(no subject)
Продолжение
I-й части конспекта
доклада Владислава Голощапова
"Научно-технический прогресс человечества,
теоретические ограничения и пути дальнейшего развития"
начало здесь.
По мере того как особь осваивает новое обобщение и относительная связанность рельефа возрастает, возрастает и абсолютное пространство (объем) поиска. Например, после того как жизнь приобрела мембрану и научилась управляемо менять состав внутренней среды, связанность ее адаптивного пространства сильно возросла. Пространство возможных решений стала больше. Когда жизнь стала многоклеточной, объем адаптивного пространства возрос еще больше.
Врезка 3 А.Семенова.
На мой взгляд, очень ярким примером одно из самых сильных обобщений в эволюции живого - механизм репарации ДНК.
Репарация ДНК - восстановление поврежденных участков двойной спирали (за счет избыточности, комплементарности каждой из ниток двойной спирали)
Этим в клетке занимаются специальные белки, например, ДНК-лигаза.
Обычно, когда рассказывают о дарвиновской эволюции не заостряют внимание на том, что мутации происходят СЛИШКОМ часто. Если бы мутации действительно так безраздельно властвовали над кодом, как это описывается в простейшей схеме наследование-мутации-отбор, жизнь в современной форме просто не могла бы существовать. Мутации столь сложную жизнь просто убили бы.
При копировании мутации проскакивают порядка 1 на 1000 скопированных нуклеотидов. Да и при простом "хранении" информации в ДНК, под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, мутации происходит с частотой от нескольких сотен до тысяч случаев в каждой клетке, каждый час!
Вполне возможно, что механизм репарации (даже у бактерий их не менее трех) был первым изобретением неизвестной нам преджизни, без которого она не могла принять современный известный нам сложный вид (хранение и передача по наследству миллионов нуклеотидных последовательностей).
Сразу возникает резанный вопрос. Раз жизнь научилась бороться с мутациями при первых своих шагах, почему, тогда она не защитила себя от сбоев совсем и не остановила эволюцию вообще, не развив механизмы репарации до предела совершенства?
Возможно, это было непозволительно сложно (дорого), но самая интересная гипотеза - в этом и не было смысла. Мутация, хотя и является, несомненно, врагом каждого гена, но будучи управляемой, становится другом сообщества генов, как механизм адаптации сообщества к внешней среде. Лучшее - враг хорошего. Уберите мутации совсем - жизнь закостенеет и однажды погибнет. Посудите сами. Если организм находится в комфортной среде, все биохимические циклы протекают успешно, механизмы репарации быстро восстанавливают поврежденные частыми мутациями участки. Геном (вид) не нуждается в эволюции и не эволюционирует (некоторые "ископаемые" виды сохранились практически неизменными сотни миллионов лет). Но если внешняя среда ухудшилась (организм голодает, недополучает необходимых веществ) метаболизм клетки начинает сбоить, в итоге сбоит и механизм репарации. То есть, включается обратная связь. Вероятность проскакивания мутации в следующее поколение возрастает. Таким образом, сообщество генов ВКЛЮЧАЕТ эволюцию, жертвуя некоторыми из своих членов ради спасения всего генома, допуская мутации (смещения генотипа за счет мутаций в новую точку адаптивного пространства). Из двух зол выбирает меньшее. То есть, эволюция происходит не всегда и постоянно, а когда в этом возникает необходимость.
Не стоит удивляться, если в сообществе генов нет равноправия на репарацию. То есть существуют гены, более защищенные от мутаций, чем другие. Среди "равных" (на первый взгляд) должны найтись "более равные".
Это логично.
В любом случае, надо четко понимать, что в процессе эволюции эволюционировали не только виды (собственно набор генов, отвечающих за фенотип животного) но и сам механизм эволюции (механизм адаптации генома к среде). В этом почти нет сомнения. Переходя на язык Голщапова, жизнь накапливала все более сильные и сильные обобщения для сохранения необходимой эволюционной пластичности генома.
