Vida Artificial

1. Vida Artificial Guía del Autoestopista de la Computación Natural Mario Hernández

2. Computación Natural (CN) El Universo de Aproximaciones a la Optimización Global que integra las técnicas computacionales inspiradas, en general, en la naturaleza y en particular, en la“vida” CN  “Imitación a la Vida” O como para resolver problemas científico-tecnológicos hacemos uso de las experiencias acumuladas en el gran laboratorio de la naturaleza, “chupando rueda” de ella.

3. CN Optimización basada en la naturaleza Inteligencia Computacional (IC) Vida Artificial (ALife) Ciencia de los Sistemas Complejos (CC) Geometría Fractal (GF)

4. Vida Artificial ¿? “Si quieres hacer una tarta de manzana de la nada, debes crear primero el universo” Carl Sagan (1934-1996)

5. Vida Artificial (AL, VA, Alife) La Vida Artificial es la Vida hecha por el Hombre, en vez de por la Naturaleza La Vida Artificial se suele definir como la ciencia que trata de situar la vida "tal como es" dentro del contexto de la vida "tal como podría ser“. (Christopher Langton)

6. Vida Artificial (II) • Esta definición la sitúa claramente dentro de las Ciencias de la Vida, y al lado de la Biología. • Es decir, la Vida Artificial estudia la Vida como un fenómeno universal, del cual, por el momento, solo se conoce un ejemplo: la vida en la Tierra. • ¿Es este el único tipo de vida posible, o la vida en la Tierra se trata de un "accidente congelado"?. Para ello, por medios teóricos y computacionales, se estudia lo que es común a todos los seres vivos.

7. Vida Artificial (III) • En teoría, la Biología es la ciencia que estudia la vida, en principio cualquiera. • En la práctica, la Biología es la ciencia que estudia la vida en la Tierra, basada en la química de las cadenas de carbono, por otro lado, el único tipo de vida que disponemos para el estudio. • Desde un punto de vista teórico, la biología se ha encontrado con el obstáculo fundamental de que resulta imposible derivar principios generales a partir de ejemplos muy particulares.

8. Vida Artificial (IV) • Sin otros ejemplos, resulta difícil distinguir las propiedades esenciales de la vida (es decir, aquellas que deben ser compartidas por cualquier organismo vivo) de aquellas otras que pueden ser meramente accidentales, pero que son universales en la vida en la tierra, debido solamente a una combinación de accidentes históricos locales y ascendencia genética común.

9. Vida Artificial (V) • Para derivar teoría generales sobre la vida se precisa un conjunto suficiente casos para poder generalizar. Dada la ausencia de otros ejemplos (no conocemos a ningún alienígena), la única opción de la que disponemos es crear Vidas Alternativas. • Alife:nueva disciplina que estudia la vida natural intentando recrear fenómenos biológicos en los computadores y otros medios artificiales (“from scratch”)

10. Aproximaciones al Estudio Científico • Aproximación Analítica: • Clasica en todas las ciencias experimentales • Se realizan experimentos en sistemas naturales existentes y se analizan los resultados con el objetivo de desarrollar un modelo que prediga futuros experimentos • Aproximación Sintética: • Construir sistemas artificiales que reproducen ciertos aspectos de los sistemas naturales • El enfoque se mueve desde el modelado correcto y la obtención de resultados precisos en los experimentos hacia la comprensión de porqué se onbtienen los resultados. • “Comprensión por Construcción (Understanding by Building)” Dos : No contradictorias sino mutuamente complementarios

11. Vida Artificial (V) • Biología: estudio de la vida con una aproximación analítica “la vida como es” • Alife: estudio de la vida con una aproximación sintética “la vida como podría ser” En vez de estudiar los fenómenos biológicos aislando organismos vivos y estudiándolos, se tiende a juntar sistemas que se comportan como organismos vivos, estudiando como evolucionan.

12. En resumen • ALife es el estudio de sistemas artificiales que se comportan como vivos. Es un intento por explicar la vida en cualquiera de sus manifestaciones posibles, sin restricción a los ejemplos particulares que evolucionaron en la Tierra. • Vida Artificial es diseño y construcción de seres creados por humanos. Su material de construcción es la materia inorgánica, y su esencia es la información: las computadoras son el horno de donde la VA emerge. Vita in silico. • La típica simulación de Vida Artificial consiste en grandes números de pequeñas criaturas que deambulan por su mundo y actúan por su cuenta. Cada individuo tiene un conjunto de reglas a las cuales obedece.

