Il profeta della vita digitale: gli esperimenti di Nils Aall Barricelli

di Roberto Paura, 30/07/2018

Pioniere del machine learning e dello studio di forme di "vita artificiale", Nils Aall Barricelli è uno di quei personaggi che, benché relegati nelle retrovie delle cronache scientifiche, hanno fornito un apporto decisivo per lo sviluppo della ricerca in campi divenuti oggi strategici per il futuro. Roberto Paura, co-fondatore e presidente dell'Italian Institute for the Future, storica firma di Delos Science Fiction e Quaderni d'Altri Tempi, co-curatore con Francesco Verso delle antologie Segnali dal futuro e Antropocene e curatore per CentoAutori della collana Megaverso, in cui è uscito anche il suo ultimo libro Universi paralleli, ci introduce alla sua conoscenza con questo profilo, che segna anche l'inizio della sua collaborazione con la nostra testata.

Agli inizi del 1953, con una lettera firmata da Robert Oppenheimer in qualità di direttore dell’Institute for Advanced Study, giungeva a Princeton l’italiano Nils Aall Barricelli. Ad attenderlo c’era nientemeno che John von Neumann, che allo IAS si stava occupando di accelerare gli sviluppi dell’ancora nascente scienza informatica per mettere a disposizione dello sforzo bellico americano durante la Guerra Fredda uno strumento ancora più potente della bomba atomica, il computer.
Seguendo le ricerche di Alan Turing, von Neumann era impegnato con i ricercatori dello IAS a creare una macchina più potente di quella che, in Inghilterra, il gruppo di Turing aveva usato per decrittare i codici nazisti, allo scopo di calcolare le traiettorie dei missili balistici, il cui sviluppo era diventato decisivo in quel periodo per conservare la superiorità tecnologica sui sovietici. Ma von Neumann aveva anche altre passioni, più teoriche. In quel periodo, alla vigilia del drammatico suicidio di Turing nel 1954, i due matematici erano interessati a esplorare la possibilità di usare quelle nuove enormi macchine zeppe di valvole termoioniche per studiare l’evoluzione della vita attraverso la teoria dell’informazione elaborata qualche anno prima da Claude Shannon e Norbert Wiener. Li chiamavano “meccanismi autoreplicanti”, ossia codici binari in grado di eseguire semplici istruzioni per replicarsi attraverso numerose generazioni riprodotte sul computer.
Non c’è da stupirsi, dunque, che von Neumann fosse ansioso di conoscere Barricelli: “Il lavoro del signor Barricelli sulla genetica, che ho trovato estremamente originale e interessante, richiederà un’enorme attività numerica che potrebbe essere svolta in maniera più vantaggiosa con i calcolatori digitali ad alta velocità di tipo molto avanzato”, scrisse nella lettera di raccomandazione per la borsa Fulbright chiesta da Barricelli per accedere a Princeton. Il “calcolatore digitale ad alta velocità di tipo molto avanzato” era il MANIAC, che aveva una RAM di 5 kilobyte: per i tempi, pura fantascienza.

Barricelli in realtà non era un esperto di genetica, nemmeno di cibernetica (del resto allora nessuno poteva dirsi tale), e nemmeno di climatologia, il tema al quale aveva dedicato la sua tesi di dottorato di oltre 500 pagine, che gli era stato chiesto di ridurre a cinquanta, richiesta rifiutata da Barricelli a costo di non conseguire mai il titolo. Era nato a Roma nel 1912 e aveva studiato fisica con Enrico Fermi. Laureatosi nel 1936, due anni più tardi lasciò l’Italia, lo stesso anno in cui anche Fermi, approfittando del conferimento del Nobel, riparò negli Stati Uniti. Barricelli si trasferì invece in Norvegia con la madre, la scrittrice Marna Aall (il padre, il pittore Maurizio Barricelli, era morto nel 1931). Qui vivevano anche i suoi fratellastri, figli del primo matrimonio tra la madre e il filosofo Kristian Aars, nonché lo zio Anathon Aall, direttore del Dipartimento di Filosofia alla Royal Frederick University. Con una famiglia così intellettualmente dotata, non c’è da stupirsi che Barricelli si dedicasse alle ricerche più svariate, faticando a trovare un proprio ambito di specializzazione. Fino al 1947 lavorò sulla statistica teorica con una borsa del Fondo Nansen, e da quell’anno iniziò a insegnare all’Università di Oslo, pur non essendosi mai addottorato, e mantenendo quindi una posizione di assistente, spaziando dall’analisi della genetica dal punto di vista statistico all’insegnamento della teoria della relatività generale.