Кстати, "идея" нервной системы для многоклеточных животных (на которую в итоге была частично перенесена задача обеспечения локальной адаптации) была, видимо, одной из таких сильных обобщений. И поэтому нет ничего удивительного в том, что геномы высших (с нашей точки зрения) животных со сложной нервной системой, оказываются куда примитивней, чем у некоторых "примитивных" представителей флоры.
Найдя такое сильное обобщение как нервная система, геномы животных, просто отстали в развитии собственно генома и адаптивных реакций на изменение среды.
О других примерах сильных обобщений (например, кроссинговере) см. ниже.
Понятие сильного обобщения легко распространяется и на эволюционные алгоритмы.
А я бы обобщил эту идею и на мыслительные процессы в мозгу животных и человека, да и на эволюцию культурных мемов тоже. Например, изобретение Ф. Бэконом института естественной науки было очень сильным обобщением, значительно ускорившим научно-технический прогресс цивилизации. Сюда же можно привести пример появление символической алгебры, которая резко упростило математические рассуждения (сделала доступным алгебру куда более широкому кругу людей). А в более древнее времена таким сильным обобщением можно без сомнения назвать появление у людей письменности.
Любая новая область человеческой деятельности требует появления специфического внутреннего языка, который сильно обобщает в короткие термины очень сложные (ранее) понятия. Делает многошаговые мутации одношаговыми.
Голощапов эту мысль вводит сразу, не отвлекаясь:
Например, вы не сможете найти эволюционным блуждание новую и вполне рабочую компоновку самолета, не введя понятие "центра массы".
Для того чтобы эволюционирующая система начала использовать новое сильное обобщение она должна найти для себя новый способ мутации.
Если способ мутации раз и навсегда задается снаружи (механизм жестко зафиксирован схемой эволюционного алгоритма), то новое сильное обобщение в системе появиться не может. Вы не получается качественной эволюции.
Для качественной эволюции нужно чтобы и сам процесс мутации был закодирован внутри нее самой. То есть, алгоритм поисковой активности должен быть "зашит" в сам код единицы популяции, тогда появляется возможность находить сильные обобщения и возникает полноценная эволюция.
Врезка 4 А.Семенова.
Само-репликация, само-развитие программного кода, Само-эволюция. Эволюция обращается сама к себе? Гм…
Сразу вспоминается "Хофштадтеровская петля" (обычно представляемая гравюрой Эшера "Рисующие руки" ), зеркальный коридор или понятие рекурси:
На мой взгляд, ключевая идея доклада.
Если эволюционирует не только геном, но и сам механизм эволюции, то эволюция живого это не только оптимизация генома, адаптация к некому рельефу, это эволюция и самого механизма адоптации к плохому рельефу. На хорошем рельефе нет смысла совершенствовать механизм поиска оптимума.
Таким образом, первоначальный алгоритм Дарвина "наследование->мутации->отбор" - это только "зародышь" для значительно более сложного понятия "эволюция".
Углубляя идею эволюции самой эволюции, надо, наверное сказать, что существует такое явление как ко-эволюция. Приспособление одних геномов к другим, которые друг для друга выступают факторами внешней среды, то есть давления отбора. По-сути, эволюция живого это не просто блуждание по некому фиксированному ландшафту но и формирование этого ландшафта. В этом случае, чисто технически, надо говорить о некотором изменения (дрейфе) целевой функции (критерия отбора) в процессе работа алгоритма, а в более общем смысле (другими словами) надо говорить об изменение рельефа под влиянием самих эволюционирующих особей.
Разумеется, ко-эволюция это тоже рекурсия. Только непрямая. Не обращение А к А, а обращение А к Б, и Б к А (кольцо может быть сколь угодно длинным).
Еще одна мысль "на полях"
Идея ко-эволюционного градиента. Например, если жизнь изобрела многоклеточные организмы, то из принципа: "более крупный организм менее уязвим для хищника", мы получим ко-эволюционную эскалацию размеров организмов и для жертвы, и для хищника. Потенциальным жертвам выгодней становиться крупнее (для чего у них изначально могут быть и другие причины), что приводит к укрупнению и хищников. Процесс замыкается и идет пока не достигнет физического предела (что в истории многоклеточных наблюдалось неоднократно).
