О клеточных автоматах и генетических алгоритмах

Один читатель задал мне вопрос: не является ли теория и практика клеточных автоматов неким концептуальным доказательством биологической эволюции и её возможностей?

Я постарался на этот вопрос дать развёрнутый ответ, подытоживающий то, что я сам раскопал за те годы, что я интересуюсь данной темой. Помещаю его здесь, как говорила покойная учительница литературы в нашей школе Нелли Леоньтевна Зингерман, чтобы не ушло в песок.

***

Клеточные автоматы и игра "жизнь" — это известные вещи. Нам не следует забывать, что это симуляция. Создаётся искусственная виртуальная среда и вводятся те или иные правила: что заложишь, то и получишь. Каждому программисту знакомо выражение "garbage in, garbage out" — заложишь мусор, мусор и получишь на выходе. Но большой вопрос, насколько полученные выводы согласуются с реальностью; насколько введённые в "искусственную жизнь" правила согласуются с законами природы (подробнее см. здесь).Ещё один момент: как они определяют сложность. Можно ведь сказать и так, что простое копирование увеличивает сложность: был один компонент Х, стало два или более. Но такое определение сложности не отражает всех особенностей биологической сложности. Одно из определений биологической сложности представлено здесь.Интересным результатом теории клеточных автоматов является вывод о существовании так наз. садов Эдема, то есть конфигураций автомата, к которым невозможно прийти эволюционным путём, в них лишь можно установить автомат в начальный момент времени (подробнее см. здесь). На мой взгляд, этот результат — сильный довод в пользу предположения об ограниченности возможностей эволюции.Ещё одно обстоятельство: присутствие в моделях эволюции (например, в так наз. генетических алгоритмах) явной функции цели, чем естественный отбор фактически заменяется искусственным. Разница здесь не столько количественная, сколько качественная. Я как селекционер знаю целевое состояние системы, в которую я её намереваюсь привести. Я могу осуществлять гораздо более тонкий отбор, чем естественный. Управление, целеполагание, планирование — это прерогатива интеллекта, или разума. Природа так делать не умеет.Главная гипотеза дизайна: достаточно большое количество функциональной сложности (соответственно определенной, см. раздел "Функциональная сложность" здесь) за достаточно короткий промежуток времени может появиться только интеллектуально. Что касается именно биологической сложности, то гипотеза дизайна сводится к тому, что должен был быть интеллектуальный агент, чтобы запрограммировать новую функцию. В истории биоты были значительные положительные дельты (скачкИ) биофункции, появление которых не может быть объяснено эволюционно. Почему не может? Потому что даже ЕСЛИ предполагать, что возраст биоты 4.5 миллиардов лет, число событий размножения ВСЁ РАВНО ограничено, а поэтому ограничено и число состояний, которые эволюция могла бы просмотреть. Следовательно, существует и предел возможностей эволюции.Безусловно, какие-то аспекты жизнедеятельности теория клеточных автоматов отражает, что-то и в реальности эволюция может: например, при определенных условиях — кстати, отдельный очень важный вопрос, каковы эти условия (см. запись "Банкротство игрока — банкротство Дарвина"), — может произойти событие фиксации в популяции некоторой мутации, полезной с точки зрения улучшения приспособленности к (изменившимся) условиям обитания. Фиксацией (закреплением) называется распространение мутации на всю популяцию. Это вполне наблюдаемая в популяционной динамике вещь даже с учётом того, что полезные мутации крайне редки по сравнению с вредными и нейтральными.Примеры наблюдаемых мутаций у человека:

• Полезные: возникновение устойчивости к малярии (мутация гемоглобина),приспособление к жизни на большой высоте у некоторых народов (мутация участка ДНК),кровь с нулевым резус-фактором -- универсальная кровь.


• Нейтральные: гетерохромия (радужки глаз разного цвета),веснушки.


• Вредные: синдром Дауна (47 хромосом) и другие,характеризующиеся изменением числа хромосом (Шерешевского-Тёрнера,Клайнфельтера и др),глухота,слепота.