13. En resumen (II) • ALife es mímesis de la biología, aunque los biólogos todavía no lo sepan. Es una vía para explorar el modo en que los sistemas complejos exhiben auto-organización, adaptación, evolución, co-evolución, metabolismo y cosas similares • Construimos zoológicos hechos de químicas artificiales. De este zoológico esperamos encontrar algunos principios generales a partir de los cuales podamos cosas reales. • Síntesis biológica y síntesis artificial. La Vida Artificial conduce a la práctica de la 'biología sintética' y, por analogía con la química sintética, el intento para recrear los fenómenos biológicos en medios alternativos resultará no sólo en una comprensión mejor de los fenómenos bajo estudio, sino también en aplicaciones prácticas de principios biológicos en la tecnología del hardware y software para las computadoras, en robots móviles, en naves espaciales, en medicina, en nanotecnología, en la fabricación y ensamblaje industrial, así como en otros proyectos vitales de ingeniería.

14. En resumen (III) • Vida Artificial e Ingeniería Genética. La Vida Artificial es algo completamente diferente a la ingeniería genética. Esta última usa ‘vida húmeda', es decir: el ADN de la materia orgánica, completamente evolucionada como su punto de partida. Los científicos de la VA están ideando las vías mediante las cuales se puedan generar, evolucionar y observar sistemas vivos reales.

15. ¿Qué es la Vida?

16. ¿Qué es la Vida? • Para estudiar la vida como podría ser se debe primero intentar entender qué es la vida (al menos como la entendemos). • Concepto de difícil definición • La abstracción es complicada, dado que el conjunto de ejemplos de los que se dispone son los que corresponden a la química del carbono.

17. ¿Qué es la Vida? Diccionario Oxford: “Estado de actividad funcional y cambio contínuo peculiar a los animales y plantas antes de la muerte, existencia animada”

18. ¿Qué es la Vida? • Otras definiciones: • Condiciones que distinguen a los animales y las plantas de los objetos inorgánicos y animales y plantas muertos y que se manifiesta por el crecimiento a través del metabolismo, la reproducción y la capacidad de adaptación al entorno a través de cambios originados internamente. • La suma de fenómenos distintivos de animales y plantas

19. ¿Qué es la Vida? Otras definiciones: de Newton Magazine edición italiana, en un reportaje titulado "Segnali di Vita Aliena" (Señales de Vida Alienígena), Junio 2001: • Haboku Nakamura - Biology Institute, Konan University, Kobe, Japan:“Los seres vivios son sistemas que tienen tres características simultáneas: son autosoportados, se autoreproducen y evolucionan en su interacción con el entorno” • André Brack - Centre for Molecular Biophysics of CNRS, France: “ La vida es un sistema químico capaz de replicarse a si mismo mediante autocatálisis y de cometer errores que incrementan gradualmente la eficiencia de la autocatálisis”

20. ¿Qué es la Vida? • Sidney Fox - South Alabama University, USA:“Los seres vivos son cuerpos formados por una o más células que se comunican con el entorno a través de transferencia de información efectuada mediante impulsos eléctricos o sustancias químicas, capaces de evolución morfológica, metabolismo, crecimiento y reproducción” • Camilo J. Cela-Conde - Dept. of Philosophy, University of Baleares:“Los seres vivos son seres capaces de elaborar información de manera que en la secuencia estímulo ambiental-construcción de conocimiento-respuesta motora, los resultados posibles en función de las entradas no se pueden predecir mecánicamente”

21. ¿Qué es la Vida? • Como hemos visto, se carece de una definición ampliamente aceptada • Se precisa una identificación más específica • Comencemos describiendo las formas de vida que hay en la tierra y analizando los elementos comunes entre ellas y diferenciales con lo no vivo.

22. ¿Qué es la Vida? Los científicos actualmente reconocen cuatro grupos de entidades biológicas: • Arquea • Bacteria • Eukariota • Virus

23. ¿Qué es la Vida? • Arquea – (arqueobacterias) grupo de organismos unicelulares recientemente descubiertos, similares a las bacterias, wepro bioquímica y genéticamente diferentes. Viven en habitats extremadamente hostiles (salinas, conos volcánicos submarinos, manantiales calientes, etc…).