Аналогичный ко-эволюционный градиент возникает и в случае изобретения нервной системы. Более сложное (разумное) поведение жертвы требует более развитого мозга у хищника, что опять ведет к ко-эволюционной эскалации сложности устройства мозгов всех участников "гонки".
Можно сказать, что взаимное влияние приводит к появлению некого глобального наклона ландшафта в данной области адаптивного пространства. Не ответ ли это на вопрос, движется ли эволюция в сторону разума?
Совсем уже от себя.
Я не перестаю повторять мысль (которая, оказывается не моя), что Разум- это эволюция, осознавшая сама себя. Эволюция в буквальном смысле этого слова. На вопрос, что такое "высшая" нервная деятельность нашего мозга ответ у меня прост - механизм эволюционной оптимизации алгоритмов нашего БЕССОЗНАТЕЛЬНОГО поведения. Допустим на минуту что это правда. Но тогда какова в этом роль сознания? Зачем оно нужно в генетическом алгоритме? Эволюция не нуждается в сознании и меня долгое время мучила эта проблема. Так вот, теперь появился "свет в конце туннеля". Видимо наше сознание, это и есть один из возможных механизмов рекурсивного замыкания эволюции идей в голове на саму себя (эволюцию идей). Получение этой само эволюции, само улучшения самой эволюции о которой говорит Голощапов как об истинной эволюции. Таким образом, сознание становится необходимой частью разума, если тот считать эволюции идей.
Забавная игра ума в духе Хофштадтера. Определение: "разум- это эволюция, осознавшая саму себя" само по себе рекурсивно. Люди, не признающие это определение раузма, разумеется, не осознают свой разум как эволюцию, которая осознала саму себя. Их самопонимание представление о самих себе, не попадает в тот "бесконечный коридор", в который попадают люди, признавшие данную идею как истину (например, я). Они не осознали сами себя как эволюцию и потому не являются, пока, разумными в полном смысле этого слова (как эволюция осознавшая себя). Все верно! Верно из самого себя. Тавтолония. :)
Яркий пример сильного обобщения в биологии - изобретение кроссинговера. При кроссинговере в цепочке кодирующих символов разово меняется большое количество букв. Потомок родителей совершает скачек на большое расстояние на адаптивном пространстве (в отличие от единичной мутации).
Уточнение А.Семенова.
Докладчик сказал, что это половой отбор, хотя кроссинговер работает и для гермафродитов. Вопрос о поле - другой вопрос. Да, кроссинговер быстро порождает пол. Но для кроссинговера, строго говоря, пол не нужен. Почему кроссинговер в итоге быстро "притягивает" жизнь к половому диморфизму - отдельный вопрос. Тут, видимо, речь идет о дальнейшем (напрашивающемся самим собой) повышении эволюционной пластичности генома (вида), то есть о следующем сильном обобщении механизма эволюции. Я, например, склонен согласиться с гипотезой Геодакяна, которая как раз в русле сказанного. Но как бы ни было на самом деле, в любом случае, мы видим во всем этом именно эволюцию самого механизма эволюции. В самой яркой своей форме.
Обратите внимание, даже самые примитивные генетические алгоритмы, где логика процесса эволюции четко фиксирована "внешней" схемой алгоритма (то есть это не есть полноценная эволюция по Голощапову), не обходятся без хотя бы одного сильного обобщения в виде кроссинговера. Одних только одношаговых мутаций для работы самых простых алгоритмов оптимизации было бы мало. Как минимум вводится и кроссинговер, который, по сути, является одним из сильнейших обобщений придуманных эволюцией, но наверняка не являющийся первым и далеко не последним изобретенным в процессе эволюции самой эволюции живого.
По сути, все современное развитие теории генетических алгоритмов, всевозможные придуманные там ухищрения - это все поиск сильных обобщений. И ничего больше.
