Нейронные муравейчики
Меня многократно спрашивали про "муравейчиков", над которыми я работаю в свободное время. Эта запись состоит из двух частей. Первая будет у муравейчиках. Вторая о естественном отборе.
Муравейчик - это виртуальный организм, состоящий из нейронной сети и живущий в виртуальном мире. Мир в котором живет муравейчик очень простой: в нем есть два измерения, по которым муравейчик может ползать. В этом мире живут "гусеницы". Гусеница - это еда для муравейчика, которая позволяет ему размножаться и оставлять потомство. Гусеница ползает по миру быстрее чем муравейчик, но направление ее движения предсказуемо исходя из предыдущих ее движений: каждой гусеницей управляет некоторый циклический алгоритм. Например: ["вверх вверх", "влево влево", "вниз вниз"]. У каждой новой гусеницы этот алгоритм свой, создается случайным образом, но неизменен во время ее жизни.
Нейронная сеть муравейчика состоит из нейронов и связей между ними. У муравейчика есть рецепторы. Эти рецепторы включаются в зависимости от того, есть ли рядом с муравейчиком гусеницы и как они расположены относительно него. У муравейчика есть мотонейроны - когда они включаются, муравейчик движется. Все остальные нейроны могут активировать или подавлять другие нейроны. Есть и другие типы нейронов, но это уже детали.
Каждая связь между нейронами имеет целый ряд параметров. Не вдаваясь в подробности, скажу лишь, что у каждой связи есть параметр, характеризующий ее силу. Как в настоящей нейронной сети животных, сила связи может меняться в процессе обучения нейронной сети (как именно - тоже определяется рядом параметров). У каждого нейрона так же есть параметр, который определяет насколько сложно его активировать. Активированные нейроны передают положительный или отрицательный потенциал на другие нейроны, с которыми у них есть связь. Если нейрон имеет достаточно большой потенциал - он активирован.
Каждая связь, каждый параметр, каждое свойство каждого нейрона и связи задается генератором случайных чисел. В ходе эволюции муравейчика у него будут происходить случайные мутации, которые так же создаются генератором случайных чисел. Параметры управляющие частотами и характером мутаций в свою очередь создаются генератором случайных чисел более высокого порядка.
Естественный отбор осуществляется следующим образом: те муравейчики, которые поедают больше гусениц оставляют потомство, а те, кто съедают меньше гусениц - вымирают с голоду. Среднее количество пойманных гусениц одним муравейчиком при наличии отбора выросло с 1-2 в начале эволюции до более 25 за 140 поколений. При отсутствии отбора никаких изменений не происходило.
В ходе эволюции у муравейчиков появляется примитивный искусственный интеллект, который позволяет им успешно ловить гусениц. Это является примером, показывающим, как сложность (в данном случае интеллект) рождается за счет абсолютно случайных мутаций и естественного отбора. Задача интеллекта - прогноз изменений в мире. В данном случае - прогноз движения гусениц.
Разумеется гусеницы - это лишь удобная модель. Используя ту же систему нейронных сетей, можно создать эволюцию программ, играющих в шахматы, шашки, покер, выполнять практически любые задачи, в которых можно сформулировать критерий успеха.
Здесь заканчивается часть текста, которая, надеюсь, была интересна всем. Далее начинается часть, которая предназначена для тех, кто хорошо представляет современные термины в области теории эволюции и интересуется альтернативными концепциями эволюции.
Кроме очевидно ложных идей креационистов о невозможности эволюции, который опровергаются данным примером, существуют альтернативные эволюционные концепции, сторонники которых пытаются отказаться от естественного отбора или приуменьшить его значение.
Я считаю, что такие концепции не далеко ушли от креационизма и называю их "скрытым разумным замыслом". Дело в том, что организм не может заведомо "знать", какие новые мутации являются полезными для выживания в мире, а какие нет. Узнать какая мутация полезна, а какая вредна, можно только методом проб и ошибок, то есть с помощью естественного отбора, отсеивая плохие мутации и оставляя хорошие. Альтернатива на самом деле одна: все уже просчитано каким-нибудь "разумом" (вариантов как это назвать много), направляющим эволюцию (отсюда и термин: "скрытый разумный замысел"). Это относится к таким концепциям как Номогенез и Ламаркизм. Проблема здесь заключается в направленных мутациях.
Номогенез. Одно из основных положений - признание закономерного характера изменчивости организмов, лежащей в основе эволюционного процесса.
Ламаркизм. «Упражнение» и «неупражнения» органов сказывается на их эволюционной судьбе, поскольку предполагается, что последствия упражнения или неупражнения могут передаваться по наследству.