24. ¿Qué es la Vida? • Bacteria –organismos unicelulares simples, generalmete sin clorofila (excepción: las cianobacterias). Células de tipo procariota. Obtienen su energía para la superviviencia “rompiendo” la materia orgánica mediante fermentación y respiración. Algunas como Rhizobium spp. y las cianobacterias juegan un papel importante en la fijación del nitrógeno admosférico, fundamental para los ecosistemas, dado que este es básico para el crecimiento de animales y plantas.Los fósiles de seres vivos más antiguos en la Tierra son bacterias.

25. ¿Qué es la Vida? • Eucariota – organismos con un tipo de célula eucariota. Incluye los reinos Protista, Fungi, Animalia, and Plantae. Protista: organismos eucariotas principalmente unicelulares, aunque los hay multicelulares

26. ¿Qué es la Vida? • Viruses – fragmentos de DNA o RNA que dependen de células huesped a las que infectan para su reproducción. No son células. Se piensa que son partes del código genético que se originaron de células eucariotas o procariotas. Estos fragmentos de código contienen suficiente información genética para su autoexistencia. • A veces los víruses son metabólicamente inertes y técnicamente no vivos. Los víruses causan una amplia variedad de enfermedades en organismos eucariotas. Pe en los humanos pueden causar viruela, varicela, herpes, polio, ébola SIDA, rabia y algunos tipos de cancer.

27. ¿Qué es la Vida? Los tipos principales anteriores de entidades biológicas comparten algunas características únicas que pueden permitirnos distinguirlas de los seres no vivos. Estas características son:

28. ¿Qué es la Vida? • Complejidad y Organización: Los organismos tienden a ser complejos y altamente organizados. Los elementos químicos de sus cuerpos se sintetizan mediante procesos metabólicos a estructuras con propósitos definidos. • Metabolismo: Los organismos tienen la habilidad de tomar la energía del entorno y transformarla de una forma a otra • Homeostasis: los organismos tienden a autoregular sus cuerpos y otras estructuras internas a ciertos parámetros normales

29. ¿Qué es la Vida? • Reproducción: los seres vivos se reproducen (sexual o asexualmente) haciendo copias de ellos mismos. La reproducción sexual implica la fusión del material genético de los intervinientes, lo que implica la generación de una mayor diversidad genética. • Crecimiento y desarrollo: los seres vivos tienden a crecer y desarrollarse lo que implica la conversión de los materiales consumidos en biomasa, nuevos individuos y gasto energético. • Adaptación y evolución: la vida se adapta y evoluciona en pasos en sincronía con los cambios del entorno exterior a través de mutaciones y selección natural. Este proceso se produce en el transcurso de largos periodos de tiempo

30. ¿Qué es la Vida? • La vida en el planeta aparece en tan amplia variedad que no hay clarificación general de la misma, aunque existen diversas definiciones describiéndola desde diversos puntos de vista: • Fisiológico • Metabólico • Bioquímico • Genético • Termodinámico • Todas juntas permiten cubrir las formas de vida conocidas en la tierra.

31. ¿Qué es la Vida? • Fisiológico: Los sistemas vivos son capaces de realizar funciones como: comer, metabolizar, excretar, respirar, moverse, crecer, reproducirse y responder a estímulos externos. • Metabólico: los sistemas vivos son objetos con límites definidos, distinguibles de su entorno y que intercambian material con él sin alterar sus propiedades generales.

32. ¿Qué es la Vida? • Bioquímico: los sistemas vivos contienen información hereditaria reproducible codificada en moléculas de ácidos nucléicos (DNA/RNA) denominadas genoma que controlan la producción de enzimas, que a su vez controlan las reacciones metabólicas químicas. • Genético: los seres vivos son capaces de evolución por selección natural. La vida se ve al nivel de poblaciones constituidas por unidades (los organismos) capaces de reproducirse y transferir genes a la próxima generación, siendo posible la entrada de nueva información al sistema a través de, por ejemplo, mutaciones. Si un gen mutado mejora las cualidades de un organismo, este tiene mejores oportunidades para sobrevivir y distribuir sus nuevos genes en la población a través de la reproducción.

33. ¿Qué es la Vida? • Termodinámico: un sistema vivo se define como un sistema abierto con flujo entrante y saliente de energía y materia desde y hacia su entorno y con un continuo incremento en el orden del sistema.

