Vida Artificial: Introducción

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Vida Artificial: Introducción

  1. 1. Vida Artificial Introducción e Historia
  2. 2. Vida Artificial: ¿Qué es? • Cuando miramos la naturaleza, podemos diferenciar una jerarquía de sistemas
  3. 3. Vida Artificial y Sistemas Complejos • Objetivos de VA: Simulación, emulación, implementación de un comportamiento “similar” al de la vida haciendo uso de materia no viva. • SSCC: Sistemas, no necesariamente vivos que – Pueden ser descritos en el lenguaje matemático de los sistemas dinámicos – Exhiben características de los sistemas vivos. Usaremos (en lo posible) los Sistemas Complejos para alcanzar los objetivos de la Vida Artificial
  4. 4. Propiedades de los SSCC y VA Objetivos de VA: Simulación, emulación, implementación de un comportamiento “similar” al de la vida haciendo uso de materia no viva.
  5. 5. Organización del Curso: 3 Objetivos 1. Examinar casos de estudio y modelos de vida artificial y natural, así como de sistemas complejos provenientes de una variedad de tópicos: patrones animales, sociedades de insectos, sociedades artificiales, comportamientos colectivos, diferenciación de genes y células, ecología computacional, evolución, ciudades, economía, internet, arte digital, … 2. Comprender los conceptos clave que unifican estos fenómenos: emergencia, auto-organización, formación de patrones, morfogénesis, dinámica no-lineal, orden, caos, complejidad, retro-alimentación, transiciones de fase, adaptación, borde del caos, puntos críticos, … 3. Presentar algo acerca de los campos de investigación teórica, computacional y experimental de la Vida Artificial y su potencial hacia aplicaciones: autómatas celulares, inteligencia colectiva, redes complejas, ciencia de los sistemas complejos, …
  6. 6. Una Importante Consideración • VA es una disciplina muy amplia… Este curso no será ni exhaustivo, ni sistemático. Solo ofrecerá una exploración por medio de ejemplos que se pueden encontrar en la literatura actual y demostraciones que podamos reproducir. • VA pretende comprender y emular aspectos de la vida con el objetivo futuro de ir integrándolos… pero hasta ahora no existe nada que podamos nombrar como VA. • Es más que probable que hasta el momento carezcamos de importantes conceptos y visiones que nos permitan completar los objetivos anteriores.
  7. 7. Tipo de preguntas que nos haremos • ¿Cómo consigue un leopardo su piel de camuflaje? • ¿Qué quieren decir afirmaciones como “el universo es solo una computadora”? • ¿Cómo es posible que un grano de arena pueda comenzar una avalancha? • Los enjambres… ¿necesitan un líder? • Diseño racional frente a evolución. • ¿Qué es el auto-ensamblado y porqué cree la gente que será la tecnología del futuro? • ¿Podemos simular una sociedad?
  8. 8. Tres tipos de Vida Artificial
  9. 9. Tres tipos de Vida Artificial VA virtual: • Estructuras similares a las “vivas” pero en un ambiente artificial (por ejemplo, de silicio). • El entorno es artificial, y solo podemos esperar reproducir un comportamiento similar, pero facilita la medición. • Incluso en caso de éxito, no es claro que se vaya a aprender algo acerca de la vida natural. Pero siendo positivos: esperamos aprender algo acerca de la vida en general. • Difícilmente se consigue sacar provecho a la computación morfológica.
  10. 10. Tres tipos de VA VA de apoyo: • Los modelos y simulaciones “mapean” el entorno natural en estructuras virtuales. • Nunca se está seguro de tener en cuenta todos los aspectos importantes… • … pero uno espera aprender algo acerca de la vida natural gracias a todas las opciones que nos proporcionan los entornos virtuales: – Definición exacta de entorno, – Reproducibilidad completa, – Velocidad de los experimentos, – No hay problemas éticos, – Fácil acceso a estados internos,… – Basado en supuestos, – Contexto no considerado
  11. 11. Tres tipos de VA VA experimental: • Implementación de VA en el mundo real y con materiales reales. • Vida real.
  12. 12. ¿Qué aprenderemos (con suerte) en el curso? • Exploración de sistemas “similares” a los vivos (simples y complejos) por medio del modelado y la simulación. • Noción de SSCC: Están presentes en todas las estructuras naturales (y humanas), aunque la “complejidad” como disciplina es reciente como tópico científico. • Nociones de Emergencia y Auto-Organización. • Descubrir nuevos patrones y convencernos que de que es posible un orden descentralizado. • Los sistemas complejos se pueden entender como sistemas de procesamiento de información. • La Evolución puede ser usada como una Tecnología complementaria al diseño racional.
