Эссе о разработке игр, мышлении и книгах

О роли функции и отбора в эволюционирующих системах ru en

«Эволюция серых человечков» — знаменитое потеряное полотно Врубеля. (с) ChatGPT

«Эволюция серых человечков» — знаменитое потеряное полотно Врубеля. (с) ChatGPT

На днях попала в поле моего зрения статья On the roles of function and selection in evolving systems (DOI: 10.1073/pnas.2310223120).

Michael L. Wong и соавторы лаконично описывают явление эволюции как универсального процесса своейственного нашей вселенной (а не только биосфере планеты Земля), ещё и в контексте системного подхода.

Идеи близки моей картине мира, поэтому я решил сделать краткое резюме статьи для себя и, заодно, для вас.

А если вы думаете, что понимание эволюции вам не нужно, то рекомендую подумать ещё раз, так как эволюции подвержены не только ёжики и обезьянки, но и софт, рабочие коллективы, страны, идеологии и даже мысли у вас в голове — понимать как это всё работает очень полезно.

Авторы определяют «эволюционирующую систему» как коллективный эмерджентный феномен взаимодействия множества компонентов (подсистем этой системы), который проявляется в увеличении их разнообразия, распределения и шаблонного поведения при движении вперёд по стрелке времени.

Читайте оригинальную статью, если нужны детали

В этом эссе изложена моя интерпретация статьи.

Она должна быть близка к оригиналу, но дословный пересказ не был моей целью. Наоборот, я постарался адаптировать идеи оригинала под свою картину мира (которую описываю в этом блоге).

Поэтому часть определений и терминов может слегка отличаться. В местах, где это особенно важно, я оставил ремарки. Но если вам важна точность, то рекомендую прочитать оригинальную статью.

Подобное определение позволяет распространить концепцию эволюции на множество типов систем, которые мы можем наблюдать в нашей вселенной. Может быть даже на все.

Примеры

  1. Эволюция звёзд начинается с запуска ядерной реакции водорода и гелия, которая приводит к образованию новых элементов и изотопов, которые запускают новые реакции и образуют ещё больше элементов и изотопов. Заканчивается всё это сверхновой, которая значительно увеличивает разнообразие элементов в локальной области вселенной. Т.е. система эволюционирует от небольшого набора элементов и изотопов к большому их разннобразию через «шаблонные» процессы ядерного синтеза.
  2. Собираясь в планетоиды из космической пыли, химические элементы запускают «эволюцию минералов», которая из небольшого начального разнообразия элементов, под действием планетарной динамики, создаёт тысячи устойчивых комбинаций. Например, на Земле насчитывают более 5900 минералов и ожидают обнаружения ещё около 3500 их новых видов.
  3. Биологическая эволюция началась на базе простых молекул, но в процессе привела к продолжающемуся взрывному росту их разнообразия и сложности, что запустило эволюцию одноклеточных, а позже, и многоклеточных организмов.

Авторы постулируют, что система из множества взаимодействующих агентов демонстрирует увеличение разнообразия, распределения и/или шаблонного поведения, когда многочисленные конфигурации системы подвергаются селективному давлению.

В статье выделяют три уровня селекции, которые определяют эволюцию систем.

Селекция первого порядка

Конфигурация материи склонна сохраняться, если не существует кинетически благоприятных путей для её включения в более стабильные конфигурации.

Иными словами, системы склонны скатываться к некоторому энергетическому оптимуму, для выхода из которого (в другой) необходимо много внешней энергии.

Примером тут могут быть звёзды, звёздные системы, планеты, минералы и т.д.

Селекция первого порядка склонна создавать «энергетические карманы», которые служат источниками свободной энергии для систем, которые в них находятся.

Селекция второго порядка

Если функция системы способствует её сохранению, то эта функция будет предметом отбора — системы будут эволюционировать в сторону закрепления этой функции.

Под функцией в данном случае понимается процесс, который оказывает причинное влияние на внутреннее состояние системы или её внешнюю среду.

Авторы указывают, что ключевым свойством подобных функция является управление рассеянной энергией и выделяет несколько основных видов таких функций:

  • Звёзды достигают гомеостаза путём балансировки гравитационного коллапса с кинетической энергией, генерируемой в процессе термоядерного синтеза, что позволяет синтезу продолжаться.
  • Огонь достигает автокатализа путём нагрева окружающих материалов до температур горения, что продлевает процесс горения.
  • Жизнь замыкает цикл обратной связи через различные механизмы циркуляции сигналов, включая нейрокогнитивные процессы, что в свою очередь поддерживает преемственность передачи информации, способствует выживанию, распространению и продолжению метаболической активности.

