemen waarin synthetische DNA-alfabetten worden ondersteund door een geconstrueerde uitbreiding van het Watson-Crick dubbelstrengs base-pairing-mechanisme. Dit omvat niet de creatie van een alternatieve biochemie in een laboratorium, maar simpelweg de chemische synthese van een uitgebreid, evolueerbaar systeem. In feite zijn alle succesvolle pogingen tot nu toe in de synthetische biologie afgeleid van augmentatie, niet van creatie.
De Golem-hypothese roept belangrijke vragen op: als leven kan worden gemaakt van materialen die anders zijn dan die waaruit het leven zoals wij dat kennen is ontstaan, wat zijn dan de gedeelde principes die alle levende wezens doen ontstaan? Wat zijn de universele eigenschappen van levensondersteunende chemie?
De recente ontwikkeling van de assemblagetheorie biedt ons een manier om deze vragen te beantwoorden. De assemblagetheorie helpt ons te begrijpen hoe alle objecten van de chemie en biologie worden gemaakt. Elk complex object in het universum, van microscopisch kleine algen tot torenhoge wolkenkrabbers, is opgebouwd uit unieke onderdelen, waarbij combinaties van moleculen betrokken zijn. De assemblagetheorie helpt ons te begrijpen hoe deze onderdelen en objecten worden gecombineerd en hoe elke generatie van complexiteit afhankelijk is van eerdere combinaties. Omdat deze theorie ons in staat stelt de 'assemblage-index' van een object te meten - hoe 'geassembleerd' het is; hoe complex de onderdelen zijn - kunnen we bepalingen doen over evolutie die losstaan van die welke normaal gesproken worden gebruikt om leven te definiëren.
In dit kader kan men objecten identificeren die het resultaat zijn van een evolutionair proces door het aantal assemblagestappen dat is genomen, zonder een eerder model te hebben of de details van het proces te kennen. De vereisten zijn: ten eerste dat een object kan worden ontbonden in bouwstenen; ten tweede dat er een minimale regelset bestaat voor het samenvoegen van blokken; en ten derde dat er sequenties bestaan die de assemblage van deze bouwstenen tot het object beschrijven, waarbij tussenliggende objecten kunnen worden hergebruikt als nieuwe bouwstenen in het constructieproces. Zeer kleine assemblage-indices zijn kenmerkend voor de zuivere fysieke en chemische dynamiek die kristallen of planeten produceert, maar grote indices in een grote populatie objecten worden beschouwd als bewijs voor een evolutionair proces - en een teken van leven. In sommige opzichten is de assemblagetheorie een versie van de Golem-hypothese: hiermee kunnen we potentieel levensvormen lokaliseren die zijn geconstrueerd uit een ander proces dan evolutie. Het idee is dat een complexe entiteit, zoals een golem, een aanzienlijke hoeveelheid tijd, energie en informatie nodig heeft om te worden geassembleerd, en de assemblage-index is een maatstaf voor deze vereisten. Deze theorie is in staat om bepaalde computationele concepten in kaart te brengen op zo'n manier dat we de gedeelde signatuur van een probleemoplossingsproces kunnen vinden.
De golem laat ons zien hoe gevarieerd levende materialen waarschijnlijk zijn in het heelal, en hoe de focus op een beperkte set materialen waarschijnlijk te beperkt is. Assemblagetheorie laat ons zien hoe elk historisch proces universele afdrukken op materialen zal achterlaten, ongeacht hoe divers die materialen zijn.
De Tron- en Golem-hypothesen zijn uitdagend en gedurfd, maar er zijn misschien nog radicalere ideeën over de oorsprong van het leven. Deze ideeën suggereren dat de opkomst van complexe computationele systemen (d.w.z. leven) in het heelal mogelijk wordt bestuurd door diepere principes dan we eerder aannamen. Organismen hebben mogelijk een algemener doel dan aanpassing. Wat als levensvormen niet ontstaan door een reeks adaptieve ongelukken, zoals mutatie en selectie, maar door te proberen een probleem op te lossen? We noemen dit de Maupertuis-hypothese. Deze gaat over hoe leven zich door het heelal zou kunnen verspreiden, zelfs zonder de specifieke omstandigheden die op aarde worden aangetroffen. Dus, wat is dit gedeelde probleem? De Maupertuis-hypothese suggereert dat, voortbouwend op de tweede wet van de thermodynamica, leven de manier van het universum zou kunnen zijn om sneller thermodynamisch evenwicht te bereiken. Het zou de manier kunnen zijn waarop het universum het probleem van het verwerken van energie effectiever ‘oplost’.