  13. 13. Contenido del Curso (modificable en tiempo real) • Introducción: Historia y … todo el curso en 1 día (o 2) • Acerca de SSCC y Sistemas Dinámicos • Autómatas Celulares • Patrones, Emergencia y Auto-Organización Crítica • Inteligencia Colectiva • Sociedades Artificiales • Evolución Artificial • Auto-Replicación • Auto-Ensamblamiento • Ecología Computacional • Tecnología Viva y VA • Exposiciones (vuestras) y Conclusiones (de todos)
  14. 14. Metodología Modelado Matemáticas Discretas y Contínuas Simulación Programación Python, NetLogo, C++,…
  15. 15. Sobre los SSCC y SSDD… • ¿Qué son los SSCC? • ¿Cómo puede emerger comportamiento global de interacciones locales?
  16. 16. Autómatas Celulares • Tras haber presentado las características básicas de los SSCC, nos centraremos en uno de los modelos matemáticos que más están contribuyendo a la comprensión de los mismos.
  17. 17. Patrones, Emergencia y Auto- Organización Crítica • Los patrones que se observan en las escalas espaciales y temporales a menudo nos dan pistas acerca de los mecanismo internos que los generan…¿qué hay acerca de los eventos catastróficos que suceden repentinamente?, ¿porqué no han ocurrido antes?, ¿porqué no a menor escala?... ¿tienen escala?
  18. 18. Enjambres y Comportamiento Colectivo • ¿Quién dicta el comportamiento de un grupo de individuos?, ¿hay siempre un coche lento en el frente de un atasco de tráfico?, ¿son las hormigas lo suficientemente inteligentes para entender ordenes?
  19. 19. Evolución Artificial • La tecnología actual es el resultado de un diseño racional. Pero la naturaleza también proporciona potentes soluciones. • Parece haber una diferencia entre las soluciones naturales (que no tienen que ser comprensibles, pero son robustas) y las soluciones técnicas.
  20. 20. Auto-Replicación • La Auto-replicación parece ser el primer paso hacia la evolución artificial. • … difícil de implementar.
  21. 21. Auto-Ensamblado … a muchas escalas
  22. 22. Paul Rothemund: Auto-Ensamblado Molecular
  23. 23. Sociedades Artificiales y Ecología Computacional • Muchos agentes, capacidad de aprender, comportamiento social • No está claro si el comportamiento social es igual al comportamiento físico.
  24. 24. Computación Morfológica • La Morfología induce un escenario (adaptable) acotado de formas de hacer las cosas. El control externo solo cambia qué forma será la elegida, el cuerpo (como entidad física en un entorno físico) es el que se encarga de la estabilización y de los ajustes precisos.
  25. 25. Living Technology (Tecnología Viviente) • Bio-inspirada, pero no bio-mimética. • Combina diseño racional con evolutivo • Aproximación De abajo-Arriba (bottom-up) • El diseño de experimentos juega un papel fundamental.
  26. 26. Vida Artificial: Definición “La Vida Artificial es el estudio de los sistemas hechos por el hombre que exhiben comportamientos característicos de los sistemas vivos de la naturaleza. Complementa las tradicionales ciencias biológicas en lo relativo al análisis de los organismos vivos, intentando sintetizar el comportamiento de los mismos por medios computacionales y otros artificios. Extendiendo los fundamentos empíricos en los que la Biología se basa, yendo más allá de la vida basada en el carbono que ha evolucionado en la Tierra, la VA puede contribuir a la Biología teórica colocando la vida tal y como la conocemos en un marco más grande de la vida tal y como podría ser.”(Langton, 1989)
  27. 27. Vida Artificial: en otras palabras • La Vida Artificial es acerca del estudio sintético de sistemas adaptativos complejos (“similares” a los vivos), tanto naturales como artificiales. • …el objetivo no es únicamente proporcionar modelos biológicos, sino también investigar los principios generales de la vida.
