Инновационная сложность - Коллектив авторов

Исследуя сложность: от искусственной жизни и искусственного интеллекта к киберфизическим системам[356]

К. Майнцер

Классическая кибернетика в традиции Норберта Винера является сегодня составной частью математической теории сложных систем и нелинейной динамики. Только в этих рамках может быть объяснено возникновение структур и образцов в природе и технике и построены компьютерные модели. Понятия «самоорганизация» и «эмерджентность» относятся к хорошо определенным понятиям и могут быть перенесены на понимание технических систем. В первой части главы рассматриваются основания теории сложных систем и нелинейной динамики. В качестве применения изучается образование структур и паттернов сложных клеточных систем, являющихся предметом системной биологии. Во второй части этой главы речь идет о применении динамики сложных систем к эволюции мозга и познания. Эти исследования составляют предпосылку для развития социальных роботов, что является предметом рассмотрения в третьей части. Нейронные сетевые структуры ни в коей мере не ограничиваются отдельными организмами или роботами. В четвертой части речь идет о киберфизических системах, посредством которых моделируются сложные социотехнические системы, которые в значительной мере управляют сами себя. Также и здесь математическая теория сложных систем и нелинейная динамика предоставляют нам основания для понимания самоорганизации и эмерджентности. В конце главы обсуждается вопрос об этических и общественных общих условиях для технического конструирования сложных самоорганизирующихся систем.

Ключевые слова: сложные системы, нелинейная динамика, когнитивная роботика, киберфизические системы.

1. Эволюция сложных систем и нелинейная динамика

1.1 Исчислимость жизни

Вплоть до начала XX века жизненные процессы были доступны только качественному описанию и классификации в биологии. Первые подходы к их математическому моделированию появились в классической кибернетике в традиции Норберта Винера. Вначале они исходили из управления жизни (положительными и отрицательными) обратными связями, которые были известны, к примеру, в электротехнике в 1940-х годах. С возникновением новых методов биоматематики, биофизики и биоинформатики это изменилось. Они стали прибегать к математической теории сложных систем и нелинейной динамике, в которых кибернетические обратные связи являются всего лишь примерами сложных (нелинейных) взаимодействий системных элементов[357].

В системной биологии развивается исследование во взаимодействии экспериментов in vitro, in vivo и in silico[358]. Обычным стало компьютерное моделирование (с программами, созданными с кремний органическими полимерами) высоко сложных взаимодействий молекул, клеток, органов и организмов, которые было бы невозможным представить без математических моделей сложной системной динамики и вычислительной техники.

Робототехника и исследования искусственного интеллекта отсылают нас еще дальше, чтобы наделить технические системы когнитивными функциями, ставшими нам известными благодаря исследованиям мозга и нейропсихологии. В одной стороны, эти исследования служат моделированию биологических и психологических процессов, а с другой стороны, они позволяют нам с техническими и коммерческими целями вступить на иные пути, отличные от биологической эволюции.

Этот прогресс стал возможным благодаря стремительному росту производительности вычислительных машин, головокружительной миниатюризации конструктивных элементов компьютеров (от трубок и транзисторов до наноэлектроники и сенсорной технологии), стремительной глобализации информационных систем и шагающей быстрыми темпами автоматизации общества при одновременном удешевлении всё более небольших и высокопроизводительных информационно-технических систем. Согласно закону Мура, каждые 18 месяцев производительность вычислительных машин удваивается при одновременной миниатюризации и удешевлении устройств[359].

1.2. Системная биология сложных систем

Со времени расшифровки генома человека в 2001 году намечается ускорение машин, производящих последовательные вычисления, которые исчисляют и идентифицируют за все более короткие промежутки времени все большее количество генов за все меньшие деньги. Программа генома, которая с распознаванием состава человеческих генов в 2001 году достигла предварительного высшего результата, представляла собой редукционистский исследовательский подход, в рамках которого со все большей вычислительной производительностью расшифровывались все более мелкие структурные элементы жизни.