Pierre-Louis Moreau de Maupertuis was een 18e-eeuwse Franse wiskundige en filosoof die het ‘principe van de minste actie’ formuleerde, dat de eenvoudige trajecten van licht en fysieke objecten in ruimte en tijd verklaart. In beide gevallen onthult de natuur een economie van middelen: licht volgt het snelste pad tussen twee punten; fysieke objecten bewegen op een manier die de minste energie vereist. En dus kan leven, volgens wat we de Maupertuis-hypothese noemen, ook op een soortgelijke manier worden begrepen, als de minimalisatie of maximalisatie van bepaalde hoeveelheden. Onderzoek naar de oorsprong van het leven kan worden gezien als een zoektocht naar deze hoeveelheden.
Evolutie door natuurlijke selectie is bijvoorbeeld een proces waarbij herhaalde ronden van overleving ervoor zorgen dat dominante genotypen steeds meer informatie over hun omgeving coderen. Dit creëert organismen die adaptieve informatie lijken te maximaliseren terwijl ze metabolische energie behouden. En in het proces versnellen deze organismen de productie van entropie in het universum. Het is mogelijk om deze dynamiek te abstraheren in termen van Bayesiaanse statistieken. Vanuit dit perspectief gedraagt een populatie van evoluerende organismen zich als een bemonsteringsproces, waarbij elke generatie selecteert uit het mogelijke bereik van genetische varianten. Gedurende vele generaties kan de populatie haar collectieve 'kennis' van de wereld bijwerken door herhaalde rondes van differentiële overleving (of 'natuurlijke selectie').
Foto door mauribo/Getty
'Vrije energie' is een soort meting van onzekerheid: het verschil tussen een voorspelling en een uitkomst
Dit Bayesiaanse denken leidde tot het principe van vrije energie, voorgesteld door de neurowetenschapper Karl Friston in 2005. Zijn principe is fundamenteel geworden voor wat we de Maupertuis-hypothese noemen. Net als de constructortheorie probeert het principe van vrije energie een verenigend raamwerk te bieden voor alle levende systemen. Fristons principe breidt ideeën uit Bayesiaanse statistiek (het schatten van parameters) en statistische mechanica (het minimaliseren van kostenfuncties) uit om elk leer- of aanpassingsproces te beschrijven, of het nu gaat om mensen, organismen of andere levende systemen.
Zijn raamwerk probeert uit te leggen hoe deze levende systemen worden aangestuurd om onzekerheid over hun omgeving te minimaliseren door te leren betere voorspellingen te doen. Voor Friston is 'vrije energie' een soort meting van onzekerheid: het verschil tussen een voorspelling en een uitkomst. Hoe groter het verschil, hoe hoger de vrije energie. In Fristons raamwerk is een levend systeem eenvoudigweg elk dynamisch systeem waarvan kan worden aangetoond dat het vrije energie minimaliseert, om onzekerheid te minimaliseren. Een steen die van een heuvel rolt, minimaliseert potentiële energie, maar zeker niet Fristoniaanse vrije energie - stenen leren niet om betere voorspellingen te doen over hun omgeving. Een bacterie die langs een nutriëntengradiënt zwemt, minimaliseert echter vrije energie terwijl het informatie uit zijn omgeving haalt om de positie van zijn voedsel vast te leggen. Een bacterie is als een steen die afleidt.
Als men bereid is het idee te accepteren dat het modelleren van de wereld – door informatie te extraheren en gevolgtrekkingen te maken over de omgeving – constitutief is voor het leven, dan zou het leven overal en vrijwel moeiteloos moeten ontstaan. Net als het principe van de minste actie, dat ten grondslag ligt aan alle theorieën in de natuurkunde, suggereert Fristons idee dat het minimaliseren van vrije energie de actie is die elke kandidaat-levensvorm ondersteunt. En dit omvat biologische organismen, samenlevingen en technologieën. Vanuit dit perspectief zijn zelfs machine learning-modellen zoals ChatGPT kandidaat-levensvormen omdat ze actie kunnen ondernemen in de wereld (de wereld kunnen vullen met hun teksten), deze veranderingen kunnen waarnemen tijdens de training en nieuwe internee toestanden om vrije energie te minimaliseren.