Биохимик Майкл Бихи выявил ещё одну важную особенность эволюции: если она и происходит (есть достаточно строгие условия, когда она может происходить), то только по пути деградации: живое деградирует, адаптируясь к изменениям среды обитания. Об этом можно прочитать в книге M.Behe "Darwin Devolves". Таким образом, даже полезные мутации — это признак вырождения популяции. Организмы оптимизируют степень приспособленности к условиям среды засчёт деградации изначально заданной биологической функции. Вся эволюционная "автоматика" идёт по пути наименьшего сопротивления, следуя всеобщей тенденции нашего мира: разложения, инволюции, деградации и распада.Эволюция моделируется случайным блужданием изображающей точки в параметрическом пространстве. Всё, сколько-нибудь более сложное, например, направленный точечный локальный поиск, есть интеллектуальный процесс, требующий вмешательство агента с целью настройки параметров. Изображающая живой организм или популяцию точка в параметрическом пространстве эволюционным путём (random variation + natural selection) может достичь локального максимума, если она находится достаточно близко от этого локального пика. Однако для достижения глобального оптимума требуется направленный интеллектуальный поиск в параметрическом пространстве гигантских размеров. Эволюция по определению лишена направленности; направленность, или телеологичность, — признак интеллектуальной деятельности. С другой стороны, есть данные, дающие основание подозревать, что биосистемы (были) глобально оптимизированы.Если говорить об эволюции как об адаптации уже существующей биофункции, то я никаких проблем не вижу: так, видимо, и есть в реальности. Это согласно с Православной верой: живые существа были созданы "по роду их", действительно нового ничего "автоматически" (эволюционно) не появляется. Для создания биологической новизны нужен разум. Однако приспосабливаемость вложена в живое. С точки зрения биофизики, живой организм — открытая (open-ended) для модификации система; генетические инструкции можно изменять: их последовательность является пассивной по отношению к динамике процессов живого организма, которую эти инструкции предписывают.Что касается возможностей эволюции, тот же биохимик Майкл Бихи ввёл понятие границы эволюции. Этот вопрос тесно связан с ещё одним понятием, введением которого в биохимии мы обязаны Бихи, а именно: с минимальной сложностью (irreducible complexity) биологических систем на всех уровнях организации: биохимическом, субклеточном, клеточном, тканевом, органов и систем органов, организма, популяций и, наконец, всей биоты.
Границу эволюции легко проиллюстрировать. Предположим, что у нас есть популяция организмов. Предположим также, что этой популяции для приобретения новой функции f необходимо закрепление трех независимых мутаций. Вероятности закрепления этих мутаций обозначим p1, p2 и p3. Тогда событие приобретения популяцией функции f (например, морозостойкости, устойчивости к повышенной кислотности среды и т.д.) будет характеризоваться вероятностью p=p1*p2*p3. Величина p соответствует 1 событию из N, причём N иногда столь велико, что превышает число особей, которые когда-либо могли вообще появиться за ВСЮ историю существования биоты. Примеры таких систем Бихи приводил в своих работах (например, в книгах Darwin's blackbox и The edge of evolution). Это и есть граница эволюционных возможностей. Только РАЗУМ способен её преодолевать.

Так или иначе, однозначно и согласно с догматами Православной веры то, что эволюция в смысле появления биологической новизны, то есть в том смысле, который вкладывают в это слово эволюционисты, не имеет места. Не было происхождения всего живого от единого предка. Нет прогресса, нет движения от простого к сложному (разумеется, если под сложным понимать новую биологическую функцию). Есть лишь движение от сложного к простому, генетическая деградация, инволюция, распад. Количество функциональной информации, генерируемое эволюционным путём, — это шум по сравнению с наблюдаемым биоразнообразием.

Кстати, насчёт генетической деградации есть интереснейший источник John Sanford "Genetic Entropy". Автор говорит о катастрофической деградации генома человека, которая сопровождается обвальным накоплением мутаций. Тревожный вывод: человечеству осталось жить очень мало в исторической перспективе. Однако наблюдения автора экстраполируются и в прошлое: если предположить, что скорость накопления мутаций не менялась, а оставалась постоянной, такой, как сейчас, то за время, которое обычно считается возрастом вида Homo sapiens, мы бы давно вымерли. То есть при условии постоянства скорости накопления мутаций получается, что в распоряжении человека не могло быть никаких сотен тысяч лет...

Источник: biosemiotics.livejournal.com

Комментарии: