Generative Modularität und warum natürliche Innovation - Teil 1

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"Die Asche der stellaren Alchemie war ins Bewusstsein getreten" - Carl Sagan

Für diejenigen, die geneigt sind, suchen wir alle eine ganzheitliche und vollständige Erzählung, die die Natur erklärt. Dieses Bedürfnis nach einer gestaltlichen Interpretation unserer Umwelt ist der Treiber unserer eigenen allgemeinen Intelligenz. Dies ist das fehlende Glied in den heutigen KI-Systemen. Die fortschrittlichsten KI-Systeme (d. H. Deep Learning) sind nicht in der Lage, Schichten höherer Abstraktionen aufzubauen. Dies gilt trotz des Aufbaus aus mehreren Ebenen, die die Darstellung von einer Ebene in eine andere konsolidieren sollen.

Hier präsentiere ich eine Erzählung darüber, warum komplexes Leben entsteht und warum es die gleiche Erzählung ist, warum allgemeine Erkenntnis entsteht. Ich werde eine Erzählung versuchen, die auch mit dem frühen Universum beginnt und die Prinzipien der Modularität aufbaut, wie sie das sich entwickelnde Universum offenbart. Ich habe diese Idee bereits in "Kooperation, Wettbewerb und die Entstehung von Modularität" erörtert, aber es gibt einen verführerischen Reiz einer Erzählung, die vom Anfang der Zeit an beginnt und sich auf den Weg zum gegenwärtigen selbstbewussten Universum macht.

Hier ist meine Erzählung.

Am Anfang unseres Universums war alles zusammengebunden und dann war alles in einem einzigen Urknall sofort ungebunden. Die Anfangsbedingungen sind der aktuellen Physik unbekannt. Das Universum entwickelte sich anschließend zu Partikeln, die verschieden waren (d. H. Fermionen). Zusätzlich würden Boten (d. H. Bosonen) sie zusammenbinden, aber ihre Unterscheidung bewahren.

Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier

In diesem Universum gab es Licht, das sich als das Photon manifestierte, der Bote der elektromagnetischen Kraft. Es gab andere Boten wie den Gluon, den Boten der starken Macht. Gluonen banden Baryonen (d. H. Protonen und Neutronen) im Atomkern zusammen. Photonen banden den Kern mit einem geladenen Lepton (d. H. Elektronen). Es gab Kräfte in diesem Universum, die alles miteinander verbanden (Bosonen) und es gab Dinge, die gebunden werden mussten (Fermionen). Es hat also immer eine primitive Art von Modularität gegeben. Das erste Prinzip der Modularität: Es gibt etwas, das bindet und das gebunden werden muss. Bindung schafft Identität und Interaktion.

Dieses ungebundene Universum zeugte von der Zeit. Das ursprünglich gebundene Universum ist nach dem Urknall immer verbunden geblieben. Das holographische Prinzip und die Quantenverschränkung offenbaren diesen Zusammenhang. Durch diese Verschränkung entsteht die entropische Schwerkraft. Die Schwerkraft verleiht der Raumzeit ihre Krümmung, und somit wird jede Form, bei der keine Gleichförmigkeit vorliegt, die Zeit beobachtbar. Zeit ist eine Folge von Entropie und Entropie ist die Art und Weise, wie wir uns der Zeit bewusst werden. Das zweite Prinzip der Modularität: Das Universum entwickelt sich in Richtung höherer Entropie.

Die Schwerkraft ist die Kraft, die Teilchen mit der Masse immer zusammenhält (es wird vermutet, dass die Masse vom Higgs-Boson gebunden wird). Durch diese Kraft werden Sterne geboren und Galaxien gebildet. Sterne verdichten sich durch die Schwerkraft und entzünden sich durch die starke Atomkraft mit Energie. Dadurch entsteht das Plasma, das als Katalysator für die Bildung schwererer Elemente dient. Das dritte Prinzip der Modularität: Ein Medium mit fließenden Eigenschaften treibt das Experimentieren und damit die Innovation an.

