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Wissenschaftler studieren künstlich geschaffene Biosysteme


26.10.1990 - 

Computerviren - Organismen oder entworfene Kunstobjekte

Während die meisten Informatiker die Bezeichnungen "Würmer" oder auch "Viren" allenfalls für plastische Analogien zu den entsprechenden Geschöpfen aus dem wirklichen Leben halten, sehen andere diese Dinge in einem völlig neuen Licht: Für sie "leben" jene Phänomene tatsächlich fast schon.

Diese überraschende Einschätzung ist zumindest aus Sicht der rasch wachsenden Schar jener Informatiker, Physiker und Biologen, die sich mit Phänomenen des "künstlichen Lebens" beziehungsweise des "Artificial life" (KL, AL) befassen, weit weniger abwegig, als es auf den ersten Blick scheinen mag. Computerviren gleichen ihren biologischen Gegenstücken ja tatsächlich auf verblüffende Weise, betrachtet man ihr Verhalten und insbesondere ihre raffinierte Art, sich, einmal in die Welt gesetzt, in weitgespannten Computernetzen immer weiter zu vermehren und auszubreiten.

Gerade biologische Viren verblüffen dadurch, daß sie die Bezeichnung Lebewesen eigentlich kaum zu verdienen scheinen, sind sie doch bei weitem einfacher als selbst simpelste Bakterien aufgebaut. Deshalb darf mit Recht gefragt werden, ob sie nicht "eigentlich" nur ein paar Einheiten purer genetischer Information darstellen, die da in Gestalt simpler Molekülketten durch die Welt geistern.

Schattenwesen aus Bits und Bytes

Was also zunächst bloß wie eine abstrakte Gedankenspielerei aussieht, nämlich die Frage nach der "Lebendigkeit" von ein paar Einheiten purer Computer-Information, gewinnt jetzt in dem Maße an Interesse, in dem man sich immer weiter in das diffuse Grenzgebiet zwischen biologischen und informationstechnisch geschaffenen Viren vortastet. Denn dabei gelangt man unversehens in eine Welt, die zwar nur von Schatten-Lebewesen rein informationstechnischer Art bevölkert wird, die aber dennoch zu intensivem Nachdenken zwingt: Haben wir es hier vielleicht doch mit tatsächlichem Leben einer ganz ungewohnten Form zu tun? Und wie mag diese neue Form von Leben sich über die Jahre hinweg wohl entwickeln und ausbreitend?

Schon heute existieren neben den wohlbekannten und weithin gefürchteten Würmern und Viren auch Entwicklungen, die sich "lebensnäher" verhalten als ein einfaches biologisches Virus. Denn anders als Viren vermehren diese Codesequenzen sich sozusagen auf klassisch geschlechtliche Weise, berichtet Eugene Spafford von der Purdue-Universität zu West La Fayette in Indiana, USA. Die Fortpflanzung geschieht dadurch, daß sie in bestimmten Rechnern, so sie dort paarweise aufeinandertreffen, weiteren "infektiösen" Code erzeugen, der sich in seiner Ausformung von seinen beiden "Eltern" klar abhebt.

Zwar fällt es hier noch ebenso schwer, von künstlichem Leben zu sprechen wie beim bekannten Computerspiel "Life" mit seinen auf dem Bildschirm sichtbaren Strukturen, die sich teils vermehren und teils über die gegebene Fläche wandern - aber dies sind ja vorerst auch nur ganz Primitive Beispiele. Die Simulation "Antart" frappiert da schon weit mehr, die Robert Collins von der Universität Kalifornien, Los Angeles, entwickelt hat: Hier existieren auf dem Bildschirm in einem gemeinsamen "Lebensraum" Strukturen ameisenähnlicher Kolonien, die miteinander im Wettbewerb stehen und die sich, über Hunderte von Generationen hinweg, immer weiter entwickeln. Sie unterliegen also einer Art natürlicher Evolution mit ihren laufenden Mutations- und Selektionsvorgängen.

Diese seltsamen Kreaturen haben die Fähigkeit, "Nahrung" aufzuspüren und zu transportieren, überdies können sie anderen Ameisen ihrer jeweiligen Kolonie sogar helfen, ihrerseits Nahrung herbeizuschaffen. Dabei gelten in Collins Programm dann jene Kolonien als erfolgreich, die am meisten Nahrung in ihren Bau zu bringen verstehen.

