Журнал «Вокруг Света» №09 за 2009 год

Творчество техноэволюции

Биологическая эволюция породила на Земле человека с его способностью к творчеству. Механизм творчества пока не вполне ясен, но это не мешает нам с его помощью строить машины. Некоторые машины уже способны самостоятельно находить решения сложных задач. Пока мы еще можем объяснить, как они это делают, но уже скоро все может измениться. Ведь эволюция машин идет на много порядков быстрее биологической.

В апреле 2009 года престижный научный журнал Science сообщил о микробиологическом открытии — в длинной серии опытов были выявлены функции 12 генов дрожжей S. cerevisiae. Результат далеко не сенсационный и мог быть опубликован в узкоспециальном журнале, если бы не одна особенность. Всю работу (от выдвижения гипотез и планирования экспериментов до их проведения и формулирования выводов) выполнил «Адам» — автоматический исследовательский комплекс, создававшийся с 1999 года в Университете Аберистуита в рамках проекта Robot Scientist («Робот-ученый»). Его разработчикам осталось лишь подготовить статью к публикации. Освободившееся время они тратят на «Еву» — новую интеллектуальную установку, которая займется поиском лекарства от малярии. «Адам» будет помогать ей с подготовкой дрожжевых культур для биохимических тестов.

Пример «Адама» и «Евы» вновь поднимает старые вопросы: могут ли машины мыслить, способны ли они к творчеству и как далеко может зайти их развитие? В трактате Summa Technoligiae («Сумма технологии»), опубликованном в 1963 году, фантаст и футуролог Станислав Лем задавался вопросом: «Говорят, что можно будет автоматизировать только нетворческую умственную деятельность. Где доказательства?» И сам же отвечал: «Их нет и, более того, не может быть». За прошедшие полвека универсальный искусственный интеллект так и не появился, и специалисты стали скептически оценивать креативные возможности машин. Даже когда компьютеры безоговорочно превзошли человека в шахматах, в этом не усмотрели проявления машинного творчества. Перебор вариантов, пусть даже оптимизированный за счет отбрасывания бесперспективных ветвей, непохож на творческий акт человека, сразу открывающий нам верное решение.

Проблема состоит в том, что непосредственно мы воспринимаем творчество лишь субъективно, как форму своей собственной деятельности. Мы готовы допустить аналогичную способность у других людей, поскольку они похожи на нас. Но можно ли в принципе говорить о творчестве в применении к системам, очень далеким от человека? С антропоцентрической точки зрения, для которой ключевым элементом творчества являются сопровождающие его внутренние переживания, мы никогда не сможем ответить на этот вопрос. Но с позиции внешнего объективного наблюдателя мы видим, что люди появились на Земле в результате биологической эволюции. Если не предполагать, что способность к творчеству возникла у нас благодаря вмешательству сверхъестественных мистических сил, то нельзя исключить зарождения аналогичных способностей и у технических систем, тем более что их развитие во многом подобно развитию жизни.

Две эволюции

Все в той же «Сумме технологии» Лем проводит параллель между биологической и технологической эволюцией. Адаптация к экологическим и рыночным нишам порождает новые виды организмов и модели устройств, которые, достигнув расцвета, вытесняются более совершенными конкурентами. Когда в череде модификаций возникают глубокие принципиальные усовершенствования, они поначалу могут выглядеть неэффективными и даже делать своих носителей более уязвимыми. Но открываемые ими качественно новые возможности позволяют захватывать пустующие ниши, а потом успешно вторгаться и в занятые.

Подобие био- и техноэволюции не случайно. В основе обоих процессов лежат изменчивость и отбор. В биологии генетический код подвергается случайным мутациям и перетасовывается при скрещивании. Особи конкурируют между собой в стремлении продолжить род и передают по наследству свою версию генома. В технике роль генома играет конструкторская документация, которая детально описывает устройство изделий и способ их производства. Вносимые в нее поправки обеспечивают изменчивость машин, а отбор удачных конструкций выполняется в ходе моделирования, испытаний и рыночной конкуренции.

Впервые сходство эволюционных ролей генома и технической документации отметил в середине 1970-х годов профессор МЭИ Борис Иванович Кудрин. Развивая биологическую метафору, он стал описывать техническую реальность в терминах видов, популяций и экосистем. По аналогии с биоценозом он ввел понятие техноценоза как ограниченного в пространстве и времени сообщества изделий разных видов, рассматриваемого как единое целое. Примерами техноценозов могут служить завод, город или некая их подсистема, например метрополитен. Техноценоз существует дольше большинства составляющих его изделий и моделей и по отношению к ним играет роль окружающей среды.