Barricelli aveva iniziato a studiare la teoria della simbiogenesi, resa celebre in quegli anni dal botanico russo Boris M. Kozo-Polyansky con il suo testo Symbiogenesis: A New Principle of Evolution pubblicato nel 1924. La simbiogenesi era una teoria dell’evoluzione che metteva in discussione uno degli assunti alla base del darwinismo, ossia la totale casualità del meccanismo di selezione naturale. All’opposto, si suggeriva che lo sviluppo di organismi complessi fosse il prodotto di una simbiosi tra organismi di rango inferiore, in cerca di mutuo vantaggio. Non bisogna dimenticare che la teoria della simbiogenesi possedeva, in quegli anni, anche una precisa valenza politica. L’appropriazione da parte del nazismo e del fascismo del “darwinismo sociale” e della teoria della sopravvivenza del più adatto sul più debole stimolava la ricerca di varianti dell’evoluzionismo che proponessero, all’opposto, un valore aggiunto nella collaborazione tra specie diverse.
Konstantin Merezhkovsky, collega di Kozo-Polyansky, riteneva che le cellule attuali fossero nate dalla simbiosi tra il “micoplasma”, un plasma composto da batteri, funghi, alghe e organelli cellulari, e un “ameboplasma” formato solo dalla parte non-nucleare degli eucarioti moderni. Quando l’ameboplasma iniziò a nutrirsi di micoplasma, quest’ultimo imparò a trasformarsi nel nucleo cellulare che conosciamo anziché venire assimilato. L’idea ritornò in auge a partire dagli anni Sessanta, con gli studi della biologa Lynn Margulis, poi nota per l’ipotesi Gaia sviluppata insieme a James Lovelock, ed è attualmente conosciuta con il nome di “endosimbiosi”. Studi successivi hanno confermato l’ipotesi che i mitocondri siano l’evoluzione di batteri fagocitati da procarioti circa un miliardo e mezzo di anni fa, ed entrati in simbiosi con essi, portando alla nascita degli eucarioti.

Con i suoi esperimenti, Barricelli voleva provare la teoria dei simbio-organismi, ossia la possibilità che strutture auto-riproducibili (e quindi “viventi” nel senso più elementare del termine) potessero dar vita a organismi complessi in seguito ad associazione simbiotica. Per farlo, pensò di ricorrere ai numeri, attraverso i quali simulare i geni e verificare se, nel corso di più generazioni, l’incrocio tra di essi attraverso scambio di materiale ereditario permettesse lo sviluppo di simbio-organismi, ossia di organismi più complessi per tramite di processi di associazione utilitaria. Non potendo accedere a computer, Barricelli iniziò i suoi esperimenti con la carta millimetrata. Si trattava di scrivere, su una prima riga, alcuni numeri casuali, e definire le regole per la loro riproduzione nelle righe sottostanti (ciascuna riga rappresenta una nuova generazione).
Le regole che Barricelli immaginò sono le seguenti: 1) un numero n si ripete nella riga sottostante, spostato di n caselle a destra se n è positivo, o n caselle a sinistra se n è negativo rispetto alla sua posizione nella riga superiore; 2) se un numero n finisce nella riga successiva sotto una casella occupata da un numero diverso m, allora si riproduce nel modo seguente: il numero n viene scritto nuovamente nella stessa riga ma spostato di m caselle a destra se m è positivo, o di m caselle a sinistra se m è negativo, rispetto alla posizione che n possedeva nella riga precedente. In questo modo, spiega Barricelli, si rende possibile “la riproduzione di un elemento numerico solo quando ne sono presenti degli altri da esso differenti” rendendo pertanto “necessaria l’associazione utilitaria (simbiosi) di elementi numerici diversi onde rendere possibile la riproduzione”. 3) C’è infine una terza regola, quella per le mutazioni. Se due o più numeri finiscono in una stessa casella, si escludono a vicenda e si segna una X, a meno che non siano uguali e allora se ne lascia uno. Tuttavia, se la X finisce sotto una casella vuota, allora viene sostituita da un nuovo numero uguale alla distanza tra i più vicini numeri a destra e a sinistra (positivo se i due numeri hanno lo stesso segno, altrimenti negativo).

