  28. 28. Vida Artificial y Vida Natural “Los organismos naturales son, por norma, mucho más complicados y sutiles, y por tanto mucho menos comprensibles en detalle, que los autómatas artificiales. Sin embargo, algunas regularidades que observamos en la organización de los primeros pueden ser muy instructivos a la hora de planificar los segundos.”(von Neumann, 1948)
  29. 29. Objetivos de la Vida Artificial Cuestiones Biológicas Evolución Formación de Patrones Origen de la vida Simulación de la vida Entender el control de los procesos Principios del comportamiento inteligente Comportamiento emergente Comportamiento colectivo Robots autónomos Aplicaciones Prácticas Tecnología Viviente Nuevas tecnologías de producción Mejora de tecnologías existentes Robots para tareas diarias Mundos Virtuales
  30. 30. Ventajas Adicionales 1. “El acto de construir es instructivo acerca de la naturaleza de la función”. Es un principio educativo fundamental que la construcción de una cosa es una de las mejores formas de aprender sobre ella. (Seymour Papert) 2. Jugar con sistemas artificiales proporciona una paleta más amplia que nos permite “separar los aspectos fundamentales de la vida de los anecdóticos”. 3. Las formas de vida construidas, particularmente aquellas hechas en el ordenador, son mucho más fáciles de estudiar y diseccionar.
  31. 31. Algunas consideraciones metodológicas • La Biología tradicional (la Ciencia, en general) es analítica y con orientación De Arriba-abajo (top-down): empieza en el nivel superior (p.e. a nivel de organismo) y busca explicaciones en términos de entidades de nivel inferior. • VA es sintética y con orientación De Abajo-arriba (bottom-up): empieza en el nivel inferior (p.e. nivel molecular) y funciona por la síntesis de sistemas complejos a partir de sus entidades e interacciones. • Robots y simulaciones se usan como herramientas “cognitivas”. • Usando la aproximación analítica siempre se acaba con una descripción… usando la aproximación sintética no sólo tenemos la descripción, sino también el mecanismo que subyace a la conducta observada.
  32. 32. El problema del marco de referencia • Perspectiva: – Hemos de distinguir entre la perspectiva del observador y la del agente. En particular, las descripciones de comportamiento desde el punto de vista del observador no deben considerarse como mecanismos internos que rigen el comportamiento del agente. • Comportamiento vs. Mecanismo: – El comportamiento observado de un agente es siempre el resultado de una interacción entre sistema y entorno. No se puede explicar únicamente en la base de un mecanismo interno. • Complejidad: – Comportamientos aparentemente complejos no requieren necesariamente mecanismos internos complejos. Comportamientos aparentemente simples no son necesariamente el resultado de un mecanismo simple interno.
  33. 33. Y… ¿qué es la Vida Natural? • Parece natural que si queremos responder a la pregunta de qué es la vida artificial, hemos de tener alguna idea de qué es la vida natural, para ello, podemos: – Intentar definir la vida. – Describir las propiedades de la vida. – Escuchar lo que otros han dicho. – Caracterizar la vida por procesos generales (emulación computacional). – Mirar la “historia de la vida”.
  34. 34. ¿Qué es la Vida? • … una pregunta bastante controvertida. • … evitamos los aspectos “espirituales”, y nos centramos en el aspecto fenomenológico y funcional. • Funcional significa: si al observador le parece vivo, es vida. • … debemos tener presente que esta aproximación puede no ser completa. • ¿Porqué no hay una respuesta? … en palabras de Steven Harnad: – "¿Qué es estar 'realmente vivo’? Desde luego, no voy a ser capaz de responder a esta pregunta, pero puedo sugerir una cosa que no es: No es acerca de satisfacer una definición, al menos no en este momento, ya que tal definición debería estar precedida por un verdadera teoría de la vida, que actualmente no tenemos"
  35. 35. ¿Qué es la Vida?... algunas características • Dinámica, auto-organizada, autónoma. • Organización unicelular y multicelular. • Reproducción (sexual y asexual), crecimiento, y desarrollo. • Metabolismo (no en equilibrio): Puede extraer y reciclar materia y energía. • Adaptable y sujeta a la evolución por medio de selección natural. • Auto-mantenimiento, auto-reparación y auto-reproducción. • Organizada a múltiples escalas. • Compleja: su dinñamica es el resultado de la interacción de muchos componentes, el comportamiento complejo emerge de interacciones locales simples. • Interactúa con, y responde a, estímulos. • Elección y toma de decisiones. • Puede exhibir pensamiento consciente, lenguaje, etc. … Pero esta lista no es exhaustiva,…
  36. 36. La Vida como la conocemos • … no tiene porqué ser la única que puede producirse. • Hay una “vida natural como podría ser”. • Hay una “vida como podría ser”, incluyendo la VA, donde las restricciones son menores.