Volgens de Maupertuis-hypothese zijn levende wezens niet beperkt tot biologische entiteiten, maar zijn ze, in meer algemene zin, machines die in staat zijn om adaptieve oplossingen over te brengen naar opeenvolgende generaties door de minimalisatie van vrije energie. Met andere woorden, levende wezens zijn in staat om informatie uit hun verleden over te brengen naar hun toekomst. Als dat waar is, hoe definiëren we dan de grenzen van levende wezens? Wat telt als een individu?
De informatietheorie van individualiteit, ontwikkeld door David Krakauer en collega's van het Santa Fe Institute in New Mexico en medewerkers van het Max Planck Institute in Leipzig in 2020, behandelt deze vraag. Reagerend op ideeën zoals Fristons vrije-energieprincipe, stelden we voor dat er fundamentelere 'individuen' zijn dan de schijnbaar discrete levensvormen om ons heen. Deze individuen worden gedefinieerd door hun vermogen om adaptieve informatie door de tijd heen over te brengen. We noemen ze 'Maupertuis-deeltjes' vanwege de manier waarop ze een rol spelen die vergelijkbaar is met deeltjes die zich binnen velden bewegen in een natuurkundige theorie - zoals een massa die zich in een zwaartekrachtveld beweegt. Deze individuen hoeven niet biologisch te zijn. Het enige wat ze hoeven te doen is adaptieve oplossingen doorgeven aan opeenvolgende generaties.
Individuen zijn dynamische processen die adaptieve informatie coderen
Het leven is afhankelijk van het maken van kopieën, die zich met elke nieuwe generatie geleidelijk aanpassen aan hun omgeving. In traditionele benaderingen van de oorsprong van het leven zijn replicatiemechanismen bijzonder belangrijk, zoals het kopiëren van een gen binnen een cel. Replicatie kan echter vele andere vormen aannemen. Het kopiëren van een gen binnen een cel is slechts de manier waarop de chemie de bredere informatieve functie van Maupertuis-deeltjes benadert. Zelfs binnen de biologie zijn er vele soorten individuen: virussen die het grootste deel van hun replicatiemachinerie uitbesteden aan gastheergenomen, microbiële matten waarin horizontale genoverdracht de informatische grens van de cel erodeert, en eusociale insecten waar steriele werksters een vruchtbare koningin ondersteunen die toekomstige nakomelingen produceert. Volgens de informatietheorie van individualiteit kunnen individuen worden opgebouwd uit verschillende chemische fundamenten. Wat ertoe doet, is dat het leven wordt gedefinieerd door adaptieve informatie. De Maupertuis-hypothese biedt nieuwe mogelijkheden voor wat als een levend wezen geldt: nieuwe vormen en graden van individualiteit.
Dus hoe vinden we deze individuen? Volgens de informatietheorie van individualiteit zijn individuen dynamische processen die adaptieve informatie coderen. Om te begrijpen hoe deze ontdekt kunnen worden, moet je bedenken hoe verschillende objecten in ons universum worden gedetecteerd op verschillende golflengten van licht. Veel kenmerken van het leven, zoals de warmtesignaturen van metabolische activiteit, worden alleen zichtbaar bij hogere golflengten. Andere, zoals koolstofflux, zijn zichtbaar bij lagere golflengten. Op dezelfde manier worden individuen gedetecteerd door verschillende 'informatiefrequenties'. Elke levensvorm bezit een ander frequentiespectrum, waarbij elk type steeds sterkere correlaties vormt in de ruimte (steeds grotere aanpassingen) en tijd (steeds langere erfelijkheid). Zelfs binnen dezelfde chemische processen kunnen meerdere verschillende individuen worden gevonden, afhankelijk van de keuze van het gebruikte informatiefilter. Denk aan een meercellig organisme - een mens. Van een afstand bekeken (met behulp van een soort grofkorrelig filter), is het een enkele gecoördineerde entiteit. Van dichtbij bekeken (met een fijnkorrelig filter) wemelt deze enkele entiteit echter van enigszins onafhankelijke weefsels, cellen en eiwitten. Er zijn meerdere schalen van individualiteit.