Fig. 1 Un esempio di auto-riproduzione finalizzata alla dimostrazione della teoria dei simbio-organismi.

Negli esperimenti con carta millimetrata, Barricelli poté osservare così l’apparizione di strutture complesse formate da più numeri (geni) che si ripetono nelle generazioni successive, da lui definiti “simbio-organismi” perché nati dalla simbiosi tra numeri diversi per riproduzione (fig. 1). Verificò anche l’apparizione di parassiti, ossia strutture che sopravvivono solo finché l’organismo di partenza perdura nel corso delle generazioni: per esempio, partendo da una sequenza casuale di numeri 1 e -1, in un esperimento si presentò una specie (1, -2, 1, 1, -2, X, 1, -2, 1, 1, -2, X…) in grado di replicarsi fintanto che la struttura di partenza 1, -1 si conservava.
La carta millimetrata era, tuttavia, uno strumento limitato. Non solo per la possibilità di errori e per la lentezza della riproduzione delle generazioni con carta e penna, ma per il semplice fatto che non si poteva sperare di proseguire per più di qualche centinaio di generazioni. Per ottenerne migliaia, e valutare così possibili dinamiche evolutive, occorreva un computer. Il MANIAC di Princeton era lo strumento ideale. Il 3 marzo 1953, nei laboratori dello IAS, Barricelli poté finalmente sviluppare i suoi esperimenti in un “universo” digitale di appena 5 kilobyte, composto da righe di 512 caselle estendibili verticalmente all’infinito, ciascuna occupata o meno da un numero (compreso tra -18 e 18), inizialmente scelto a caso da un mazzo di carte e tradotto in codice binario. Il più lungo esperimento poté creare ben 5.400 generazioni per più di 80 ore-macchina impiegate. Colorando in modo diverso ciascuna specie, gli universi di Barricelli diventavano straordinarie opere d’arte astratta che dimostravano quanto a lungo una specie era in grado di sopravvivere (fig. 2).

















Fig. 2 Un esempio di simulazione al computer degli universi di Barricelli. Colori diversi denotano specie diverse. Ogni riga corrisponde a una generazione.

A suo dire, gli esperimenti dimostravano che “la mutazione e la selezione, da sole, sono insufficienti a spiegare i fenomeni evolutivi», e che lo sviluppo di specie complesse nel corso delle diverse generazioni fosse il risultato della simbiogenesi. La riproduzione sessuale, secondo Barricelli, non sarebbe che un miglioramento introdotto successivamente rispetto «all’originale capacità dei geni di cambiare organismi ospite e ricombinarsi”. Rientrato a Oslo, scrisse entusiasticamente a von Neumann: “Nessun processo evolutivo è mai stato osservato prima degli esperimenti di Princeton. Gli organismi che apparivano nei precedenti esperimenti non avevano mai sostenuto alcun cambiamento. Solo a Princeton gli organismi si sono dimostrati capaci di sostenere il processo evolutivo”. Era probabilmente un modo per assicurarsi un secondo invito: e in effetti Barricelli ritornò allo IAS nel 1954, per ovviare a un problema che affliggeva i primi esperimenti. All’inizio, dopo solo poche centinaia di generazioni si raggiungeva un’omogeneità, ossia una ripetizione identica della stessa specie fino a occupare l’intero “universo”, o una totale assenza caotica di struttura. Ritornando a Princeton, Barricelli sperimentò una variante, dividendo le 512 caselle in quattro settori, ciascuno con due regole di mutazione in comune con gli altri e la terza invece diversa. Ciò permise di evitare il problema dell’omogeneità e proseguire con lo sviluppo e l’interazione tra specie diverse per migliaia di generazioni, teoricamente all’infinito.
Barricelli iniziò a porsi delle domande. “La possibilità di produrre processi di evoluzione in base agli stessi principi che regolano l’evoluzione biologica, ma partendo da elementi autoriproduttivi di natura qualsiasi, solleva la questione se gli organismi numerici ed eventualmente altri organismi che possono essere sviluppati in simili processi di evoluzione siano anche da considerarsi come organismi viventi”, scrisse nel suo articolo su Civiltà delle macchine nel 1955 in cui, in forma divulgativa, dava conto al pubblico italiano degli esperimenti condotti a Princeton:

