Кого считают "отцом" искусственной жизни? Какова структура клеточных автоматов Джона фон Неймана? В чем состоит проблема цифровой стерильности? Как развивается это направление сегодня? О концепции клеточных автоматов, проблеме цифровой стерильности и эволюции программ рассказывает кандидат физико-математических наук Михаил Бурцев.




В современной науке существует направление исследований со странным названием artificial life, что на русский язык можно перевести как «искусственная жизнь». Это направление находится на стыке биологии, математики, компьютерных, социальных и гуманитарных наук, и в большей степени связано с эволюцией во всех ее проявлениях, начиная от эволюции в самоорганизующихся химических реакциях и заканчивая эволюцией языка и социальных отношений.


Можно сказать, что исследования, которые могут быть отнесены к области искусственной жизни, начались в середине прошлого века. Их отцом можно назвать Джона фон Неймана, известного математика, одного из теоретиков, создавших современную компьютерную архитектуру. В конце жизни его интересовали вопросы, связанные с возможностью самовоспроизведения машин. Мы знаем, что живые организмы могут самовоспроизводиться и эволюционировать ― изменяться, становиться все более сложными. В середине прошлого века с появлением компьютеров возник вопрос: а можем ли мы создать самовоспроизводящиеся сущности, но на совершенно другом носителе? Мы знаем правила биологической эволюции, будут ли они работать, если мы их перенесем на другой носитель? Джон фон Нейман, заинтересовавшись этим вопросом, сформулировал условия, которые необходимы для воспроизведения произвольной системы.


Теория самореплицирующихся систем постулирует необходимость наличия следующих компонентов для осуществления самовоспроизведения:

1) описания самой самовоспроизводящейся системы;

2) устройство для копирования описания;

3) устройство для построения системы по ее описанию.

Поразительно, что теория саморепликации, представленная фон Нейманом в 1948 году за 5 лет до открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК, отлично подходит для описания репликации клетки: 1) в клетке есть ДНК ― это инструкция о том, что из себя представляет клетка, 2) есть машина для репликации ДНК и 3) есть рибосомы, которые позволяют синтезировать белки, из которых клетка состоит. То есть все части, которые теоретически должны присутствовать в самовоспроизводящемся автомате, присутствуют в живой клетке.


Фон Нейман не только открыл принципы самореплицирующихся систем, но и предложил конструкцию самореплицирующейся системы на основе формализма клеточных автоматов.

Клеточный автомат представляет собой поле, разделенное на клетки. Каждая клетка поля может находиться в одном из некоторого множества состояний. Изменение состояния каждой клетки подчинено одним и тем же правилам, учитывающим собственное состояние клетки и состояния каких-то из ее соседей. Задав правило и начальное распределение состояний по клеткам поля, мы можем получить динамику изменений состояний этого автомата.

Несмотря на то, что правила для самореплицирующегося клеточного автомата с 29 состояниями были предложены фон Нейманом в середине ХХ века, первая реализация появилась лишь 50 лет спустя, и в последние годы было исследовано еще несколько альтернативных вариантов.


В конце 50-х – начале 60-х годов ХХ века исследования в области создания мыслящих и самореплицирующихся автоматов были очень популярны в рамках научной дисциплины под названием кибернетика. С одной стороны, в кибернетике исследовались общие принципы управления в социуме, в организме и в машине. С другой стороны, кибернетиков также интересовали вопросы, могут ли машины создавать себе подобных и может ли это создание себе подобных машин приводить к прогрессивной эволюции. И казалось, что если фон Нейман придумал такой самореплицирующийся автомат, то, в принципе, мы легко можем сделать нечто, что могло бы размножаться в компьютере. Но все оказалось не так просто, потому что автомат фон Неймана подвержен такой проблеме, которая получила название «проблема цифровой стерильности», или просто «проблема стерильности».

Она заключается в том, что в эволюции кроме репликации нужны еще и мутации, которые будут изменять то, как автомат выглядит, как он себя ведет, какие функции исполняет, чтобы приспосабливаться к окружающему миру. Проблема с клеточными автоматами в том, что их функциональность очень нелинейно зависит от структуры. То есть единичные мутации клеточного автомата в большинстве случаев будут приводить к тому, что вся его функциональность будет рушиться, и он уже не сможет себя воспроизвести, и, следовательно, эволюция остановится. Поэтому несколько десятков лет никаких существенных подвижек в области эволюции автоматов не происходило.


Несмотря на отсутствие успехов в конструировании самореплицирующихся автоматов исследователи все равно пытались использовать в компьютерных науках принципы биологической эволюции. В частности, возникли методы, называемые эволюционными вычислениями. Если мы имеем задачу, в которой нам нужно подобрать параметры некоторой функции для получения решения, то мы можем получить их либо аналитически, либо при помощи случайного поиска. Эволюционный алгоритм для решения подобной задачи создает популяцию пробных решений, затем каждое из них тестируется на эффективность, затем наиболее успешные решения размножаются путем копирования и мутируют, формируя следующее поколение решений. Таким образом происходит постепенная эволюция в сторону повышения оптимальности решений.