  37. 37. La Vida como la conocemos • Consiste de un rango limite de productos químicos: – Proteínas – Ácidos Nucleicos – Azúcares – Lípidos – Solventes, principalmente agua – Estructuras extracelulares, tales como huesos en el caso de organismos multicelulares. • Acuosa, encapsulación membranal que la limita en el espacio-tiempo. • Solo las células, los organismos hechos de células y las biosferas hechas de organismos pueden metabolizar y son autopoiéticos (capacidad auto-creadora y auto-productora).
  38. 38. La Vida como la conocemos: la molécula de la vida • ADN(Ácido Desoxirribonucléico) – Codifica la “receta” de un organismo vivo. – Doble hélice formada a partir de pares de nucleótidos: A-T y C-G – Tripletas de pares (codones) que codifican aminoácidos y genes que expresan las proteínas encargadas de la estructura y función celular
  39. 39. La vida como la conocemos Dogma Central: 4 etapas principales 1. Replicación: el ADN replica su información en un proceso que involucra muchas enzimas 2. Transcripción: el ADN codifica y produce el ARN mensajero (mRNA) 3. Procesamiento: en las células eucariotas, el mRNA se procesa y migra del núcleo al citoplasma 4. Traducción: el mRNA lleva información codificada a lo ribosomas, que la “leen” para la síntesis de proteínas.
  40. 40. La Vida como la conocemos: procesos habituales • Desarrollo: El proceso por el cual un sistema se transforma a medida que madura. Incluye procesos como metamorfosis (p.e., en insectos), crecimiento celular, diferenciación celular, morfogénesis, etc. • Crecimiento celular: reproducción celular (una célula se reproduce formando 2 células hijas). • Diferenciación celular: La transformación de un tipo general de célula en un tipo particular (p.e., piel, sangre, hueso, cerebral, etc.) por medio de la expresión de genes específicos. • Morfogénesis: La emergencia de forma por medio del crecimiento, p.e. la forma que toman varios órganos. No libre de excepciones: • La mula: no se puede reproducir, no puede evolucionar • Virus: no puede auto-reproducirse, no tiene metabolismo – El virus mosaico del tabaco se puede descomponer en sus proteínas, separarlas, y al volverlas a juntas se auto-organiza y recupera su funcionalidad completamente. • Prion: sin ácidos nucleicos, solo una extraña forma proteínica, corrompe la producción normal de proteínas para reproducirse… revela la naturaleza mecánica de la vida.
  41. 41. Niveles de Organización para Sistemas Biológicos La vida está organizada en muchos niveles y escalas: • Moléculas (ADN, ARN, proteínas, aminoácidos, etc.)  Estructuras subcelulares (membranas, canales, orgánulos, etc.)  Células (neuronas, células sanguíneas, piel, etc.)  Conjuntos celulares  Sub-órganos y subsistemas (córtex, espina dorsal, arterias, etc.)  Órganos (piel, cerebro, corazón, etc.)  Sistemas (nervioso, digestivo, inmune, etc.)  Organismos (plantas, animales, etc.)  Poblaciones  Ecosistemas  Bioesfera  ?? ¿Razones para la jerarquización? • ¿Son más fáciles para evolucionar? • Permite funcionar a diversas escalas temporales. • La modularización facilita la auto-reparación… • … y el desarrollo.