Еще "узелок на память". Здесь напрашивается идея поискать обобщение с теоремой No free lunch (Никаких бесплатных обедов!), но оставим это пока в стороне. Просто запомним, что здесь может быть ключ к вопросу, заданному в первой врезке. Насколько универсальны эволюционные методы? No free lunch говорит - нет никаких универсальных случайных методов оптимизации. Да, нет. Но если мы используем эволюцию эволюций? То есть эволюцию самих узкоспециальных методов? И если так, то не здесь ли скрывается главная тайна эволюции, ее МАТЕМАТИЧЕСКОЕ дно? :)
Каждое очередное изобретение эволюцией сильного обобщение - это резкое уменьшение размерности пространства поиска. Но поскольку все подобные обобщения неточные ("эвристические" без гарантии успеха), то у нас может возникать ситуация, когда появляется "слишком сильное обобщение", в результате чего некоторая область адаптивного пространства становится принципиально недоступной.
Пока особь эволюционирует случайно - "закрытые", недоступные области рельефа не могут появится. Но эволюция может найти неслучайный алгоритм адоптации, который в данный момент (Ad hoc) дает куда лучший результат, чем случайны. Например, подобным примером слишком сильного обобщения может быть половой отбор (теперь речь идет именно о половом отборе как дополнительном к естественному отбору механизме отбора самого красивого самца на вкус самки). Самка субъективно оценивает эффективность генов самца, ей кажется, что в эту сторону адаптивный рельеф растет (самец красивый). И когда в процессе эволюции самих механизмов эволюции появляется такая избирательность (это, по сути, детерминированный градиентный метод оптимизации), может возникнуть ситуация, когда какие-то области пространства теперь становятся принципиально недоступны.
Изначально случайный (и универсальный) механизм вырождается в детерминированный (узкоспециальный).
Еще одна тонкость.
Жизнь, во-перовых, изучает адаптивный рельеф (ищет экстремумы), но что важно, во-вторых, стремиться расти и количественно, увеличить популяцию численно, чтобы покрыть все большее и большее пространство поиска. При постоянной численности найти что-то новое и ценное в большом (и тем более растущем) адаптивном пространстве становится все трудней и трудней.
Размер популяции - один из важнейших факторов эволюционного поиска.
Надо четко понимать: адаптивное пространство очень большое, фрагментов, на которых встречается что-то интересное, на самом деле, крайне мало. Чтобы что-то найти, надо перепробовать огромное число вариантов.
Так, биологическая жизнь за 4-е миллиарда лет изобрела лишь 4-ре способа фотосинтеза (все фотосинтезирующие белковые цепи происходят из четырех общих механизмов). И это притом, что было просмотрено пространство (ядро генетических решений) длиной, порядка 130 аминокислот. То есть, это пространство оказалось крайне сильно фрагментировано.
Еще яркий пример.
Биологи травили бактерию антибиотиком (ссылка на первоисточник должна быть в презентации). Перед этим было установлено, что дабы выработать у данной бактерии иммунитет к этой среде, нужно поменять 5 аминокислот (это хорошо проверенный биологами факт). И так, пять отдельных мутаций. Из начальной стадии А в конечную стадию В можно было дойти 120 путями (5!=120). Биологи не поленились и проверили все 120 маршрутов, получилось, что только 5 путей не имели летального шага. Только 5 из 120 вели к нужной мутации (были пространственно-связаны). А из этих 5-и только один давал большую приспособленность, чем предыдущий на каждом новом шаге. По сути, этот единственный и вел к искомой адоптации.
То есть, и здесь адаптивное пространство оказалось чрезвычайно "рваным".
Другое исследование показало, насколько подобное же пространство может оказаться связанным при наличии сильных обобщений.
Был обнаружен фермент сложной архитектуры с очень маленьким активным ядром. Проверили все возможные изменения в структуре этого белка. Получалось, что большинство замен кодирующих аминокислот заведомо убивали полимер кроме изменений в 20-и точках, которые варьировались без особого вреда. Замечательно было и то, что если менялись эти точки, то фермент начинал производить (катализировать) другое вещество в разных смесях, в разных пропорциях и т.д.