Цикл обратной связи

В оригинальной статье используется термин information processing и распространяют его, в том числе, на биологическую эволюцию.

На мой взгляд:

  • Термин information processing более широкий, чем необходимо для данного случая, и, тем самым, более размытый. Обработка информации, как явление, может быть направлена на что угодно, не обязательно на поддержание стабильности и/или эволюции системы.
  • Включение биологической эволюции в качестве одного из типов обработки информации, для меня, выглядит странно. Я согласен что определённая логика в этом есть, но для меня она слишком зыбкая.

«Цикл обратной связи», напротив, предполагает активное регулирование состояния системы и исключает мета-процессы, что более точно отражает суть явления.

При этом эволюционирующие системы могут быть вложенными (без ограничений на вложенность), когда компоненты поддерживают существования надсистемы и в то же время эволюционируют в её контексте. То есть надсистема играет роль окружающей среды в которой эволюционируют подсистемы.

Важно отметить, что говорить о функциях подобных подсистем имеет смысл только в контексте надсистемы, в которой они существуют и эволюционируют. То есть для понимания функции системы необходимо рассматривать обе вещи: и систему и её контекст/окружение. Или систему и надсистему, если оставаться в терминологии систем.

Вспомогательные функции (ancillary functions)

Функции вложенных систем авторы, на мой взгляд излишне, называют вспомогательными (по отношению к надсистеме). Подобная терминология нарушает уровни абстракции и путает, по крайней мере меня. Поэтому далее я не буду явно вводить новый термин, а стану говорить просто о функциях систем, подсистем и надсистем.

Также это может быть местом, где я упустил что-то важное в оригинальной статье. Если вы это заметите, пожалуйста, дайте мне знать.

Для примера, с перспективы организма может существовать давление отбора со стороны его сообщества, а сообщество может испытывать давление со стороны более высоких экологических единиц отбора и т.д.

Другой особенностью подобных процессов является их способность изменяться со временем. Для примера, есть теория что крылья насекомых и перья птиц изначально служили для терморегуляции, а не для полёта, и только позже были адаптированы для полёта, изменив свою функцию и, со временем, функции надсистемы и соседних подсистем.

Подобное изменения функций приводит к изменению (расширению) области применения системы (области поиска решения), что изменяет кинетический барьер системы, позволяя ей получать доступ к новым/альтернативным источникам свободной энергии и эволюционировать дальше.

Селекция третьего порядка

Селективное давление способствует системам, которые могут «бесконечно» производить (изобретать) новые функции, a.k.a. происходит селективное давление на новизну.

Чем более переплетены подсистемы, тем больше разнообразных функций возникает, и тем сложнее выявить причинно-следственные связи между ними.

Пирамида селекции

Можно обратить внимание, что селекция первого уровня создаёт условия для запуска селекции второго уровня, а селекция второго уровня создаёт условия для запуска селекции третьего уровня.

Можно предположить, что эта пирамида не ограничена тремя уровнями и могут существовать более высокие уровни селекции. Например в символьных или социальных системах.

Авторы не раскрывают этот вопрос.

Авторы предполагают, и я с ними солидарен, что в будущем возможен сдвиг парадигмы в биологии, аналогичный переходу от классической механики к квантовой механике.

Так же как мы заменили локализованные отдельные частицы и дискретные орбитали электронов волновыми функциями и облаками электронов, мы можем однажды заменить биологические индивиды на «размытое/облачное» представление живых систем. Это не отменит существование отдельных биологических единиц, но может существенно скорректировать онтологию биологических процессов.

В целом, статистический взгляд на структуру систем может быть интересен даже в контексте системной инженерии. В этом направлении есть некоторые подвижки, например, Process Mining.

Количественное измерение эволюции

Авторы вводят количественный закон увеличения функциональной информации на основе энтропии и показывают, что функциональная информация системы будет увеличиваться (система будет эволюционировать), если множество конфигураций системы подвергается отбору хотя бы по одной функции.

Формулы приводить не буду, так как плохо разбираюсь в энтропии и для сути статьи они не так важны.

Следствия

В заключении статьи авторы предлагают несколько интересных следствий из своей теории, среди которых мне особенно интересно следующее.

Скорость эволюции систем можно регулировать искусственно. Формула расчёта функциональной информации предполагает, что скорость эволюции системы может быть увеличена по крайней мере тремя способами:

  1. Увеличением числа и/или разнообразия взаимодействующих агентов.
  2. Увеличением числа различных конфигураций системы.
  3. Увеличением селективного давления на систему. Например, в химических системах путём более частых циклов нагрева/охлаждения или смачивания/осушения.