Существует две основных причины мутаций: ошибки полимеразы и повреждение нуклеотидов активными радикалами. Оба процесса идут стохастически, как и любые химические реакции. Хотя экспериментально установлено, что практически все новые мутации носят именно случайных характер (и даже установлена функция распределения), направленные мутации, действительно существуют. Например у бактерий есть "криптические гены" - гены, которые могут активироваться или выключаться путем направленных мутаций, которые осуществляются в определенных условиях, с помощью специального механизма. И хотя нужно признать, что сами мутации в этой ситуации - полезны и направлены, характер этих мутации задается механизмом, который сам должен был возникнуть в ходе эволюции. Стало быть такие мутации не следует рассматривать как новые, а нужно рассматривать как возврат к уже проверенному старому состоянию участка ДНК т.е. это не механизм эволюции, а такой же механизм регуляции, как например, использование транскрипционных факторов. То же самое касается эпигенетических механизмов.
Однако это все болтовня, а реальность намного проще. Всем сторонникам альтернативных теорий эволюции, я предлагаю простую задачку:
Напишите программу, моделирующую эволюцию "муравейчика" такую, чтобы в ней не было отбора. И покажите, что муравейчик, ловящий гусениц, может возникнуть без естественного отбора.
В моей программе отключение отбора приводит к прямой линии на графике (вторая прямая на графике). Более того, если эволюция уже достигла высот, отключение отбора приводит к стремительной деградации (не показано на графике).
Я утверждаю, что без отбора невозможна не только эволюция живых организмов, но и отсутствие деградации (если конечно есть куда деградировать: нижняя точка графика уже соответствует максимальной энтропии нейронной сети, все связи абсолютно случайны).
Есть и другой вариант этой задачки:
Выведите популяцию бактерий устойчивых к антибиотику, не используя отбор и генную инженерию ("разумный замысел").
С помощью искусственного отбора это не составляет проблем: добавляем в среду немного антибиотика, бактериям плохо, у них включаются полимеразы, делающие много ошибок при репликации ДНК, у некоторых появляется резистентность, они образуют колонию.
Пока что ни один сторонник "альтернативных теорий" решить указанные задачки не смог, в то время как современная теория эволюции эти задачки решает с помощью отбора без проблем. Есть и другие задачки, которые я мог бы задать, но пока не решены хотя бы эти две, альтернативные теории эволюции так и останутся не больше, чем философскими измышлениями. Разумеется речь идет лишь об альтернативных теориях, пытающихся избавиться от отбора. Мои рассуждения не являются аргументом, против гипотез сальтационизма (группа эволюционных теорий, по которым видообразование происходит очень быстро - в течение нескольких поколений). Разумеется я не отвергаю наличие нейтральных мутаций и дрейфа генов.
Муравейчик - это виртуальный организм, состоящий из нейронной сети и живущий в виртуальном мире. Мир в котором живет муравейчик очень простой: в нем есть два измерения, по которым муравейчик может ползать. В этом мире живут "гусеницы". Гусеница - это еда для муравейчика, которая позволяет ему размножаться и оставлять потомство. Гусеница ползает по миру быстрее чем муравейчик, но направление ее движения предсказуемо исходя из предыдущих ее движений: каждой гусеницей управляет некоторый циклический алгоритм. Например: ["вверх вверх", "влево влево", "вниз вниз"]. У каждой новой гусеницы этот алгоритм свой, создается случайным образом, но неизменен во время ее жизни.
Нейронная сеть муравейчика состоит из нейронов и связей между ними. У муравейчика есть рецепторы. Эти рецепторы включаются в зависимости от того, есть ли рядом с муравейчиком гусеницы и как они расположены относительно него. У муравейчика есть мотонейроны - когда они включаются, муравейчик движется. Все остальные нейроны могут активировать или подавлять другие нейроны. Есть и другие типы нейронов, но это уже детали.
Каждая связь между нейронами имеет целый ряд параметров. Не вдаваясь в подробности, скажу лишь, что у каждой связи есть параметр, характеризующий ее силу. Как в настоящей нейронной сети животных, сила связи может меняться в процессе обучения нейронной сети (как именно - тоже определяется рядом параметров). У каждого нейрона так же есть параметр, который определяет насколько сложно его активировать. Активированные нейроны передают положительный или отрицательный потенциал на другие нейроны, с которыми у них есть связь. Если нейрон имеет достаточно большой потенциал - он активирован.
Каждая связь, каждый параметр, каждое свойство каждого нейрона и связи задается генератором случайных чисел. В ходе эволюции муравейчика у него будут происходить случайные мутации, которые так же создаются генератором случайных чисел. Параметры управляющие частотами и характером мутаций в свою очередь создаются генератором случайных чисел более высокого порядка.
Естественный отбор осуществляется следующим образом: те муравейчики, которые поедают больше гусениц оставляют потомство, а те, кто съедают меньше гусениц - вымирают с голоду. Среднее количество пойманных гусениц одним муравейчиком при наличии отбора выросло с 1-2 в начале эволюции до более 25 за 140 поколений. При отсутствии отбора никаких изменений не происходило.
