Znaczenie poszukiwań sztucznego życia

Jakie będzie ostateczne znaczenie poszukiwań sztucznego życia w badaniach biologicznych, filozofii i w poglądach naszych wnuków?

Już samo pojęcie „sztuczne życie” wydaje się mieć w sobie coś sztucznego. Czyż życie nie jest pierwszym skojarzeniem, kiedy myślimy o przyrodzie, czyli o czymś, co wydaje się przeciwieństwem sztuki i techniki jako skutków działalności człowieka? Pojęcie to sugeruje, że człowiek w swoim twórczym pędzie zabiera się do stworzenia życia. Ale życie przecież już istnieje, a procesy, które doprowadziły do jego powstania, są przedmiotem fascynujących badań naukowych.
Ingerencja człowieka w świat ożywiony rozpoczęła się wraz z hodowlą i uprawą roli. Coraz lepsze poznanie procesów zachodzących w elementarnych modułach życia – komórkach – umożliwiło tworzenie organizmów o nieistniejących do tej pory właściwościach. Pracuje się już nad hodowlą całych organów, a wprowadzenie takiego nieznanego przyrodzie procesu, jak klonowanie złożonych organizmów wywołało ostatnio tyle samo nadziei, co i obaw. Rozpoczęły się przygotowania do syntezy prostej komórki. Czy będzie więc można mówić o sztucznym życiu? W pewnym sensie tak, ale obecnie termin ten oznacza już coś innego.

Poza „szowinizmem węglowym”

Życie jest formą istnienia białka – śpiewali kiedyś Skaldowie, przedrzeźniając koryfeuszy jedynie słusznego światopoglądu. Ale akurat z tym sformułowaniem zgodzi się niewątpliwie zdecydowana większość współczesnych przyrodników. Trzeba to jednak nieco uogólnić: życie, jakie znamy, jest możliwe dzięki unikalnej zdolności atomów węgla do tworzenia z innymi pierwiastkami małych, średnich i bardzo dużych cząsteczek o ogromnej różnorodności struktury i własności chemicznych. Węgiel, wodór i tlen to główne pierwiastki składające się na białka, tłuszcze i cukry – podstawowy budulec komórek i wirusów. Nie zapominając o kluczowej roli niektórych innych pierwiastków, można spokojnie stwierdzić, że życie jest oparte na chemicznych związkach węgla. Twierdzenie, że życie może istnieć tylko na tak określonym podłożu materialnym, zostało nazwane przez Chrisa Langtona „szowinizmem węglowym”. Czy życie może istnieć bez tej całej biochemii? Po czym jednak moglibyśmy rozpoznać, że jest to życie? Czy są jakieś cechy znanego nam życia, które mogłyby być opisane niezależnie od ich biochemicznego podłoża? Co to jest życie w ogólności? Takie pytania postawił Langton w programowym artykule otwierającym I Konferencję Sztucznego Życia, która odbyła się w 1986 roku. Ale nie tylko pytał, co to jest życie w ogólności. Sformułował jednocześnie pewien program badań. Stwierdził mianowicie, że jedynym dostępnym nam medium, które możemy dowolnie kształtować, jest czasowy ciąg typu „zero–jeden” (jest sygnał – nie ma sygnału), z zawrotną szybkością generowany według zadanych reguł przez komputer. Każdy, kto miał do czynienia z komputerem, wie oczywiście, że nie ma on nic wspólnego z polatującym nad polami skowronkiem. Podobnie trudno nazwać generowane komputerowo obrazy dinozaurów w filmie Jurassic Park sztucznym życiem. Matematyczne obliczenia, przeszukiwania baz danych czy „zapamiętanie” tego tekstu też nie są żadnymi przejawami życia w komputerze. Langtonowi chodziło oczywiście o coś innego. Życie ma pewne cechy, które pozwalają odróżnić je od „martwej natury”. Nie bardzo potrafimy obecnie określić, co to są za cechy w sposób na tyle abstrakcyjny, aby nie odwoływać się do biochemicznych przejawów życia. Spróbujmy więc „zsyntetyzować” sztuczne życie w komputerze opierając się na pewnych własnościach strukturalnych i funkcjonalnych organizmów żywych. Potem dopiero zastanowimy się, już na szerszej bazie „empirycznej”, co to jest życie w ogólności. Czy jednak można znaleźć takie własności, które byłyby charakterystyczne zarówno dla procesów życia, jak i życiopodobnych? Zwolennicy sztucznego życia odpowiadają na to pytanie pozytywnie.