Che si voglia o no riconoscerli come organismi viventi ciò potrà in definitiva essere una questione di definizione. Volendo scegliere una definizione molto comprensiva si potrebbe considerare come vivente ogni organismo capace di riprodursi e di subire cambiamenti ereditari. Con questa definizione sarebbero viventi non solo i virus e i geni, ma anche gli organismi numerici e gli elementi numerici che li compongono.

Tuttavia, era indubbio che gli “organismi numerici” non mostravano capacità superiori a quelle della mera capacità di riproduzione e adattamento in base alle regole stabilite dal programmatore. Avrebbero potuto rivelare capacità intellettive? Per verificarlo, Barricelli pensò di adattare al suo esperimento le regole di un gioco inventato dal matematico danese Piet Hein di cui aveva letto in un articolo divulgativo pubblicato nel 1958 su Scientific American. Il gioco, chiamato TacTix, giocato su una griglia 12x12, prevede che i due giocatori tolgano a turno un certo numero di elementi a piacere dalla griglia, ma solo in una colonna o in una riga specifica; chi toglie l’ultimo pezzo, perde. Usando calcolatori IBM 704 all’Università di New York, al Brookhaven National Laboratory e infine alla Vanderbilt University a Nashville, tra il 1959 e il 1960 Barricelli “addestrò” i suoi organismi numerici a giocare a TacTix attraverso quella che forse è stata la prima applicazione del machine learning alla base dell’attuale età dell’oro dell’intelligenza artificiale: attraverso successive generazioni e mutazioni, i simbio-organismi riuscirono nel 1963, su un calcolatore Atlas dell’Università di Manchester, a sviluppare subroutine di gioco tali da imitare quelle di un giocatore umano principiante.
Alla Vanderbilt University, Barricelli entrò nel gruppo di August Doermann, impegnato nello studio dei batteriofagi. Si trattava di un campo di studio perfetto per verificare la teoria della simbiogenesi: batteriofagi come il T4, studiato dal gruppo di Doermann, utilizzano i batteri per replicarsi, iniettando al loro interno il proprio acido nucleico; un meccanismo risalente probabilmente alle epoche precedenti alla nascita degli eucarioti. Sfruttando un IBM 7094 (di generazione successiva al precedente) messogli a disposizione dall’Università di Washington, Barricelli poté confrontare il comportamento dei suoi simbio-organismi digitali con quello dei batteriofagi in coltura. A Washington collaborò con Robert Toombs, uno studente del Dipartimento di Genetica, e con John Reed all’Università di Oslo, per simulare processi di auto-adattamento. Riuscirono a creare una popolazione di ben 10.000 organismi digitali, istruendoli a giocare a un semplice gioco di carte simile al poker. Anche in questo caso, in diversi esperimenti fu possibile osservare lo sviluppo di strategie ottimali di gioco nel corso del processo evolutivo simulato.