Изменение взаимосвязей между техноценозами (например, через стандарты, стоимость ресурсов, состав выпускаемой продукции) смещает в них «экологическое» равновесие в пользу одних устройств за счет других, а также провоцирует появление их новых модификаций. Так на уровне техноценозов идет отбор моделей. Хотя в этом процессе участвует человек, принимаемые им решения, как правило, продиктованы внутренней логикой функционирования техноценоза. И даже когда инженер волен действовать по собственному усмотрению, сделанный им выбор сразу попадает в решето техноэволюционного отбора.

Но между био- и техноэволюцией есть важное различие, которое подчеркивал еще Лем. Изменения, вносимые в геном случайными мутациями, всегда минимальны, и поэтому цепочка от древнейших организмов до современных почти непрерывна. В то же время человек, который служит двигателем техноэволюции, способен целенаправленно и порой радикально менять конструкции устройств.

Случайность или замысел? Под знаком этого вопроса второе столетие ведется неутихающая полемика вокруг теории эволюции. Ее противники, креационисты и сторонники теории разумного замысла, часто приводят «аргумент часовщика»: найдя на дороге швейцарские часы, вы вряд ли предположите, что их совершенный механизм возник в результате цепочки случайностей. Но живые организмы устроены гораздо сложнее часов, так что было бы естественно видеть и в них замысел разумного конструктора.

Парадокс, однако, состоит в том, что на самом деле швейцарские часы возникают именно в ходе естественной эволюции, движимой случаем, хотя она и воспринимается нами как воплощение замысла. Чтобы понять это, нам понадобится детально разобрать процессы, приводящие в движение техноэволюцию, рассмотреть ее механизм на микроуровне.

Измерение сложности

Турчин: теория метасистемного перехода

Уподобив творчество эволюции, мы должны бы перестать удивляться тому, что за миллиарды лет в природе возникли системы, которые превосходят по сложности творения человеческого разума. Но рациональные аргументы часто бессильны против эмоций. Изощренность устройства живых организмов производит такое неизгладимое впечатление, что трудно поверить в их появление путем случайных проб и ошибок. Сложность и совершенство кажутся нам прямой противоположностью естественности и случайности. Но что мы знаем о них? По каким признакам отличаем сложное от простого? Сложность не измерить прибором, как массу или температуру. Часто для этой цели предлагают использовать энтропию, «меру беспорядка в системе», как объясняют ее смысл в популярных книгах. Казалось бы, чем сложнее система, тем выше ее организация и ниже энтропия. Скажем, у текста «Войны и мира» она в несколько раз меньше, чем у случайной последовательности букв (привет обезьяне за пишущей машинкой). Однако самая низкая энтропия у тривиального повторения одной буквы от «залипшей» кнопки на клавиатуре. Так что на роль меры сложности энтропия не годится. В повседневной жизни сложность оценивают по трудоемкости достижения того или иного результата. Но в таком случае ее мерилом становятся наши способности и ограничения. Однако у природы и человека разные представления о простом и сложном. Мастеру-граверу, например, нужно много дней, чтобы воспроизвести на стекле рисунок изморози, а молекулы воды сами складываются в этот узор, и, похоже, для них это не составляет труда. С другой стороны, за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колеса. Сложностное «измерение» реальности еще ждет своего Коперника, который освободит его от антропоцентрических искажений. Один из подходов к этой проблеме предложил физик и программист Валентин Федорович Турчин в книге «Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции», написанной все в те же 1970-е годы. Центральное понятие книги — метасистемный переход, случающийся, когда несколько однотипных объектов или структур соединяются и за счет совместного координированного поведения обретают качественно новые возможности для адаптации к окружающей среде. Подсчитайте число таких переходов, необходимых для постройки системы из элементарных кирпичиков, и вы получите грубую оценку ее сложности. Например, на пути от живой клетки до человеческой культуры Турчин насчитывает шесть крупных метасистемных переходов. Каждый из них был событием революционным и, вероятно, требовал огромного числа проб и ошибок. И все же серия таких переходов уже не выглядит столь невероятной, как случайная сборка 3 миллиардов нуклеотидов в цепочку ДНК.