Практика использования эволюционных алгоритмов показала, что они достаточно успешно могут применяться в широком круге задач: например, для оптимизации аэродинамики самолетов, разводки микросхем, составления расписаний и так далее. Постепенно, в связи с распространением компьютеров, в частности персональных, исследования эволюционных алгоритмов становились все более и более доступными. В какой-то момент, в конце 80-х годов, замечательный тропический эколог Том Рей, не имея никакого специального математического образования, на своем домашнем персональном компьютере написал программу, реализующую виртуальную машину со своим ассемблером. Виртуальная машина была устроена таким образом, что позволяла организовать эффективную эволюцию программ. Программы, размещенные в памяти, могли копировать самих себя, что приводило к конкуренции за свободное пространство.

Когда программа, названная Томом Реем Tierra, находилась в разработке, исследователи в области компьютерных, узнававшие о цели проекта ― создании эволюции самомодифицирующих программ, ― говорили, что это из области фантастики и проект обречен на неудачу. 3 января 1990 года Том Рей впервые запустил окончательную версию программы. Утром следующего дня анализ результатов эксперимента показал, что в процессе моделируемой эволюции произошли поразительные вещи. В мире Tierr’ы произошел взрыв видообразования ― появилось большое разнообразие различных программ, которые конкурировали друг с другом. Так как Рей был экологом, он сразу же легко нашел интерпретацию поведению видов ― так среди программ появились паразиты и гиперпаразиты. Программы-паразиты уменьшили свою длину за счет использования чужого кода для копирования самих себя в другую область памяти, таким образом захватывая больше пространства и вытесняя других. Гиперпаразиты, как вирусы, встраивались в блок памяти чужой программы, для того чтобы «хозяин» скопировал их вместе с собой.

Доклад Тома Рея о результатах эволюции в Tierra на конференции по искусственной жизни произвел очень большой фурор. Все пришли в большое возбуждение, и не только потому, что было сделано что-то выдающееся, но и потому, что они все были слегка встревожены: тогда только появились первые компьютерные вирусы, которые тоже рассматривались как некоторые формы искусственной жизни. Показалось, что соединение эффективной эволюции, как в модели Тома Рея, с вредоносностью вирусов может привести к катастрофическим последствиям для зарождающихся глобальных компьютерных сетей. Но, как мы видим, ничего подобного не произошло из-за того, что компьютерные вирусы обычно очень специализированы и тоже имеют проблему со стерильностью: они не могут модифицировать себя при размножении без потери функциональности.


С 90-х годов исследования в области искусственной жизни прошли большой путь. Появилось очень много моделей, в основном представляющих собой эволюционирующие популяции агентов, управляемых нейронными сетями, что позволяет решить проблему бесплодия при достаточных возможностях генерации богатого репертуара поведений. Внутри искусственной жизни появилось несколько направлений исследований, например исследование возникновения жизни на Земле. То есть каковы принципы возникновения жизни, как живое может возникнуть из неживого ― понимание этого даст нам в руки инструменты для самостоятельного синтеза других вариантов живых систем. Данное направление вплотную связано с моделированием химических реакций, самоорганизацией, которая может приводить к устойчивым автокаталитическим циклам реакций. При этом люди, занимающиеся компьютерным моделированием, кооперируются с химиками для проверки моделей в реальных химических системах.

Отдельная ветвь исследований, которая развивалась параллельно искусственной жизни, но преследующая те же цели, ― синтетическая биология, показавшая возможность синтеза копии ДНК бактерии de novo и вставки ее в другую бактерию. Другая задача здесь ― определение условий возникновения протоклеток, минимальной молекулярной машинерии, необходимой для репликации клетки. Следующий уровень ― это уровень эволюции одноклеточных и возникновение многоклеточных организмов из одноклеточных, возникновение кооперации, возникновение коммуникаций, каких-то сложных социальных взаимодействий.

Сегодня искусственная жизнь ― это достаточно широкое по спектру направлений исследование, и, самое главное, оно не застыло в каких-то рамках, а очень много предлагается оригинальных идей за счет того, что это междисциплинарная область. Но, несмотря на то, что искусственная жизнь достигла некоторых успехов за время своего существования, все равно главная проблема, которая перед ней стояла, остается неразрешенной. Это проблема того, как, по каким сценариям сложность организмов может нарастать в процессе эволюции. То есть та проблема прогрессивной эволюции, над которой бился фон Нейман в середине прошлого века.

Михаил Бурцев, кандидат физико-математических наук, НИЦ "Курчатовский Институт"