Populacje i organizmy

Los i działania każdego stworka są precyzyjnie określone i w każdym kroku czasowym zależą tylko od tego, co dzieje się w jego otoczeniu. Reguły są proste i nie byłoby tu chyba nic ciekawego, gdyby z tych prostych reguł nie wynikały nieoczekiwane i skomplikowane ugrupowania stworków.
Przyjrzyjmy się populacji stworków jakoś tam rozstawionych po komórkach. Co się będzie z nią dziać w miarę upływu czasu? Dla pewnych ustawień można to łatwo przewidzieć - np. jeżeli wszystkie stworki są samotne, to cała populacja wyginie już pierwszej nocy. Ale na ogół nie ma żadnej metody przewidywania (pomimo jednoznacznie i zupełnie określonych reguł zachowania dla każdego stworka oddzielnie) - trzeba po prostu krok po kroku obserwować metamorfozy populacji z dnia na dzień. Liczba zaskakujących procesów rozwojowych, jakie zaobserwowano na mozaice, jest olbrzymia. Niektóre populacje szybko zastygają w bezruchu, inne przybierają cyklicznie takie same kształty, a jeszcze inne kłębią się w sposób niezorganizowany i niepowtarzalny.
Można wytworzyć "organizmy" o charakterystycznych cechach i nieokreślone dynamiczne "populacje". Jak kto zacznie, tak mu i wyjdzie, ale co wyjdzie, będzie mógł się przekonać tylko obserwując cierpliwie ewolucję początkowego układu stworków. Jeżeli ktoś chce sam spróbować, to odpowiednie programy można znaleźć w Internecie, szukając pod hasłem Game of Life.

Gra w życie pokazuje naocznie, jak z prostych reguł nałożonych na indywidua mogą wynikać bardzo różne zachowania się ich układów. Właśnie wynikają, a nie są skutkiem, bo nie ma przecież żadnych reguł oddziaływania poszczególnych stworków na całą ich populację. Może łatwiej będzie to uchwycić, jeżeli opiszemy niektóre z Conwayowskich organizmów.
Na przykład taki "szybowiec": składa się on z 5 stworków, a jego swobodna ewolucja polega na odtworzeniu po 4 krokach czasowych wyjściowej konfiguracji przesuniętej ukośnie o 1 komórkę. Konfiguracja ta "szybuje" więc przez swój świat ze stałą prędkością. Istnieją inne, większe konfiguracje, które odtwarzają się cyklicznie, ale w międzyczasie generują... szybowiec (działa szybowcowe). Jeszcze inne, stabilne konfiguracje mogą zniszczyć szybowiec, który na nie wpadnie lub, w innym układzie, zmienić kierunek jego ruchu. Zderzenie dwu szybowców kończy się ich zagładą.

Hierarchie złożoności

Zauważmy, że powyższy opis świata szybowców i związanych z nimi innych organizmów nie odwołuje się w najmniejszym stopniu do reguł zachowania się stworków tworzących te konfiguracje. Przeszliśmy już na nowy, wyższy stopień organizacji, gdzie panują inne reguły wymagające opisu w całkiem nowym języku. Można by przetłumaczyć każde zdarzenie w szybowcowym świecie na układy i reguły zachowania się stworków (jakby to nie było uciążliwe), ale chyba trudno byłoby w tych długich opisach wychwycić proste przecież charakterystyki zachowania się organizmów. I nie pogłębiłoby to wcale naszego rozumienia procesów na tym nowym poziomie... Ale rozumienie to nie wszystko. Często chcemy również tworzyć nowe sytuacje lub sterować procesami - wtedy znajomość reguł niższego poziomu niezwykle zwiększa skuteczność ingerencji.