Естественный отбор идей

Совершенствуя устройство, инженер стремится к определенной цели: достичь конкретных показателей по эффективности, надежности, функциональности, стоимости. Ему нужно, чтобы устройство было востребовано. Тогда компания получит прибыль, а инженер — зарплату. Рынок порождает конкуренцию и осуществляет отбор технических устройств, а инженер борется на нем за выживание своих разработок. Это прямое продолжение его собственного биологического стремления к выживанию и продолжению рода — он должен заработать на жизнь и обеспечить себе социальный статус. Инструментом этой борьбы служат технические идеи, меняющие конструкцию, или применение различных устройств.

Как возникают инженерные идеи? Часто говорят о творческой искре, вдохновении, озарении. Но рассмотрим процесс инженерного творчества подробнее. Пытаясь улучшить характеристики устройства, инженер перебирает в уме возможности: заменить одну деталь другой, пересмотреть компоновку узлов, выбрать иной режим работы... Из огромного числа вариантов выделяется несколько наиболее удачных для тщательного изучения. Достигается ли нужный эффект? Надежно ли решение? Совместимо ли с другими подсистемами? Не нарушаются ли чужие патенты? Хватит ли времени на отработку? В итоге все сводится к одному комплексному суперкритерию: окупятся ли затраты в установленные сроки, стоит ли овчинка выделки?

Размышляя об этом, инженер мысленно моделирует возможный будущий отбор, с которым предстоит столкнуться новому устройству. Большая часть возникающих технических идей после секундного обдумывания отбрасывается. Лишь немногие удостаиваются более продолжительного внимания. Следующий уровень отбора — появление записей, эскизов, подсчетов. Символы на бумаге становятся первым материальным воплощением интересных конструкторских решений. Пройдя фильтр технического совета, они выражаются в форме документации разной степени проработанности: от эскизного проекта до детальных чертежей и технологических схем — еще несколько уровней отбора. Затем изготавливаются и испытываются пилотные экземпляры нового устройства. Это весьма затратное дело, и лишь лучшие технические решения доживают до этой стадии, а успешно проходят ее буквально единицы. Наконец, устройства попадают с заводского конвейера на рынок, и теперь уже потребители решают, насколько удачным получился результат, готовы ли они за него платить. Успех позволит инженерам компании сделать следующий шаг в развитии своих разработок.

На всех этапах описанного процесса различные идеи могут взаимодействовать между собой, модифицируясь и приспосабливаясь к требованиям отбора. По Кудрину, роль генома в техноэволюции играет конструкторская документация. Но в отличие от живых систем в технике она не дублируется в каждом экземпляре устройства, а хранится отдельно, благодаря чему может заимствоваться и заменяться по частям. Удачные решения, найденные для одного вида техники, могут переноситься на другие, что значительно ускоряет техноэволюцию. В живой природе такого почти не случается (впрочем, генная инженерия уже работает над устранением этого недостатка).

Так в общих чертах выглядит механизм техноэволюции. Но в этой картине остается непроясненным одно ключевое звено: как возникают те первичные идеи, которые в дальнейшем подвергаются отбору? Поэтому присмотримся к инженерному творчеству еще внимательнее.

Вселенная слишком велика для человека в его нынешнем виде. Но техноэволюция может породить практически бессмертные гиперценозы, способные заселить безграничный космос. О жизни человека в их составе можно лишь фантазировать. Цивилизация боргов из сериала «Звездный путь» — одна из таких мрачных фантазий. Фото: ALAMY/PHOTAS

Анатомия творчества

В ответ на несложную задачу человек обычно сразу предлагает пару вариантов решения. Подумав, он назовет еще несколько, а если напряжется, то, возможно, добавит какие-то неожиданные идеи. Значит, решения не лежат «на поверхности сознания», чтобы в любой момент можно было их взять и перечислить. Варианты развертываются перед мысленным взором инженера, появляясь как будто ниоткуда. «А что если так?» — слова, зачастую сопровождающие такое появление. «Нет, не получится», — наиболее частый ответ самому себе на этот вопрос. Идеи выплывают из глубин подсознания, где идут безотчетные процессы: одни нейронные комплексы возбуждаются, другие затормаживаются. Мозговые процессы сложно интерферируют, гася или усиливая друг друга, и лишь некоторые «сполохи подсознания» порождают «вспышки» достаточной силы, чтобы привлечь осознанное внимание и запустить описанный выше процесс рационального отбора.