В ходе эволюции у муравейчиков появляется примитивный искусственный интеллект, который позволяет им успешно ловить гусениц. Это является примером, показывающим, как сложность (в данном случае интеллект) рождается за счет абсолютно случайных мутаций и естественного отбора. Задача интеллекта - прогноз изменений в мире. В данном случае - прогноз движения гусениц.
Разумеется гусеницы - это лишь удобная модель. Используя ту же систему нейронных сетей, можно создать эволюцию программ, играющих в шахматы, шашки, покер, выполнять практически любые задачи, в которых можно сформулировать критерий успеха.
Здесь заканчивается часть текста, которая, надеюсь, была интересна всем. Далее начинается часть, которая предназначена для тех, кто хорошо представляет современные термины в области теории эволюции и интересуется альтернативными концепциями эволюции.
Кроме очевидно ложных идей креационистов о невозможности эволюции, который опровергаются данным примером, существуют альтернативные эволюционные концепции, сторонники которых пытаются отказаться от естественного отбора или приуменьшить его значение.
Я считаю, что такие концепции не далеко ушли от креационизма и называю их "скрытым разумным замыслом". Дело в том, что организм не может заведомо "знать", какие новые мутации являются полезными для выживания в мире, а какие нет. Узнать какая мутация полезна, а какая вредна, можно только методом проб и ошибок, то есть с помощью естественного отбора, отсеивая плохие мутации и оставляя хорошие. Альтернатива на самом деле одна: все уже просчитано каким-нибудь "разумом" (вариантов как это назвать много), направляющим эволюцию (отсюда и термин: "скрытый разумный замысел"). Это относится к таким концепциям как Номогенез и Ламаркизм. Проблема здесь заключается в направленных мутациях.
Номогенез. Одно из основных положений - признание закономерного характера изменчивости организмов, лежащей в основе эволюционного процесса.
Ламаркизм. «Упражнение» и «неупражнения» органов сказывается на их эволюционной судьбе, поскольку предполагается, что последствия упражнения или неупражнения могут передаваться по наследству.
Существует две основных причины мутаций: ошибки полимеразы и повреждение нуклеотидов активными радикалами. Оба процесса идут стохастически, как и любые химические реакции. Хотя экспериментально установлено, что практически все новые мутации носят именно случайных характер (и даже установлена функция распределения), направленные мутации, действительно существуют. Например у бактерий есть "криптические гены" - гены, которые могут активироваться или выключаться путем направленных мутаций, которые осуществляются в определенных условиях, с помощью специального механизма. И хотя нужно признать, что сами мутации в этой ситуации - полезны и направлены, характер этих мутации задается механизмом, который сам должен был возникнуть в ходе эволюции. Стало быть такие мутации не следует рассматривать как новые, а нужно рассматривать как возврат к уже проверенному старому состоянию участка ДНК т.е. это не механизм эволюции, а такой же механизм регуляции, как например, использование транскрипционных факторов. То же самое касается эпигенетических механизмов.
Однако это все болтовня, а реальность намного проще. Всем сторонникам альтернативных теорий эволюции, я предлагаю простую задачку:
Напишите программу, моделирующую эволюцию "муравейчика" такую, чтобы в ней не было отбора. И покажите, что муравейчик, ловящий гусениц, может возникнуть без естественного отбора.
В моей программе отключение отбора приводит к прямой линии на графике (вторая прямая на графике). Более того, если эволюция уже достигла высот, отключение отбора приводит к стремительной деградации (не показано на графике).
Я утверждаю, что без отбора невозможна не только эволюция живых организмов, но и отсутствие деградации (если конечно есть куда деградировать: нижняя точка графика уже соответствует максимальной энтропии нейронной сети, все связи абсолютно случайны).
Есть и другой вариант этой задачки:
Выведите популяцию бактерий устойчивых к антибиотику, не используя отбор и генную инженерию ("разумный замысел").
С помощью искусственного отбора это не составляет проблем: добавляем в среду немного антибиотика, бактериям плохо, у них включаются полимеразы, делающие много ошибок при репликации ДНК, у некоторых появляется резистентность, они образуют колонию.
Пока что ни один сторонник "альтернативных теорий" решить указанные задачки не смог, в то время как современная теория эволюции эти задачки решает с помощью отбора без проблем. Есть и другие задачки, которые я мог бы задать, но пока не решены хотя бы эти две, альтернативные теории эволюции так и останутся не больше, чем философскими измышлениями. Разумеется речь идет лишь об альтернативных теориях, пытающихся избавиться от отбора. Мои рассуждения не являются аргументом, против гипотез сальтационизма (группа эволюционных теорий, по которым видообразование происходит очень быстро - в течение нескольких поколений). Разумеется я не отвергаю наличие нейтральных мутаций и дрейфа генов.