Теперь в системной биологии перед нами встает несравненно более сложная задача: как можно из огромного потока данных об отдельных компонентах понять функционирование всей биологической системы клеток, органов и организмов? Гигантские генетические карты о всех генетических взаимодействиях и сложных сетях обмена веществ предстоит расшифровать в компьютерных моделях, чтобы понять такие сложные системные функции, как регуляцию, контроль, управление и адаптацию в процессах роста и эволюции[360]. «Стеклянные» клетки со схемами переключения откроют новые возможности для понимания генетической обусловленности болезней (таких, как рак и болезней сердечно-сосудистой системы), а также позволят сделать выводы о процессе старения организма. Без компьютерных моделей сложных систем клеток, органов и организмов этот барьер не будет взят[361].

Мы уже понимаем, однако, ошеломляющее различие живых организмов от технических схем соединений: в то время как соединения в силиконе несмотря на сложность и миниатюризацию до сих под в своих функциях поддавались любому доступному воспроизведению, каждый врач из своей ежедневной практики знает, насколько по-разному могут реагировать сложные человеческие организмы на одни и те же методы лечения. Это делает неимоверно сложным не только исследование опухолей, но и в принципе даже любого насморка. Эти сложности проявляются уже на уровне белков в лаборатории по системной биологии. Хотя с помощью математической теории сложных динамических систем мы в принципе уже понимаем самоорганизацию и эмерджентность новых структур, дьявол кроется в деталях отдельных случаев[362].

Следующим шагом системная биология предоставляет материал для копирования синтетической биологии: тогда системная биология становится инженерной наукой[363]. Когда пытаются проникнуть именно в функционирование биологических систем, таких как клетки и бактерии, тогда, как предполагают, возможно из различных биомолекул конструировать новые модули и сети со специальными свойствами.

Искусственная жизнь была известна доныне только как программное обеспечение (Software) в информатике. Уже в конце 1950-х годов американский ученый Джон фон Нейман, пионер в компьютерной науке, математически доказал, что клеточные автоматы могут репродуцировать себя в шахматном порядке. Джон Конвей разработал этот подход в форме игры жизни (Game of Life), после чего дарвиновские правила эволюции удалось смоделировать в виде некой компьютерной программы[364]. В синтетической биологии программное обеспечение (Software) превращается во «влажное обеспечение» („Wetware"), т. е. в новую органическую жизнь. Крейг Вентер, пионер в разработке программы Геном человека-2001, верит в конструирование бактерий, которые продуцируют водород и тем самым способны помочь решить энергетическую проблему человечества. Тем не менее Национальная академия наук (Leopoldina) высказала общую точку зрения, разделяемую Немецким исследовательским обществом (DFG) и Академией технических наук (acatech), что синтетическая биология «открывает большой потенциал для разработки новых вакцин и лекарств, а также новых видов топлива и материалов».

1.3. Основания сложных динамических систем

Биомолекулы, клетки, организмы и популяции являются высоко сложными динамическими системами, в которых взаимодействует множество элементов. Исследование сложности занимается вопросом, который перешагивает границы отдельных дисциплин (физики, химии, биологии и экологии): как из взаимодействий многих элементов сложной динамической системы (например, атомов в материалах, биомолекул в клетках, клеток в организмах, организмов в популяциях) могут возникнуть порядок и структуры, а также хаос и распад?

Вообще говоря, изменение состояний во времени в динамических системах описывается уравнениями. Состояние движение отдельного небесного тела может быть точно вычислено и предсказано еще по законам классической физики. Для миллионов и миллиардов молекул, от которых зависит состояние одной клетки, нужно прибегнуть к помощи высокопроизводительного компьютера, который дает приближения в имитационных моделях. Сложные динамические системы, перешагивая пределы отдельных дисциплин – физики, химии, биологии или экологии, подчиняются тем же самым или подобным математическим законам.