То есть адаптивное пространство для данного белка характеризуется низкой связанностью, поэтому все качественные изменения для него возникали посредством некого сильного обобщения, которое оказалось, заложено в архитектуру белка.
В чем новизна такого взгляда на биологическую эволюцию?
Новый способ исследования.
Это несколько меняет то, каким способом мы для себя описываем эволюцию.
Если раньше в биологии мы исследовали конкретные технологические решения, которые возникают в процессе эволюции, то, взглянув на эволюцию с этой позиции, мы начинаем изучать семейства решений.
Например, берется белок и исследуется все пространство возможных белков, которые получаются пятью одиночными мутациями.
С этой точки зрения интересен взгляд на процесс видообразования.
Реплика Панова: Получается, что вид может долго находиться "в яме" (на неком экстремуме), но если рельеф начал меняться, популяция растекается (при этом многие генетические линии вымирают) и вся популяция точек растекается в новые ямы. Поэтому процесс видообразования (при изменении условий адаптации, при "подвижках рельефа") происходит так быстро.
Да, раньше так и считалось, что вид может образоваться только тогда, когда случаются подвижки адаптивного рельефа, разделение чем-то форсировано, например часть популяции выплеснулась в новую область рельефа, а потом вырос разделяющий барьер. Но такое происходит достаточно редко.
Сейчас уже обнаружили несколько механизмов, которые позволяют видам обособляться даже внутри хорошо связанной области адаптивного рельефа. Например, обнаружено, что дрозофила будет менять интенсивность своей поисковой активности в зависимости от того, в насколько тяжелых условиях она находится.
Если ее не докармливать, она отдает преимущество при скрещивании тем, кто являются для нее наиболее близкими родственниками, то есть она определяет эволюционное расстояние. В итоге большая часть мутаций направлена наружу. Фактически, генотип дрозофилы целенаправленно управляет своей эволютивностью.
Врезка 5 А.Семенова.
Почувствовать себя такой дрозофилой несложно (и полезно).
Вспомним о "животном фашизме" высших животных, в том числе и нас, на который давно указывают этологи. "Карикатурно" похожие на нас "уроды" выглядят куда отвратительней, чем совсем не похожие на нас существа.
Поэтому гипотеза происхождение нас от карикатурно-похожих на людей обезьян вызывала и продолжает вызывать инстинктивный, неосознанный, внутренний протест у огромного числа людей. Карикатура на Дарвина - яркий рецидив этого.
Можно сказать, что мы находимся под действием некое сильного обобщения найденного когда-то эволюцией - механизма поведенческого видообразования, который нас, по-видимому, "от обезьян" (неких давно вымерших гоминидов) и произвел за очень короткий период в ~5 миллионов лет (разобщил в отдельные виды быстрей, чем те потеряли способность скрещиваться).
И действительно. Нам неприятны именно похожие на нас "уроды". "Карикатуры" на нас. В противоположность этому мы не испытываем такого отвращения к далеким от нас (не являющимся на нас карикатурами) видам. Американские индейцы ничего не имели против, чтобы происходить от "благородных" животных: волков, медведей, орлов, лис, оленей… Звероподобные боги египтян никого не смешили, а вызывали уважение страх и трепет.
О вымираниях (возник вопрос из зала уже в процессе обсуждения).
То место, которое вид занимает на рельефе, само по себе может иметь разную степень устойчивости. Если яма глубокая (или пик высокий), то даже в случае сильного потрясения экосистемы вид может там удержаться. Если же адаптивный рельеф сглажен, то стоит ему немного наклониться (измениться) под действием внешнего фактора - популяция сильно меняется.
Эмпирически установлено, что если ключевые виды нашли глубокую "адаптивную яму", если сама экосистема в целом стабильна, то крупные катаклизмы не приводят к критическим изменениям.
В палеонтологической летописи были случаи, когда в планету попадал метеорит, порождавший настолько масштабные сдвиги сред обитаний, что на расстоянии половины земной окружности от места падения, волна выплескивала морских животных на гору высотой до полукилометра. Грубо говоря, метеорит падал на экваторе, а в Антарктике на гору выплескивался планктон. Но даже такие сильные удары не приводили к заметному сдвигу в составе биосферы.