  42. 42. Lo que otros han dicho… Objetos Objetos No Naturales Objetos Naturales Objetos no Vivos Objetos Potencialmente vivos Objetos muertos Objetos Vivos
  43. 43. Lo que otros han dicho… "¿Cuál es el rasgo característico de la vida?, ¿cuándo se dice que un trozo de materia está vivo? Cuando 'hace algo', se mueve, intercambia material con su entorno, … y durante un período de tiempo mucho más largo de lo que cabría esperar de una pieza de materia inanimada en circunstancias similares. "(Schrodinger , 1944) "La vida es la representación, el presenciar de productos químicos anteriores, un entorno anterior de la Tierra primitiva que, gracias a la vida, permanece en la Tierra actual. [...] La vida son las bacterias, y los organismos que, sin ser bacteria, han evolucionado a partir de los organismos que estaban“ (Margulis y Sagan, 1995)
  44. 44. Lo que otros han dicho… • “La existencia de la vida debe ser considerada como un hecho elemental que no puede ser explicado, pero que debe ser considerado como un punto de partida para la Biología”.(Niels Bohr, 1933) • “En conexión con el una materia que definirla”.(Linus Pauling, 1938) origen de la vida, me gustaría decir que es a veces más fácil estudiar • “Los organismos vivos son CITROENS –Complex Information-Transforming Reproducing Objects that Evolve through Natural Selection.”(Leslie Orgel, 1973) • “La vida es un estado dinámico de la materia organizada por la información”(Manfred Eigen, 1992) • “La vida es algo comestible, amable o letal”.(James Lovelock)
  45. 45. Una definición de diccionario • “La condición que distingue animales y plantas de objetos inorgánicos y organismos vivos, que se manifiesta a través del metabolismo, reproducción y la capacidad de adaptación al entorno por medio de cambios que se originan internamente"(1984 Random House College Dictionary) • Tipos de Vida: – Humana “Inteligente” – Animal – Vegetal – Hongos y Líquenes – Multicelular – Unicelular – Virus simples y complejos – Molecular (replicativos, autocatalíticos)
  46. 46. … en ausencia de definición… caractericemos la vida “La vida es un proceso”. (Norman Packard) • La vida es un patrón espacio-temporal, más que un objeto material: por ejemplo, la mayoría de nuestras células son reemplazadas muchas veces durante nuestro tiempo de vida. Es el patrón y el conjunto de relaciones lo importantes, más que las moléculas y las células. • Reproducción: si no del organismo en sí, al menos de algún organismo relacionado. • Conjunto de instrucciones de recombinación: por ejemplo, los organismos biológicos almacenan una descripción de ellos mismos en las moléculas de AND, que es interpretada y ejecutada en el contexto de la maquinaria proteína/ARN. • Metabolismo: que convierte materia y energía del entorno en patrones y actividades del organismo.
  47. 47. … en ausencia de definición… caractericemos la vida “La vida es un proceso”. (Norman Packard) • Interacción con el entorno: un organismo puede responder a, o anticiparse a, cambios en su entorno. Los organismo crean y controlan su propio entorno local interno. • Interdependencia de partes: los componentes de un sistema vivo dependen los unos de los otros para preservar la identidad del organismo. Por tanto, no somos uno, sino una multitud actuando como uno. • Estabilidad frente a perturbaciones e insensibilidad a pequeños cambios: lo que permite al organismo preservar su forma y continuar su funcionamiento en un entorno “ruidoso”, o tras haber sufrido un daño menor. • Capacidad de evolucionar: no es una propiedad del organismo individual, sino de su linaje. De hecho, la posesión de un linaje es una característica importante de los sistemas vivos.
  48. 48. Dos conceptos importantes • Homeostasis = “auto-regulación” – La propiedad de un sistema abierto, especialmente los organismos vivos, para regular su entorno interno para mantener unas condiciones estables por medio de múltiples ajustes dinámicos de equilibrio y controlado por mecanismos de regulación interrelacionados. Walter Cannon, Ross Ashby, Grey Walter, … • Autopoiesis= “auto-producción” – Originalmente concebido para caracterizar los sistemas vivos naturales. Sistema que produce los componentes que necesita para mantener la generación de dichos componentes. En contraposición a alopoiesis. Humberto Maturana, Francisco Varela, …
  49. 49. …si todo falla: Historia • Si todo lo anterior falla, acudamos a la definición que proviene de la Historia… • La perspectiva histórica puede resultar apropiada porque, en Historia, uno no intenta entenderlo todo. La Historia es una “ciencia” que, dado un conjunto ordenado de eventos, intenta separarlos en dos grupos, aquellos que pueden entenderse como consecuencia de algunos previos, y aquellos que simplemente sucedieron por accidente. Estos últimos eventos son descritos, pero no analizados… lo que necesitamos para entender la evolución…
  50. 50. Los primeros indicios de Vida
  51. 51. El árbol de la Vida • Hace 4*109 años: evolución de la célula bacteriana (procariota) • Hace 2*109años: evolución de la célula con núcleo (eucariota) The Tree of Life Project: http://tolweb.org/tree Los 5 reinos
  52. 52. Lecciones de la Historia • Hay una tremenda variedad en las formas de vida. • … pero el 99% de ellas están extintas. • La evolución a veces es lenta… otras a grandes saltos • La evolución sucede a varios niveles (individuos, poblaciones, ecosistemas, …) • La evolución tiene sus limitaciones: hay soluciones técnicas que parecen obvias y que no se han obtenido: – Hay solo unas pocas ruedas en la naturaleza, pero son una solución muy buena. • Sin embargo, la evolución puede encontrar soluciones que, debido a que no hay una estructura comprensible que analizar, serían difíciles de encontrar por medios racionales. • Las soluciones racionales proporcionan diseños a los que es difícil llegar por medio evolutivos, pero que resultan muy directos por análisis.