Die vielen hunderttausend Ameisen, die Collins bereits auf seiner Connection-Maschine, einem hochinnovativen Parallelrechner, simuliert hat, basieren letztlich auf je einem "Chromosom" beziehungsweise einer Kette von etwa 10 000 Bits, das in erster Linie die Reaktionen der Ameise auf sensorische Wahrnehmungen reguliert. Diese simulierten Chromosomen können nun wiederum Mutationen unterworfen werden oder auch auf dem Wege der klassischen, aus der Genetik bekannten Rekombination einen Teil ihrer Information - und damit ihrer Eigenschaften - mit einem anderen Chromosom tauschen. Die daraus entstehenden Tochter-Generationen von Ameisen sind der Umwelt teils besser, teils aber auch schlechter angepaßt. Letztere verirren sich dann beispielsweise in den Bau fremder Stämme und werden konsequent "herausgemendelt" - beziehungsweise durch Tod aus dem Spiel eliminiert.

Nun läßt sich sicher auch hier wieder über die Frage streiten, ob Collins' Ameisen nun künstliches Leben darstellen oder aber nicht. Unbestritten ist jedenfalls der wissenschaftliche Wert derartiger Rechnersimulationen, erlauben sie beispielsweise Biologen das bequeme Prüfen ihrer - gerade am Anfang einer Studie oftmals eher noch vagen und groben Theorien über das Verhalten und die Evolution schwer beobachtbarer Populationen von Tieren oder auch Pflanzen. Denn statt mühevolle Studien an Ort und Stelle durchzuführen, können sie ihre Arbeitstheorie vom Leben jener Populationen als künstliches Leben codieren, einem Rechner eingeben und an Abweichungen zwischen der realen Welt und dem Geflimmer auf dem Bildschirm dann relativ rasch erkennen, an welchen Punkten ihre Vorstellungen noch allzu stark von der Realität abweichen.

Außerdem haben sie in dieser Simulation die ideale, sprich: absolute, Kontrolle über die Randbedingungen wie etwa Temperatur, Verfügbarkeit von Lebensraum und Futter etc.

Zwar stellen Computersimulationen heute den größten Anteil aller Studien über das künstliche Leben dar - doch nirgends steht geschrieben, daß es nicht auch ganz andere Ansätze geben kann. So sei hier nur der Vollständigkeit halber kurz ein Experiment erwähnt, mit dem Gerald F. Joyce vom Forschungsinstitut der Scripps-Klinik in La Jolla, Kalifornien, von sich reden machte. Er stellte eine Reihe chemischer Reaktionen so zusammen, daß sie auf ein sogenanntes Ribozym - also auf einen Teil eines RNA-(Erbgut)-Strangs, der sich aus dem RNA-Gesamtstrang eines Lebewesens zuvor selbst herausgeschnitten hat - eine Art "chemischen Selektionsdruck" ausübten. Dadurch ging aus dem anfänglichen Ribozym im Zuge einer regelrechten Evolution langsam eine andere Form hervor, die nun aber nicht mehr RNA-, sondern statt dessen DNA-Kettenmoleküle gezielt zu trennen vermag.

Stecken die Versuche, eine Art künstlichen Lebens zu schaffen, heute auch erst noch in den Kinderschuhen, so sehen ausgesprochene Fortschritts-Enthusiasten doch eine unabsehbare Perspektive. Denn bereits das kommende Jahrhundert, so meint etwa der

Physiker J. Doyne Farmer vom Santa Fe-Institut in der gleichnamigen Stadt in der US-amerikanischen Neu Mexico, werde mit hoher Wahrscheinlichkeit die Einführung "lebender" Organismen bringen, die sich zwar wie natürliche Organismen vermehren und auch im Sinne einer Evolution entwickeln können, die aber dennoch weitgehend von Menschen entworfene Kunstprodukte sein werden.

Ihm sekundiert der Biologe Christopher Langton vom Nationallaboratorium zu Los Alamos in Neu Mexico mit der Bemerkung, derzeit gehe wohl die bisherige Ära der Evolution auf unsere Erde zu Ende. Jetzt breche eine neue an, in der künstlich geschaffene Formen von Leben der vielfältigsten Art ein immer wichtigerer Bestandteil einer Biosphäre werden dürften, die gegenüber der heutigen deutlich ausgeweitet sein werde und die teilweise auch ganz neu definiert werden müsse.

Dieses in Computern und auf anderen Trägern sich ausbreitende künstliche Leben der Menschen eingreifen - und generell seien daher schon bald Formen und Regeln notwendig, in deren Rahmen natürliches und künstliches Leben eng koordiniert zusammenarbeiten und schließlich eine Art von symbiotischer Lebensgemeinschaft bilden. Es könne sich im Lauf der Jahre eine völlig neuartige Mensch-Maschine-Mischkultur entwickeln, die paradoxerweise dennoch etwas ausgesprochen Natürliches sei. Der stete Wechsel und das fortwährende Schaffen von immer Neuem sei ja schon immer das Kennzeichen natürlichen Lebens gewesen.