Нейрофизиологи пока не могут детально отслеживать протекающие в мозгу процессы, а тем более сопоставлять их с теми или иными аспектами поиска нужной идеи. Но в самой реальности подсознательного поиска сомнений нет. Опыт специалиста во многом определяется тем, что в его мозгу складываются нейронные структуры, быстро выдающие удачные подходы к решению определенного класса задач. Но эти структуры приводятся в действие спонтанной активностью мозга, которая не поддается сознательному контролю и протекает в значительной мере помимо воли человека. Субъективно это воспринимается как творческая деятельность.

Было бы неверно говорить, будто в подсознании обращаются готовые технические идеи. Скорее, это произвольно возникающие возбуждения, отвечающие определенному усилию или образу, вроде тех, что сопровождают поиск неожиданно забытого слова. Благодаря организации мозга и сосредоточению на поставленной задаче одни формы активности гасятся, другие усиливаются. Спонтанные мозговые возбуждения как бы борются за выживание в заданной окружающей среде и подвергаются отбору, конкурируя за доступ к ограниченному ресурсу сознательного внимания. Фактически это все тот же процесс естественного отбора.

С позиций этого анализа спор между эволюционистами и сторонниками «разумного замысла» получает неожиданный поворот. Оказывается, модель «цель плюс творчество», по сути, эквивалентна модели «случайность плюс отбор». Техника, на создание которой мы тратим свои творческие силы, в действительности возникает как продукт эволюции быстро меняющихся нейронных структур. С другой стороны, эволюцию жизни, которая складывается из отбора случайных мутаций, можно рассматривать как колоссальный творческий разум, далеко превосходящий по своим возможностям человеческий мозг, но работающий в миллион раз медленнее.

Воля техноценоза

Представление о техноценозах Кудрин отрабатывал на примере знаменитой «Магнитки». Изучая электрооборудование огромного металлургического предприятия, он насчитал порядка 100 000 электрических машин, около миллиона низковольтных аппаратов, десятки миллионов проводов и кабелей, а в целом миллиарды различных электротехнических изделий, блоков, деталей. Оказалось, что в каждой нише имеются 1—2 самые распространенные модели, а остальные образуют длинный хвост все более редких форм. Точно такой же закономерности подчиняется численность видов в живой природе. Никто преднамеренно не закладывал в техноценоз это распределение. Оно возникло естественным образом, помимо индивидуальной воли людей, которые разрабатывали и обслуживали технику. Одни изделия, оказавшись эффективными, широко распространялись, другие отторгались, третьи применялись лишь изредка. Техноценоз как будто бы обладает зачатками свободной воли и «продавливает» определенные решения. Людям кажется, что они сами от начала до конца определяют развитие технических систем. Однако ученик Кудрина профессор Гнатюк отмечает, что любой проектировщик всегда находится «в жестких тисках системы технических требований». Как правило, он не выбирает задачу, а лишь в меру своих способностей находит эффективный способ ее решения. Так проявляется воля техноценоза и включенность человека в его структуру.

В миллион раз быстрее жизни

Генетические мутации проходят отбор, лишь реализовавшись в форме особи, а то и группы особей. Это очень медленный процесс. Даже у бактерий уходят часы на то, чтобы породить новое поколение. А у крупных видов — десятки лет. В технике элементарным мутациям соответствуют формирование и распад нейронных связей в мозгу. Временной масштаб этих явлений составляет от сотых долей секунды, когда возбуждение гаснет, не достигая сознания, до минут, когда в состоянии транса схватывается особенно сложный образ. То есть темп возникновения и отсева таких подсознательных «мутаций» в очень грубом приближении в миллион раз выше, чем биологических, и во столько же раз быстрее идет техноэволюция.

Если в биологии время существования вида измеряется миллионами лет, то в технике — годами. Эволюция жизни на Земле от генетического кода простейших до человека заняла 4 миллиарда лет. Техноэволюции могут потребоваться не миллиарды, а всего несколько тысяч лет, чтобы породить системы, сопоставимые по сложности с человеком. Конечно, это очень грубая оценка, так что нет смысла выяснять, откуда вести отсчет этого срока — от появления речи, письменности или книгопечатания. Ясно только, что за время, ничтожное по сравнению с длительностью биологической эволюции, техника превзойдет ее по сложности и совершенству своих созданий.