  53. 53. Diseño Racional vs. Evolutivo • Los humanos tendemos a diseñar de forma modular, de forma que la estructura resultante sea comprensible de manera global. Y afecta tanto a la planificación como al uso. • La Naturaleza no necesita comprender la solución, solo necesita ser efectiva. • La evolución solo puede realizar optimizaciones que conlleven un beneficio inmediato, pero no seguir estrategias que a corto plazo sean peores aunque a largo plazo demuestren ser más óptimas. • El diseño racional suele combinar varias soluciones simples de manera que unas se ajusten a otras de manera predeterminada… la evolución es ciega y los ajustes se producen por azar.
  54. 54. El Manifiesto de “Living Technology” • … intenta desarrollar y explotar la combinación de ambas aproximaciones: el diseño evolutivo con el potencial racional humano. • … no solo transfiere las formas de trabajar de la naturaleza en un diseño artificial, sino que simultáneamente intenta aprender los métodos de ésta..
  55. 55. … un poco más de Vida Artificial experimental • ¿Cómo crear vida? – ¡Toma materia y hazla vivir! (Bottom-up)…Síntesis • Crear un sistema vivo (artificial) • Estudiar la transición de la “no-vida” a la “vida” – ¡Toma vida, y modifícala! (Top-down)… Análisis • Estudia fósiles (vida primitiva) • Estudia bacterias y procariotas (vida simple) • Busca vida extraterrestre simple
  56. 56. ¿Cómo crear vida? …Síntesis • Química Prebiotica: ¿qué moléculas son importantes para el origen de la vida? (Oparin-Haldane model, “Sopa Prebiotica”). • Miller & Urey (1953), Juan Oro (1961): Descubren que los aminoácidos pueden conseguirse a partir de HCN y NH3 en solución acuosa. La adenina se puede producir en gran cantidad, junto con otras 3 bases, en una atmósfera reducida.
  57. 57. ¿Cómo crear vida? …Análisis • Nanobes: se consideran los organismos más pequeños, unas 10 veces más pequeños que las bacterias más pequeñas conocidas (~ 20 nm de longitud) • Se describieron por primera vez en 1996 por P. Uwins. Algunos los creyeron simples cristales, pero el hallazgo de AND en algunas muestras de nenobes puede probar lo contrario. • Similares a estructuras que se encontraron en ALH84001 (meteorito de Marte que se encontró en la Antártida).
  58. 58. Forma de vida minimal Por el momento, la menor entidad autopoiética es: • Bacteria esférica, que rehúye el oxígeno y que requiere energía y comida para mantener sus 500 genes y proteínas • …O quizás el mycoplasm genitalium (bacteria de menos de 1 mm de diámetro que forma parte de las paredes celulares como parásito)
  59. 59. Proyecto del Genoma Minimal • Proyecto dirigido por Craig Venter que intenta encontrar el menor conjunto funcional de genes necesario para que un organismo viva y se reproduzca. Se ha elegido la bacteria anterior (Mycoplasma genitalium ) como punto de partida. El experimento consistió en una eliminación aleatoria de genes, mirando los signos vitales tras cada eliminación. • Resultados: parece que solo 265-330 de los genes son necesarios para el crecimiento…
  60. 60. La Vida como podría ser “La gran suposición es que un conjunto bien organizado de primitivas artificiales que lleven a cabo los mismos roles funcionales de las biomoléculas de los sistemas vivos naturales serán capaces de proporcionar un proceso que será “vivo” en la misma forma en que lo son los organismos naturales. VA será de esta forma “vida genuina”, pero constituida de una forma distinta a como se desarrolló en la Tierra” (Chris Langton, 1988) ¿Por dónde empezar? Por sus caracterizaciones: • Replicación (un mundo basado en ARN) • Metabolismo (Redes metabólicas de Kauffman) • Compartimentos(Mundo Lípido, Doron Landset)
  61. 61. Posicionamientos VA • La posición fuerte establece que “la vida es un proceso que puede ser abstraído de cualquier medio particular”(J.von Neumann). P.e., Tom Ray declaró que su programa Tierra no “está simulando” la vida, sino sintetizándola. • La posición débil niega la posibilidad de generar “procesos vivos” fuera de una solución química. Sus seguidores intentar emular procesos similares a los vivos para comprender los mecanismo subyacentes el fenómeno de la vida.