Но в истории биосферы возникали периоды (как они возникали - отдельный разговор) когда биосфера становилась куда менее устойчива сама по себе (адаптивный рельеф "сглаживался"). В этом случае многие ключевые виды в экосистемах оказывались в неглубоких экологических нишах. И сравнительно небольшое потрясение приводило к полной смене состава биосферы.
Врезка 6 А.Семенова.
Процент вымирания морской фауны в течение фанерозоя. Для каждого интервала времени показано, какой процент существовавших тогда родов не дожил до следующего интервала. Показаны вымирания не всех родов, а лишь сохранившихся в окаменелостях Взято здесь.
То есть, с точки зрения этой парадигмы известные крупные катастрофы-вымирания в истории биосферы происходили не тогда когда случались крупные космические или геологические катаклизмы (катаклизмы в это момент случались, но они были вполне рядовые), а когда именно мелкий адаптивный рельеф стал причиной, спусковым крючком "потопа" (массового вымирания).
(вопрос из зала): Но были в эволюции материи и крупные фазовые переходы.
Переход от неживой к живой, от неразумного к разуму.
Можно ли их объяснить эволюцией?
С точки зрения концепции сильных обобщений это как раз не только можно сделать, но такие крупные скачки надо признать неизбежным результатом эволюции. Более того, без этого эволюция просто не может существовать. С точки зрения этой парадигмы все подобные скачки являются ситуацией, когда одна или несколько особей освоили новое сильное обобщение. То, что в классике называется фазовым переходом, здесь описывается как освоение системой нового сильного обобщения.
Врезка 7 А.Семенова.
Другое название в русскоязычной литературе данного явления, подобного фазового перехода - "ароморфоз"
Подробней смотреть здесь.
Для тех, кто освоил этот новый алгоритм, эффективная размерность пространства резко сокращается. Ровно настолько, насколько эффективно данное обобщение. Что соответственно увеличивает скорость эволюции.
Большинство фазовых переходов можно трактовать именно через появление новых сильных обобщений. В биологической эволюции, можно просто посмотреть какой алгоритм был освоен, чтобы совершить очередной фазовый скачек.
Причем, столкновение с фазовым переходом состоит из двух частей. Из негативной части и конструктивной. Они не обязательно сопровождают друг друга. Конструктивная случается, когда новое обобщение осваивается и мы говорим что произошел фазовый переход. А вторая (негативная) когда ситуация для фазового перехода появилась, например заполнено дно адаптивного "озера" (на некотором фитнес-ландшафте, где идет оптимизация не по максимуму, то есть по пикам, а по минимуму, по впадинам), а выйти за его пределы больше никакая популяция не может. Ситуация возникла, а новое сильное обобщение не возникло. В этом случае происходит либо вымирание, либо уступка ведущей эволюционной роли, либо еще что-то в этом роде (бег по кругу, зацикливание).
Как раз для данной парадигмы конструктивное разрешение негативной ситуации НЕ ЕСТЬ НЕИЗБЕЖНОЕ УСЛОВИЕ ЭВОЛЮЦИИ, потому что исходная размерность пространства настолько чудовищно, что даже за все время все бактерии столько вариантов не перепробовали. А путь эволюции лежит ТОЛЬКО через сильные обобщения.
Панов: возникновение обобщения не ведет к фазовому переходу. Нужно чтобы рельеф измельчал (появились условия, в которых обладатели сильного обобщения могут занять лидирующее положение). Например, протерозойская революция. Эвкариоты - это обобщения. Но условия возникли через полтора миллиарда лет, когда атмосфера отравилась кислородом. И вот тогда произошел фазовый переход и эвкариоты стали лидирующей силой.
Иногда фазовые переходы могут произойти в обратном порядке. Сначала сложатся условия, потом новая технология. Очень редко, но бывает.
Конец первой части.
Продолжение