Это позволяет по-новому взглянуть на роль человека, находящегося на стыке двух грандиозных эволюционных потоков — биологического и технического. Мы явились итогом чудовищно медленных трансформаций генетического кода, каждая буква которого написана жизнью и смертью миллионов существ. Но теперь наш мозг комбинирует буквы с немыслимой по генетическим меркам быстротой, и большинство новых комбинаций оценивается без материального воплощения.

Трудно смириться с этой мыслью, но серое вещество человека играет роль субстрата для технической эволюции. В наших головах рождаются и умирают идеи, конкурирующие за право реализации «в железе». В работу идут лишь самые эффективные из них. Это именно они всего за несколько тысячелетий радикально изменили ландшафт планеты и формируют будущую техническую среду обитания, вытеснив наших недавних конкурентов-животных в резервации заповедников. Но возможностей мозга нам уже недостаточно, и мы создаем компьютеры, способные еще быстрее комбинировать символы и отбирать варианты.

Кислородная атмосфера Земли и многие геологические структуры сформированы в ходе эволюции жизни. Эволюция техники может привнести куда более масштабные перемены. Лишь специальные усилия позволят сохранить островки первозданной природы. На остальной части планеты уже формируется искусственная среда обитания. Фото: ALAMY/PHOTAS

Гиперценозы — стихии будущего

Антропоцентризм подталкивает нас думать о технике лишь как об инструменте, подконтрольном человеку и расширяющем возможности его органов. Между тем сама техника управляет человеком едва ли не в большей степени. Мы осваиваем устройства и программы, приспосабливаемся к их функциям, встраиваемся в технологические цепочки и тратим годы на приобретение и поддержание квалификации. Именно вокруг технических возможностей и проблем формируются новые рынки, виды деятельности и даже формы социальной жизни. Мы превозносим (или ругаем) хитроумных изобретателей, но создаваемые ими устройства распространяются не раньше, чем техническая среда готова их принять. А потом это становится лишь вопросом времени: техноэволюция идет хотя и в наших мозгах, но помимо нашей воли. Ее невозможно остановить, по крайней мере сохранив человека и общество такими, как мы их знаем. Искусственные ограничения и запреты могут лишь временно задержать ее ход. Нам надо готовиться жить в новой окружающей среде, отвечающей техническому этапу эволюции, который пришел на смену биологическому.

Такое видение будущего может пугать, поскольку непонятно: найдется ли в нем место человеку или нам отведена роль недолговечного промежуточного звена между биологией и технологией? Уже сегодня есть признаки того, что человек становится узким местом для развития техники. Медленная реакция человека заставляет снижать скорость на дорогах. Большинство авиакатастроф случается из-за человеческого фактора. Почти никто уже не понимает во всех деталях работу современных компьютеров, так как многие их компоненты сами создаются компьютерами по более или менее общим спецификациям. Поэтому участие человека в управлении техникой будет и дальше сокращаться.

И все же техника еще находится на очень раннем этапе своей эволюции. Профессор Виктор Иванович Гнатюк, ученик Кудрина, сравнивает современные техноценозы с лужами, кишащими первичной протожизнью. Без участия человека они пока не могут ремонтироваться, самовоспроизводиться и модифицироваться. Для протекания технической микроэволюции необходим мозг изобретателя. Так что люди еще какое-то время останутся ключевым элементом техносферы, а совместная эволюция этого симбиоза будет сопровождаться техническим совершенствованием человеческого организма.

Вряд ли картину жизни в таком симбиозе стоит рисовать в мрачных тонах, как это делается в антиутопиях, где человек воюет с машинами или порабощен ими. Скорее, наше взаимодействие с окружающей техносферой можно уподобить отношениям наших предков с природными стихиями, приносящими пользу или вред в зависимости от обстоятельств. И, возможно, мифы, наделяющие стихии сверхчеловеческими волей и разумом, получат тогда вполне научное обоснование.

Но рано или поздно технические системы обретут способность к саморазвитию и станут обходиться без человека. Модифицируя себя по частям, они смогут избавляться от неэффективных эволюционных наслоений и существовать неограниченно долго, приспосабливаясь к любой среде обитания. Гнатюк называет такие системы гиперценозами и считает, что именно они в конечном счете смогут расселиться по Галактике и за ее пределами. Ведь для человека с его ограниченным сроком жизни Вселенная слишком велика.

Александр Сергеев