  62. 62. Ampliando miras… ¿son entes vivos?
  63. 63. Algunos intentos históricos de VA • 1495: Leonardo da Vinci diseñó (y posiblemente construyó) el primer humanoide. • 1580: Se dice que el rabino Loewof, en Praga, inventó el Golem, un hombre de barro que adquirió la vida del barro de Moldau. • Siglo XVI: Karakuri-ningyo construye un autómata japonés. • 1739: el pato de Vaucason podía mover las alas (más de 400 partes móviles en cada ala), comer y (supuestamente) defecar.
  64. 64. Precedentes en Computación… • Alan Turing: – “Intelligent machinery”(1948, 1969): búsqueda genética o evolutiva. – “Computing machinery and intelligence”(1950): Introduce el Test de Turing”(juego de imitación) • John von Neumann – “Theory and Organisation of Complicated Automata”(1949) – “The Computer and the Brain”(1958) • Nils Barricelli – "Symbiogenetic Evolution Processes Realized by Artificial Methods“ (1957) • John Holland (el primer PhD oficial en Computación) – Algoritmos Genéticos (1960s) – Adaptation in Natural and Artificial Systems(1975) • John Conway – Juego de la Vida (1970) • Tom Ray – Tierra (90’s): Organismos digitales compiten por tiempo y memoria en la CPU.
  65. 65. Algunos ejemplos concretos: Core War • Juego publicado en mayo de 1984 en Scientific American: dos o más programas, escritos en un lenguaje ensamblador especial llamado Redcode, se enfrentan para conquistar toda la memoria del ordenador. • Se ejecuta en una máquina virtual llamada MARS (Memory Array Redcode Simulator). • Inspirado en Creeper, un programa que se autorreplicaba en memoria hasta desplazar a programas mas útiles (“virus”), y Reaper, creado para buscar y destruir copias de Creeper. • Los programas luchadores se reproducen e intentan corromper el código de los contrarios. • No hay mutaciones.
  66. 66. Algunos ejemplos concretos: Biomorfos • Creados por Richard Dawkins en el tercer capítulo de su libro “The Blind Watchmaker” (El relojero ciego): • Pone de relieve la potencia de las micro- mutaciones y la selección acumulativa. • Biomorph Viewer permite moverse a través del espacio genético (de 9 dimensiones en este caso) e ir eligiendo la forma deseada: El ojo del usuario realiza el papel de selección natural.
  67. 67. Algunos ejemplos concretos: Biomorfos
  68. 68. Algunos ejemplos concretos: Criaturas virtuales de Karl Sims • Creados por Karl Sims en 1994. – Sims hace evolucionar la morfología y el control neuronal de las criaturas. – Fue uno de los primeros en usar un entorno 3D con física simulada en el contexto de las aplicaciones de realidad virtual. – La simulación de las leyes físicas incluye tener en cuenta la gravedad, fricción, detección y respuesta a las colisiones y efectos viscosos de los fluidos (por ejemplo en el agua simulada). – Debido a esta física simulada, estos agentes interactúan de formas inesperadas con el entorno.
  69. 69. Algunos ejemplos concretos: Criaturas virtuales de Karl Sims
  70. 70. Algunos ejemplos concretos: Criaturas virtuales de Karl Sims
  71. 71. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Creado por el biólogo Thomas Ray, inspirándose en el juego “Core Wars”. • Las criaturas están compuestas por una secuencia de instrucciones en un lenguaje ensamblador simplificado que se ejecuta sobre una máquina virtual. • El universo de estas criaturas es un ordenador virtual, y éstas compiten por espacio (memoria en el ordenador) y energía (ciclos de CPU). • La máquina virtual está diseñada con una pequeña tasa de error para permitir mutaciones en la copia de las criaturas, de forma análoga a la mutación natural. • Se añade un programa que se encargue de matar a algunos de los organismos, de forma análoga a las catástrofes naturales.