Dieses Heranwachsen künstlich geschaffener Formen von Leben hält Langton im Verein mit Farmer nicht mehr für Utopie, sondern längst schon für unvermeidlich. Deshalb meinen beide, gerade aus diesem Grunde sei es für die Wissenschaft höchste Zeit, sich mit den neuen Perspektiven umfassend auseinanderzusetzen. Zumal die neuen Lebensformen schon deshalb ganz zwangsläufig entstehen dürften, bemerkt Langton, weil sie im Zuge von Simulationsversuchen reifen, mit denen die Forschung die komplexe Dynamik, die den natürlichen Formen Funktionen des Lebens zugrundeliegt, studieren wolle.

Irdisches Leben - nur eine denkbare Möglichkeit

Das Synthetisieren lebensähnlich sich verhaltender Strukturen im Computer oder auch in chemischen Reaktionssystemen präsentiert der Wissenschaft eine immense Fülle neuartiger, künstlich-biologischer Phänomene, deren Studium das Verständnis der natürlich gewachsenen Bio- und Ökosysteme erleichtern dürfte. Anders ausgedrückt: Durch das Schaffen neuartiger, bislang nur theoretisch denkbarer Lebensformen könnte sich der Forschung deutlicher enthüllen, welchen Platz in diesem Raum der denkbaren Möglichkeiten unser natürliches, von uns Menschen "fertig" vorgefundenes Biosystem einnimmt. Auf diese Weise könnten wir besser als vorher verstehen, warum beispielsweise manche Insekten Staaten bilden und andere nicht, wie das stereoskopische Sehen geschaffen wurde oder wie es kam, daß die Dinosaurier bei ihrer Evolution vor etwa 100 Millionen Jahren unversehens das "Ende der Fahnenstange" erreicht haben.

Bei der Suche nach Antworten auf diese und anderer Fragen erzeugen Wissenschaftler heute immer neue, eher simpel anmutender Simulationsregeln, die in einem Computer dennoch Erstaunliches bewerkstelligen können: Sie bewirken, daß schon kleine Veränderungen der mathematischen Randbedingungen komplexe Systeme simulierter Teilchen dazu bringen, sich zu immer wieder anderen Gestalten zusammenzuballen und sich auf immer wieder andere Weise fast wie reale Lebewesen zu verhalten.

So hat Farmer etwa eine Simulation entwickelt, bei der aus einer simulierten, frühzeitlichen "Ursuppe" heraus ganz von allein simulierte, proteinähnliche Moleküle entstehen. Dabei können die Forscher in weiten Grenzen jene Regeln modifizieren, nach denen diese Proteine einander wechselseitig zerteilen und wieder zusammenfügen, und dabei erkennen sie, wie bestimmte Regeln in chaotische Zustände ohne jede Ordnung und Ähnlichkeit mit lebendigen Strukturen führen. Schon leichte Modifikationen bewirken, daß die frisch entstandenen Proteine sich einer Art evolutiver Höherentwicklung unterwerfen - fast wie im richtigen Leben.

Evolution läuft im Zeitraffer ab

Heute gibt es bereits Rechnerprogramme zum Nachbilden wichtiger Teile des individuellen und kollektiven Verhaltens von Bienen, Mücken, Bakterien, Pflanzen oder auch Nervenzellen, um nur ein paar zu nennen. Viele davon erfahren während des Programmlaufs in rascher Folge Modifikationen, durch die die Strukturen beziehungsweise das Verhalten der simulierten Einheiten komplexer werden und immer zielgerichteter zu agieren scheinen. Darin spiegelt sich wider, daß im Rechner ein Evolutionsgeschehen mit immens gesteigerter Mutationsrate im Vergleich zur Realität abläuft.

Der schnellen und detailgenauen Nachbildung biologischer Lebensvorgänge dienen neuerdings auch schon spezielle, eigens für die Simulation künstlichen Lebens entwickelte Computer, wie ihn beispielsweise Tommaso Toffoli vom berühmten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Massachusetts, USA, baut.

Mit ihm will er vor allem studieren, wie Ansammlungen von lebenden Zellen sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln.

Geht es auch ohne Kohlenstoff-Ketten?