Pojawienie się wyższego poziomu złożoności wymaga nie tylko dostatecznie "bogatych" reguł na niższym poziomie, ale również określonych konfiguracji początkowych. przy innych ustawieniach zachowanie się konfiguracji będzie opisane innymi regułami albo też trudno będzie uchwycić jakiekolwiek "ciekawe" reguły. Hierarchizacja naszego, prawdziwego świata według powyższego schematu nie ulega wątpliwości - od wiązania się kwarków w hadrony, poprzez makroskopowe struktury fizyczne i chemiczne do organizmów biologicznych i nas samych, obdarzonych zdolnością do poznania, opisu i wykorzystania wszystkich niższych konfiguracji. Konfiguracji czego? Tego akurat fizycy nie są pewni, ale na pewno reguły na tym podstawowym poziomie są bardzo bogate w konsekwencje.
A co do początkowej konfiguracji - znowu nic konkretnego, poza tym, że była ona bogata w konsekwencje.

Czy takie idee podbiją świat i utrzymają się do końca następnego tysiąclecia? Godzą one redukcjonizm z holizmem. Z jednej strony, zdecydowanie odrzucają tak często w przeszłości postulowaną niezależność praw pewnego poziomu złożoności od praw na niższym poziomie (wystarczy przywołać np. witalizm, żeby nie wikłać się w problemy ludzkiej świadomości). Z drugiej strony jednak uznają użyteczność (konieczność?) opisu praw danego poziomu w jego własnym systemie pojęciowym.

W jednym stały domku

Gra w życie nie jest oczywiście jedynym przykładem zastosowania w informatyce reguł sztucznego życia. Zastosowania te można podzielić na dwie grupy: informatyka biologii i biologia informatyce.

Informatyka, a raczej bioinformatyka, jak się obecnie mówi, jest wielką nadzieją biologii w związku z potrzebą przeszukiwania i opracowywania olbrzymiej ilości informacji wyłaniających się z badań genetycznych, molekularnych czy np. tak ważnych obecnie badań bioróżnorodności na poziomie gatunków i ekosystemów. W tym artykule chodzi jednak o inny rodzaj wkładu informatyki w nauki biologiczne, a mianowicie badanie ogólnych koncepcji związanych z procesami życiowymi od poziomu molekularnego do ewolucji życia na Ziemi. Czy to, co obserwujemy w przyrodzie, jest rzeczywiście tak zaskakujące i niezrozumiałe, czy też może jest to naturalny skutek pewnych reguł oddziaływania pomiędzy składnikami struktur biologicznych?
Przykładem takich badań jest Tierra, stworzona (?) przez Toma Raya, specjalistę od lasów tropikalnych. Jest to "świat" krótkich programików komputerowych, których jedynym działaniem jest zapisanie swojej kopii w pamięci komputera. Programy te mogą ulegać losowym mutacjom: punktowym zmianom jednego symbolu lub przerzucaniu fragmentów pomiędzy dwoma programami (odpowiednik molekularnej rekombinacji DNA). Przeżycie mają zapewnione tylko najskuteczniejsze, czyli najszybciej namnażające się programy. Rozmnażanie, mutacje i przeżywanie najlepiej dostosowanych do środowiska to przecież ewolucja.
I o to właśnie chodziło Rayowi: ewoluujące programy. Obserwacje ewolucji Tierry pokazały to, co znamy już z ewolucji życia na Ziemi, np. pojawianie się programów-pasożytów wykorzystujących do swojej działalności inne programy, charakterystyczne okresy szybkich burzliwych zmian w strukturach programów, oddzielone długimi okresami przestojów, i jeszcze dużo więcej.

Drugi kierunek prac to metody informatyczne ściągnięte od natury i zastosowane do rozwiązywania problemów, przy których załamują się tradycyjne podejścia. Tu lista jest już długa, a takie metody jak sieci neuronowe, algorytmy genetyczne czy algorytmy mrówkowe cieszą się ostatnio dużą popularnością wśród popularyzatorów nauki.