Tylko sąsiad z sąsiadem

Na każdym poziomie życia, począwszy od reakcji biochemicznych w komórce, a skończywszy na ekosystemach, spotykamy ten sam schemat: pojedyncze jednostki mogące wpływać na zachowanie się innych jednostek i jednocześnie modyfikujące własne zachowanie pod wpływem pozostałych jednostek. A więc: jednostki i reguły ich zachowania, a w szczególności reguły „akcji i reakcji” przy spotkaniu z innymi jednostkami. I nic więcej, a już na pewno żadnych reguł sterujących układem jako całością „z zewnątrz”. Dla układów biologicznych jest przy tym charakterystyczne, że lokalne reguły są względnie proste, zwłaszcza w porównaniu z zachowaniem się całego układu. Własności układu, choćby najbardziej skomplikowane, muszą tu pojawić się jako skutek realizowania się jednostkowych reguł gry. Można by powiedzieć, że to przecież czysty redukcjonizm i nic nowego w nauce. Ale jest tu pewien haczyk, ukryty w modnym ostatnio słowie „pojawianie się” (ang. emergence). Redukcjonista użyłby tu przecież słowa „wynikanie”. Różnica między tymi dwoma pojęciami jest subtelna i na pewno zależy od tego, w jaki sposób sprecyzujemy ich znaczenie. W fizyce mówimy na przykład, że ruch Ziemi wokół Słońca wynika (czyli jest skutkiem) z działania siły grawitacyjnej wywieranej przez Słońce. Czy pościg charta za zającem (sztucznym, oczywiście) wynika (w podobnym sensie) z procesów elektrycznych i chemicznych zachodzących w komórkach jego ciała? A nasze myślenie z podobnych procesów zachodzących w mózgu? A może te procesy tylko pojawiają się na tle elektrochemicznych przemian w bioaktywnej materii? Zderzamy się tu z „gorącymi” tematami światopoglądowymi, więc może łatwiej będzie wytłumaczyć, o co chodzi z tym pojawianiem się na przykładzie układów sztucznego życia symulowanych w komputerach. Abstrahowanie od całej złożoności realnych układów niejednokrotnie już w historii nauki pozwoliło na intelektualne uchwycenie nowych sposobów ujęcia starych tematów.

Gra w życie

John Horton Conway, angielski matematyk, zaczął od przestawiania talerzy na podłodze podzielonej na regularne kwadraty zanim zorientował się, że łatwiej będzie mu szukać przy pomocy komputera. A szukał czegoś ciekawego. Co znaczy ciekawe dla matematyka? Warto by zapytać o to samego Conwaya, bo ciekawych rzeczy znalazł już w swoim życiu dużo. Tym razem chodziło o ciekawe procesy zachodzące na fragmencie mozaiki składającej się z małych kwadracików. Załóżmy, że każdy kwadracik może, ale nie musi, być zajęty przez jednego i tylko jednego stworka. Co stanie się z takim stworkiem zależy tylko od tego, co dzieje się w jego najbliższym sąsiedztwie utworzonym przez 8 kwadratów, z którymi jego „komórka” styka się bokami lub przynajmniej wierzchołkami. Jeżeli nie ma tam nikogo, to nasz stworek ginie, nie mogąc znieść samotności. Jeżeli ma czterech lub więcej sąsiadów – również ginie z przestworkowania. A więc przeżywa do następnego „dnia” (w nudnej terminologii informatycznej: kroku czasowego) tylko wtedy, jeżeli ma dwóch lub trzech sąsiadów (nie jest im lekko na tej mozaice...). A że nie ma życia bez rozmnażania, więc nasz stworek, jeżeli zauważy, że wraz z (dokładnie) dwoma innymi stworkami otaczają (w powyższym sensie) pustą komórkę, to przyczynia się wraz z nimi do powstania nowego stworka w tejże komórce. W ciągu dnia każdy stworek przygląda się swemu otoczeniu, sprawdzając, co ma do zrobienia i jaki los go czeka, a w następny dzionek zastaje już nowy układ stworków w komórkach (układ synchronicznie przeszedł w kolejnym kroku czasowym do nowego stanu – jeżeli ktoś woli taki opis). No i co? Ciekawe?

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?

© Jacek Waniewski

Dr hab. Jacek Waniewski, biocybernetyk, pracuje w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN w Warszawie.