Ma presto le fortune di Barricelli iniziarono a calare. La sua eccessiva interdisciplinarietà e i suoi programmi di ricerca ben al di fuori degli schemi consueti resero difficile cercare nuove fonti di finanziamento. Nel 1969 rientrò a Oslo, dove fino alla morte rimase un assistente non stipendiato all’Istituto di Matematica dell’università. Si concentrò su ricerche sempre più eterodosse, come la messa in discussione del teorema di incompletezza di Gödel, negli anni Ottanta, e sviluppò un linguaggio logico per realizzare una sorta di macchina di Turing universale, che chiamò B-Matematica (la “B” sta per Barricelli).
Diversi suoi articoli pubblicati negli anni Ottanta riguardano la formazione dei pianeti e argomenti di astrofisica: in uno di essi spiegava perché Phobos, il satellite di Marte, fosse un ottimo candidato per una missione di esplorazione interplanetaria; nell’ultimo suo contributo pubblicato su rivista, nel 1991, propose che la soluzione del problema dei neutrini solari, che oggi sappiamo essere dovuto al fenomeno dell’oscillazione dei neutrini (in base al quale alcuni neutrini emessi dal Sole, lungo il loro percorso verso la Terra, assumono proprietà differenti), consistesse nel fatto che esistono più tipi di neutrino, ciascuno con diversi gradi di assorbimento rispetto alla materia, per cui alcuni di essi finirebbero assorbiti dal Sole prima di raggiungere la Terra.
Continuò comunque alla fine a interessarsi al tema della vita artificiale, divenuta nel frattempo una vera e propria disciplina e arricchitasi dei contributi postumi dello stesso von Neumman, il cui studio sugli automi cellulari Theory of Self-Reproducing Automata (in cui Barricelli non è citato nemmeno una volta) uscì nel 1966 grazie alla curatela di Arthur Burks, e di applicazioni informatiche più sofisticate, come il celebre Gioco della vita di John Conway, sviluppato nel 1970, fino ad arrivare al “Workshop on the Synthesis and Simulation of Living Systems” organizzato dall’informatico Christopher Langton nel 1987 ai Laboratori Nazionali di Los Alamos, in cui il termine artificial life fu ufficialmente coniato.

Eppure, quando il giornalista scientifico Robert Hackett chiese qualche anno fa a Mark Bedau, editor della rivista Artificial Life, cosa sapesse dirgli di Barricelli, la risposta fu: “Non ho mai sentito parlare di lui se devo dirle la verità”. Il suo nome è tornato in auge in anni recenti grazie al lavoro di George Dyson, storico della scienza e figlio del celebre fisico Freeman Dyson, che ha riconosciuto un ruolo determinante di Barricelli negli studi sull’intelligenza artificiale nei suoi libri Darwin Among the Machines (1997; in italiano L’evoluzione delle macchine, 2000) e La cattedrale di Turing (2012). È stato ancora Dyson, in alcune conferenze tenute in Italia quando è stato invitato a presentare i suoi libri, a puntare i riflettori sulla figura di questo scienziato in bilico tra genialità ed eterodossia, morto nel 1993 a 81 anni. La sua progenie è ora quella degli automi cellulari studiati dagli esperti di vita artificiale in tutto il mondo, come quelli di Stephen Wolfram, che nel suo controverso A New Kind of Science (2002) ha cercato di dimostrare che tutte le strutture complesse, inclusa la vita intelligente, sono riconducibili a tipologie diverse di automi cellulari. Esisterebbe quindi una relazione tra le simulazioni informatiche della vita digitale e la vita qui fuori; una risposta, forse, alla domanda che Barricelli si poneva riguardo i suoi simbio-organismi digitali: “Rappresentano l’inizio, o un particolare tipo di forme di vita aliena? Sono soltanto modelli?”.

Bibliografia
Nils Aall Barricelli, 5.400 generazioni, in Civiltà delle Macchine, vol. 3 n. 3, maggio-giugno 1955.
George Dyson, L’evoluzione delle macchine. Da Darwin all’intelligenza globale, Raffaello Cortina, Milano, 2000.
George Dyson, La cattedrale di Turing. Le origini dell’universo digitale, Codice, Torino, 2012.
David B. Fogel, Nils Barricelli – Artificial Life, Coevolution, Self-Adaptation, in IEEE Computational Intelligence Magazine, n. 1, febbraio 2006.
Alexander R. Galloway, The Computational Image of Organization: Nils Aall Barricelli, in Grey Room, n. 46, inverno 2012.
Robert Hackett, Meet the Father of Digital Life, in Nautilus, n. 14, giugno 2014.

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