34. Vida: Resumen de Propiedades • Metabolismo: toma ciertos materiales del entorno y excreta otros, mecanismo por el que ganan la energía necesaria para su supervivencia • Autorreproducción: se multiplican y transfieren información hereditariamente • Autorrepresentación: almacena información que le representa a si mismo • Reactividad: a los impulsos externos • Evolución, Adaptación: puede cambiar a largo plazo por influencia del entorno Crecimiento: incremento de tamaño • Movimiento • Orden creciente: autoestructuración • Autonomía • Forma distinguible: en tiempo y espacio • Coherencia de las partes: dependen unas de otras

35. ¿Qué es la Vida? • Quizás la característica más útil en ciertos aspectos sobre la cual basar la definición de vida es la de posibilidad de generar descendencia con modificaciones: es decir, la habilidad de una vida de producir descendencia que son como ella, pero que puede tener la posibilidad de variaciones aleatorias. • Esta característica en solitario eresulta suficiente para permitir la evolución, asumiendo que la variabilidad en la descendecia posibilita la supervivencia diferencial. • El estudio de esta forma de herencia se denomina genética, y en todas las formas de vida, a excepción de los priones, el material genético es principalmente DNA o la molécula relacionada RNA.Otra excepción la constituyen el código genético de ciertas formas de viruses y programas creados a través de programación genética, pero si los programas de computador pueden estar vivos incluso con esta definición es aún un asunto de cierta prevención.

36. Autopoiesis

37. Autopoiesis (I) Frog with fly in pond at one.Both in becoming. [Scríofa le 16ú Iúl 2001] El haiku anterior celebra la emergencia del concepto de autopoiesis, una palabra acuñada por Maturana & Varela en 1972 (aprox.) para describir la coevolución mútua esencial de la rana y la mosca.

38. Autopoiesis (II) Término combinado de dos partículas griegas: • auto- • y poiesis – creación, producción 1972 (Cf. Maturana & Varela, 1980, p. xvii). La voz se traduce normalmente como “autocreacción” o “autoproducción”. Originalmente se la entendió como “autoproducción” u “organización homeostática” Autopoiesis es un constructo abstracto conocido solamente en relación a una máquina / sistema de una constitución particular que mantiene su carácter clave constitutivo a lo largo del tiempo.

39. Autopoiesis (III) • Se relaciona originalmente, no como un proceso sino con la dinámica por la cual una máquina o sistema (autopoiético) mantiene su organización (autopoiética) a través de procesos intrínsecos de producción de componentes, reparación y mantenimiento. • De manera más específica, se atribuye a una máquina (concebida como una red de procesos) autopoiética que produce los componentes que: • Regenera contínuamente la red de procesos a través de sus interacciones y relaciones. • Constituye una unidad en el espacio-tiempo en la que existen los componentes especificando el dominio topológico de su realización como tal red. (Varela, 1979)

40. Autopoiesis: “Autoproducción” u “Organización Homeostática” • “Lo que hace a un sistema autopoiético una unidad con identidad e individualidad es que todas las relaciones de producciónm están coordinadas en un sistema que posee una organización invariante. • En tal sistema cualquier deformación en cualquier lugar se compensa manteniendo la organziación constante como resulta definida por la relación de las producciones que constituyen la autopoiesis. • La única cosa que define la celda como una unidad (como un individuo) es su autopoiesis y, por tanto, la única restricción que se pone a la existencia de la célula es el mantenimiento de la autopoiesis.” (Varela, 1979)

41. Máquina Autopoiética (I) Es un sistema perteneciente a la clase de los sistemas autónomos que cumple el requerimiento de estar organizado (como una unidad) como una red de procesos de producción, transformación y destrucción de componentes, que produce los componentes que: • A través de sus interacciones y transformaciones regeneran y realizan la red de procesos (relaciones) que los produce • Conntituye una unidad concreta en el espacio en el que existen, especificando el dominio topológico de sus realizaciones como tal red. (Maturana & Varela, 1980, Varela, 1979)

42. Máquina Autopoiética (II) • Cualquier unidad que que cumpla estas especificaciones es una máquina o sistema autopoiético y cualquier sistema autopoiético existente en e lespacio físico es una estructura viva. • La sustanciación particular de una cierta unidad (su estructura) no es factor suficiente para hacer el sistema “vivo”. La característica clave de un sistema vivo es el mantenimiento de su organización, es decir, la preservación de la red relacional que la define como una unidad sistémica. • Dicho de otra manera, los sistemas autopoiéticos operan como sistemas homeostáticos que tienene su propia organización como la variable crítica fundamental que ellos mantienen constante activamente. (Maturana, 1975, p. 318)