Wenn Wissenschaftler wie Farmer, Langton und andere im Kontext mit ihren Simulationen durchaus ernsthaft von künstlichem Leben sprechen, steht dahinter die Auffassung, "Leben" sei wohl etwas, das allein mit der Organisation und den dynamisch sich entwickelnden , Mustern und Strukturen zu tun hat, in denen Materie und Energie sich manifestieren. Keinesfalls aber dürfte behauptet werden, Leben sei einzig und allein an die Kohlenstoff-Kettenmoleküle gebunden, wie wir sie heute kennen und wie sie ja auch uns Menschen selbst formen.

Daher sei es durchaus denkbar, die grundlegenden Operatiotisprinzipien biologischer Lebensformen sowie die funktionellen Beziehungen zwischen verschiedenen Teilen natürlich entstandener Organismen mit Hilfe wechselseitig aufeinander einwirkender Reaktionspartner komplexen chemischer Systeme und entsprechend aufgebauter und programmierter Computer nachzuformen. Auf diese Weise entstünden künstliche Systeme. die sich wie natürliche verhalte und deren Dynamik laut Langton dann doch "genauso real" wie die Dynamik natürlicher lebender Systeme wäre.

Die Entscheidung, ob derart geschaffene Systeme "Leben" darstellen oder nicht - diese Entscheidung hängt natürlich davon ab, ob "Leben" überhaupt zufriedenstellend definiert werden kann. An einer solchen umfassenden, allgemein akzeptierten Definition fehlt es sichtlich, wie sich in Gespräch der Experten immer wieder zeigt.

Manche Definitionsversuche greifen einerseits so weit, daß sie selbst eindeutig tote Objekte als lebendig einordnen, andere sind so eng gefaßt, daß sie unzweifelhaft lebende Wesen teilweise ausschließen.

Dies hat manchen Fachmann bereits zu der skeptischen Anmerkung verleitet, vielleicht werde es auf immer der Intuition der Forscher überlassen bleiben, ob sie ein neu geschaffenes - oder entdecktes - Objekt als tot oder lebendig klassifizieren.

Der Begriff "Leben" muß nicht definiert werden

Auf der anderen Seite betonen KL-Enthusiasten wie Langton, daß eine klare Definition des Begriff's Leben, zu der meist Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Selbstreproduktion, zur aktiven Wechselwirkung mit der Umwelt und zur Ausbildung von immer größerer Komplexität im Zuge der Evolution gezählt werden, für die Arbeit an immer raffinierteren Computer-Geisterwesen nicht erforderlich sei.

Denn das Fehlen ein, solchen Definition hat die Biologie ja auch über Jahrhunderte hinweg nicht daran gehindert, immer tiefer in die feinsten Mechanismen jenes schwer faßbaren, gleichwohl aber weltweit präsenten Phänomens der Natur einzudringen.

Wer immer mit den Computer-Simulationsphänomenen wie Würmern, Ameisen, Zellen, Proteinen oder auch Mücken konfrontiert wird, die sich in Gestalt elektrischer Ladungen und magnetisierten Platten bilden, vermehren, mutieren und zu immer höheren Formen entwickeln, dem muß dabei vor allem wohl eines in den Sinn kommen, daß nämlich der Mensch mit dem Bau der ersten Computer vor annähernd einem halben Jahrhundert die Tür zum Bau von Systemen eines Komplexitätsgrades aufgestoßen hat, die er sich zuvor nicht einmal im Traum hätte vorstellen können. Wen darf es da wundern, daß diese Systeme nun langsam in jene Komplexität vorstoßen, die für simple biologische Systeme kennzeichnend ist.

Der Biologe Langton ist sicherlich darüber nicht erstaunt, wenn er meint: Wir Menschen sind bestimmt nicht schon das Endprodukt der Evolution.

Hallo Papi!

Mit der Schaffung lebensnah sich verhaltender Ameisen und dergleichen haben KL-Forscher nach eigener Einschätzung nicht nur begonnen, die Grenzen zwischen natürlichen und künstlich geschaffenen Organismen aufzuweichen. Sie sehen sogar schon eine Zukunft voraus, in der das künstliche Leben sich immer weiter entwickeln und jede heute vorstellbare Begrenzung irgendwann sprengen wird.

Wir sollten uns schon jetzt langsam auf jenen Tag vorbereiten, da so ein künstlich geschaffener Organismus anfängt, über sein eigenes Existieren und insbesondere sein Werden nachzudenken. Vielleicht merkt er dann plötzlich: Der Kerl da drüben an der Tastatur - der könnte vielleicht mein Vater sein.