Wat is dus het gedeelde doel van deze prolifererende individuen? Omdat ze elk metabolische energie verbruiken om betrouwbare informatieverspreiding te garanderen, versnellen ze de productie van omgevingsentropie. Op deze manier versnelt elk individu indirect de warmtedood van het universum door adaptieve informatie te delen. Door kleine problemen lokaal op te lossen, creëert het leven wereldwijd grote problemen.
Is het oplossen van levensproblemen van belang? Wanneer we nadenken over onze biotische oorsprong, is het belangrijk om te onthouden dat de meeste chemische reacties niet verbonden zijn met leven, of ze nu hier of elders in het universum plaatsvinden. Chemie alleen is niet genoeg om leven te identificeren. In plaats daarvan gebruiken onderzoekers adaptieve functie - een vermogen om problemen op te lossen - als het primaire bewijs en filter om de juiste soorten biotische chemie te identificeren. Als het leven een probleemoplossende materie is, dan was onze oorsprong geen wonderbaarlijke of zeldzame gebeurtenis die werd beheerst door chemische beperkingen, maar in plaats daarvan het resultaat van veel universelere principes van informatie en berekening. En als het leven wordt begrepen door deze principes, dan is het misschien vaker ontstaan dan we eerder dachten, gedreven door problemen zo groot als de knal die ons abiotische universum 13,8 miljard jaar geleden in beweging zette.
Het fysieke verslag van de oorsprong en evolutie van het universum is een puur mechanische aangelegenheid, uitgelegd door gebeurtenissen zoals de oerknal, de vorming van lichte elementen, de condensatie van sterren en sterrenstelsels en de vorming van zware elementen. Dit verslag gaat niet over doelstellingen, doeleinden of problemen. Maar de natuurkunde en scheikunde die het leven deden ontstaan, lijken meer te hebben gedaan dan alleen gehoorzamen aan de fundamentele wetten. Op een bepaald punt in de geschiedenis van het heelal kreeg materie een doel. Het werd op een manier georganiseerd die het mogelijk maakte zich aan te passen aan zijn directe omgeving. Het evolueerde van een Babbage-achtige Difference Engine naar een Turing-achtige Analytical Engine. Dit is de drempel voor het ontstaan van leven.
In het abiotische universum zijn natuurkundige wetten, zoals de wet van de zwaartekracht, als 'berekeningen' die overal in ruimte en tijd kunnen worden uitgevoerd via dezelfde basisinput-outputbewerkingen. Voor levende organismen kunnen de regels van het leven echter worden aangepast of 'geprogrammeerd' om unieke biologische problemen op te lossen - deze organismen kunnen zichzelf en hun omgeving aanpassen. Daarom is, als het abiotische universum een Difference Engine is, het leven een Analytical Engine. Deze verschuiving van de ene naar de andere markeert het moment waarop materie werd gedefinieerd door berekening en probleemoplossing. Zeker, gespecialiseerde chemie was vereist voor deze overgang, maar de fundamentele revolutie vond niet plaats in materie, maar in logica.
Op dat moment ontstond er voor het eerst in de geschiedenis van het heelal een groot probleem om de oerknal het hoofd te bieden. Om dit grote probleem te ontdekken – om te begrijpen hoe materie zich heeft kunnen aanpassen aan een schijnbaar eindeloze reeks omgevingen – zijn er in de afgelopen eeuw veel nieuwe theorieën en abstracties ontstaan voor het meten, ontdekken, definiëren en synthetiseren van leven. Sommige onderzoekers hebben leven in silico gesynthetiseerd. Anderen hebben geëxperimenteerd met nieuwe vormen van materie. En weer anderen hebben nieuwe wetten ontdekt die het leven net zo onontkoombaar kunnen maken als de natuurkunde.
Het valt nog te bezien welke ons in staat zal stellen de geschiedenis van onze planeet te overstijgen.
Gepubliceerd in samenwerking met het Santa Fe Institute, een strategische partner van Aeon.
Voor meer informatie over de ideeën in dit essay, zie het onderzoeksartikel ‘The Multiple Paths to Multiple Life’ (2021) van Chris Kempes en David Krakauer, en het boek Life as No One Knows It: The Physics of Life’s Emergence (2024) van Sara Imari Walker.
Complexiteit Evolutie Biologie 17 september 2024