43. Criterios para determinar si una máquina es Autopoiética Varela, Maturana & Uribe (*) dan un conjunto resumido de seis criterios para determinar que una máquina es autopoiética. Se puede proceder paso por paso para evaluar la autopoiésis en una cierta unidad: (Autopoiesis Checklist) (*) Varela, Maturana & Uribe“Autopoiesis: The organization of living systems, its characterization and a model”, BioSystems, Vol. 5 (1974), pp. 187-196.

44. Autopoiesis Checklist (1) Paso 1: Determinar si la unidad tiene límites identificables (vía interacciones con ella) • ¿Es discreta? • ¿Posee extensión? • ¿Se puede circunscribir? • ¿Se puede especificar donde concluye y donde comienza su entorno? Si es así, ir al paso #2 Si no PARAR y afirmar “La unidad es indescribible y no podemos decir nada en ese sentido”

45. Autopoiesis Checklist (2) Paso 2: ¿Hay elementos constitutivos de la unidad? • ¿Puede verse como un conjunto de partes? • ¿Estas partes constituyen el todo? Si es así, ir al paso #3 Si no PARAR y afirmar “La unidad posee un todo no analizable, y por tanto no es autopoiética”

46. Autopoiesis Checklist (3) Paso 3: Determinar si la unidad es un sistema mecanístico, es decir, las propiedades componentes son capaces de satisfacer ciertas relaciones que determinan en la unidad las interacciones y transformaciones de esos componentes. • ¿La unidad es como es a causa de las interrelaciones de sus componentes y no simplemente a causa de las propiedades de los componentes individuales? • “En una explicación mecanística, el observador acepta explícita o implícitamente que las propiedades del sistema a ser explicado son generadas por relaciones de los componentes del sistema y no pueden encontrarse en las propiedades de esos componentes” (Maturana, 1978) • “En una explicación mecanística, resultan necesarias las relaciones entre componentes ...” (Maturana, 1978, p. 30) Si es así, ir al paso #4 Si no PARAR y afirmar “La unidad no es autopoiética”

47. Autopoiesis Checklist (4) Paso 4: Determinar si "...los componentes que constituyen los límites de la unidad constituyen esos límites mediante relaciones preferenciales de vecindad e interacciones entre ellas, como resulta determinado por sus propiedades en el espacio de sus interacciones” • ¿Los componentes de los límites aparentes participan en esos límites como resultado de sus interrelaciones e interacciones? • ¿Los componentes de los límites aparentes son discernibles como tales a causa de su participación en los procesos de la unidad compuesta? Si es así, ir al paso #5 Si no PARAR y afirmar “"... No se dispone de una unidad autopoiética, porque estás determinando sus límites, no la unidad en si misma.”

48. Autopoiesis Checklist (5) Paso 5: Determinar si “...los componentes de los límites de la unidad se producen por las interacciones de los componentes de la unidad, o transformaciones de componentes previamente producidos, o por transformaciones y/o acoplamientos de elementos no componentes que entran a la unidad a través de sus límites” • ¿Los componentes de los límites aparentes los producen los procesos internos de la propia unidad? • ¿La unidad genera los componentes de sus límites aparentes, o a partir de componentes existentes o mediante la acreción desde el entorno de los elementos apropiados? Si es así, ir al paso #6 Si no PARAR y afirmar “No se dispone de una unidad autopoiética”

49. Autopoiesis Checklist (6) • Paso 6: “...todos los restantes componentes de la unidad se producen por las interacciones de sus componentes, como en 5, y si esos que no resultan producidos por las interacciones de otros componentes participan como componentes constitutivos permanentes necesarios en la producción de otros componentes...” • ¿Todos los componentes de la unidad resultan producidos por sus componentes realizando procesos dentro de la misma unidad? • ¿Todos los componentes de la unidad participan en la producción de sus componentes? Si es así, afirmar “...se dispone de una unidad autopoiética en el espacio en el cual existen sus componentes.” Si no PARAR y afirmar “... Hay componentes en la unidad no producidos por componentes de la unidad como en 5, o s hay componentes de la unidad que no participan en la producción de otros componentes, así que no se dispone de una unidad autopoiética”

50. Emergencia