Zrozumieć świat

Omówiłem już dwa aspekty koncepcji sztucznego życia: tworzenie życiopodobnych struktur komputerowych i badanie ich zachowań, oraz praktyczne triki komputerowe podpatrzone w naturze. Trzecią stroną tej koncepcji są próby odtworzenia realnych struktur biologicznych i ich dynamiki. Na razie nieśmiałe, bo realne struktury tego świata są jednak bardziej skomplikowane niż przymiarki do tworzenia sztucznych światów. Szybko rozwijają się jednak prace nad symulacją jednostek niższego poziomu i obserwacją zachowań ich tak czy inaczej określonych "agregatów". W odróżnieniu od komputerowych symulacji rozwiązań równań matematycznych opisujących skomplikowane układy, wystarczy tu zadać jedynie reguły zachowania się jednostek składających się na układ oraz ich początkowe ustawienie i nacisnąć ikonę "Start". Takie symulacje określane są w fizyce i chemii jako modelowanie cząsteczkowe, a w dynamice populacji jako modelowanie osobnicze. Zwłaszcza w biologii posługują się one w opisie reguł językiem znacznie bardziej naturalnym i oczywistym niż często ezoteryczne dla niewtajemniczonych konstrukcje matematyczne.
Można oczekiwać, że takie podejście znajdzie w przyszłości coraz szersze zastosowanie i stworzy pewien szczebel pośredni pomiędzy badaniami realnych układów a ich opisem matematycznym. Może przecież służyć "badaczom owadzich nogów" do formułowania ogólnych koncepcji w ich własnym języku i obserwowania, co z nich wynika. Z drugiej strony, może również służyć teoretykom do testowania modeli matematycznych i metod analizy danych. W systemach odtwarzanych komputerowo wszystko jest przecież kontrolowane, zniosą też one znacznie więcej ingerencji niż układy naturalne. A jakie to szerokie pole do sprawdzania, "co by było, gdyby...".

Czwartym aspektem programu sztucznego życia są problemy światopoglądowe. Nieprzypadkowo programy badawcze, oparte wyłącznie na metodach informatycznych, jak sztuczne życie i sztuczna inteligencja, nazwano "naukami postmodernistycznymi".
Niewątpliwie można tu mówić o tendencji do dekonstrukcji wielu utartych poglądów, zakwestionowaniu dychotomicznych podziałów i próbie ich syntezy oraz wykorzystaniu nowych możliwości twórczego poszukiwania odpowiedzi na bardzo stare pytania. Z drugiej strony, poszukiwania sztucznego życia kojarzą się właśnie z takim starym pytaniem o formę rzeczy, którą można wyłuskać z jej powiązań z materią i wykorzystać do sformułowania ogólnej definicji analizowanej rzeczy. A że realnie, jak twierdził Arystoteles, forma nigdy nie występuje bez materii, więc poszukiwania formy struktur i procesów trudnych do zdefiniowania można by zacząć od badania obiektów wykazujących podobne cechy, ale zbudowanych z materii innego typu. I już mamy program sztucznego życia...

Przenikanie informatyki do wszystkich dziedzin działalności człowieka prowadzi stopniowo do wzrostu znaczenia argumentów opartych na wykorzystaniu komputerów. Czy jednak zgodzilibyśmy się z Rayem, że programy Tierry są żywe? Jakie będzie ostateczne znaczenie poszukiwań sztucznego życia w badaniach biologicznych, filozofii i w poglądach naszych wnuków? Przenoszenie dyskusji na wyższy poziom abstrakcji i zderzanie różnych dyscyplin naukowych prowadziło często do postępu w naszym rozumieniu świata, choć niejednokrotnie poprzez ciernie i chwasty.
Jak będzie tym razem? Czy oprócz niewątpliwych korzyści praktycznych i ciekawych "gier naukowych" będziemy w stanie zdefiniować pojęcie "duszy", jako tego, co już w starożytności rozróżniało byty ożywione od nieożywionych?