  72. 72. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Al inicio se sitúa en el universo un único organismo, escrito a mano por Ray, que simplemente se reproduce. Tiene una longitud de 80 instrucciones y tarda 800 ciclos en replicarse. • Cuando el espacio se rellena en un 80%, los organismos comienzan a competir por memoria y por CPU. • Comienzan a surgir mutaciones de 79 instrucciones, y algo más tarde aún menores, debido a que la evolución de los organismos ha comenzado a optimizar el código.
  73. 73. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Surge un organismo de solamente 45 instrucciones y empieza a reproducirse con éxito. 45 instrucciones está bastante por debajo del número mínimo de instrucciones necesarias para la replicación. • Estos organismos coexisten con otros de longitudes superiores a las 70 instrucciones. • Parece haber alguna relación entre el número de organismos cortos y el número de organismos más largos. • Estos organismos cortos no incorporan dentro de ellos el código necesario para su replicación, sino que usan el que tienen los organismos largos de forma parasitaria para su replicación.
  74. 74. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Surge un organismo de gran longitud que ha desarrollado inmunidad a los parásitos, y es capaz de “esconderse” de ellos. • Los parásitos evolucionan hacia una criatura de 51 instrucciones que es capaz de localizar a los organismos inmunes. • Aparecen hiperparásitos que son capaces de explotar a los parásitos. • Estos hiperparásitos comienzan a cooperar entre ellos explotándose mutuamente. • El sistema continúa evolucionando con criaturas con actitudes competitivas y cooperativas, sorprendiendo constantemente a su creador.
  75. 75. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Numerosos anfitriones (rojo) • Aparecen algunos parásitos (amarillo)
  76. 76. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Los parásitos han aumentado mucho. • Los anfitriones en disminución. • Aparecen las primeras criaturas inmunes (azul)
  77. 77. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Los parásitos son desplazados espacialmente. • Las criaturas no resistentes disminuyen aún más. • Las criaturas inmunes aumentan y desplazan a los parásitos.
  78. 78. Algunos ejemplos concretos: El programa Tierra • Los parásitos escasean aún más. • Las criaturas no resistentes continúan disminuyendo. • Las criaturas inmunes son la forma de vida dominante.
  79. 79. Algunos ejemplos concretos: SimLife
  80. 80. Algunos ejemplos concretos: SimLife • Uno de los primeros ejemplos de software de entretenimiento anunciado como basado en investigaciones de vida artificial fue SimLife de Maxis, publicado en 1993. • En esencia, SimLife permite a un usuario observar e interactuar con un ecosistema simulado con un terreno y clima variable, y una gran variedad de especies de plantas, animales herbívoros y carnívoros. • El ecosistema es simulado usando técnicas de autómatas celulares, y hace poco uso de técnicas de agentes autónomos.
  81. 81. Algunos ejemplos concretos: Creatures
  82. 82. Algunos ejemplos concretos: Creatures • Creatures es un juego creado en 1996 para Windows 95 y Macintosh, y que ofrece la posibilidad de relacionarse con tecnologías de vida artificial. • Creatures genera un entorno simulado en el que coexisten varios agentes sintéticos con los que el usuario puede interactuar en tiempo real. Los agentes, que reciben el nombre de Creatures pretenden ser una especie de "mascotas virtuales". • La arquitectura interna de las criaturas esta inspirada por la biología animal. Cada criatura tiene una red neuronal responsable de la coordinación motor-sensorial y de su comportamiento y una bioquímica artificial que simula un metabolismo energético muy sencillo y un sistema hormonal que interactúa con la red neuronal. Un mecanismo de aprendizaje permite ir adaptándose a la red neuronal durante la vida de la criatura.
  83. 83. Algunos ejemplos concretos: FramSticks
  84. 84. Algunos ejemplos concretos: FramSticks • El objetivo es estudiar las capacidades de evolución en condiciones similares a las de la tierra, aunque simplificadas. • Se usa un entorno tridimensional, representación de los organismos mediante un genoma, estructura física (cuerpo) y red neuronal (mente) definidas en el genotipo, ciclo de comportamiento basado en estímulos (entorno – receptores – mente – efectores – entorno), operaciones de reconfiguración del genotipo (mutación, cruce), necesidades energéticas y especialización.
  85. 85. Algunos ejemplos concretos: Darwinbots

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