Schließlich kollabieren einige Sterne mit ausreichender Masse und explodieren in eine Supernova. Dies ist ein Ergebnis des Wettbewerbs zwischen Schwerkraft und Nuklearkräften. Diese Supernova-Explosion verschmilzt weitere schwerere Atome und all diese neueren Elemente werden mit der Zerstörung des Sterns in den Kosmos zerstreut. Die Nebenprodukte einer Supernova sind die Elemente des Periodensystems. Es ist das, was die Planeten und die Erde bildet, auf der wir leben. Alles Leben ist eine Folge der Sterne, die sterben. Carl Sagan zufolge sind wir „Star-Kram“. Zerstörung führt zur Schöpfung. Das vierte Prinzip der Modularität: Wettbewerbskräfte führen zur Zerstörung, die dann zu neuen zusammengesetzten Kreationen führt.

Bisher habe ich nur über Kräfte geschrieben, die binden. Das ist die Schwerkraft, die starke Kraft und die Hälfte der elektromagnetischen Kraft. Es gibt Kräfte, die sich auch abstoßen, unterschiedliche Ladungen stoßen sich ab und die schwache Kraft führt zum radioaktiven Zerfall der Atome. Es kann argumentiert werden, dass ein Universum wie das unsere ohne die schwache Kraft existieren kann. Die Wirkung der Abstoßung gleicher Ladungen ist jedoch für den Reichtum der Wechselwirkung im Universum von wesentlicher Bedeutung. Nicht alles hängt zusammen, es gibt Einschränkungen, die das Binden verhindern. Schwerere Elemente beschränken sich auf die Kombinationen, die in der Quantenmechanik möglich sind. Das fünfte Prinzip der Modularität: Bindung ist selektiv und treibt die Fitness eines Kontexts an.

Der Stoff der Sterne, Mitglieder des Periodensystems der Elemente, schafft neue Arten der Interaktion zwischen verschiedenen Elementen. Die Kombination von Elementen zu Molekülen ist eine Konsequenz der Quantenmechanik. Das Periodensystem der Elemente ist so aufgebaut, dass es die äußerste Valenzschale des Atoms widerspiegelt, die die chemischen Bindungen beeinflusst. Das sechste Prinzip der Modularität: Verbundbauteile führen zu umfassenderen Interaktionen und größeren Möglichkeiten.

Chemie führt zu komplexeren Verbindungen. Wasser, H2O ist ein Beispiel für eine Verbindung, die die aufsteigende Eigenschaft hat, dass sie sich bei einer bestimmten Temperatur als Flüssigkeit zeigt. Flüssigkeiten bilden die Umgebung, die die Rekombination erleichtert. Hier hat die Natur die Flüssigkeit wiederentdeckt, die sich in den Kernen der Sterne befindet. Die Flüssigkeit ist das Substrat des Experimentierens und damit der Innovation. Die Fließfähigkeit des Wassers schafft die Voraussetzungen für einen Handelsplatz und die Wechselwirkung zwischen komplexen Verbindungen

Schwere Elemente, die reichere Wechselwirkungsmöglichkeiten aufweisen, sind häufiger Bestandteil komplexer Verbindungen. Kohlenstoff und schließlich Silizium, beide Elemente der Gruppe 6 im Periodensystem, weisen eine intrinsische Adaptivität auf, die den Aufbau komplexerer Verbindungen fördert. Die gesamte organische Chemie ist eine Folge von Kohlenstoff. Kohlenstoff kann mit anderen Elementen vier verschiedene Bindungen eingehen, wodurch mehr Wechselwirkungen mit anderen Elementen und sich selbst zu einer reicheren Reihe von Verbindungen führen. Was an sich anpassungsfähig ist, ist einfach aufgrund der Wahrscheinlichkeit häufiger anzutreffen (siehe: Dissipative Anpassung). Das siebte Prinzip der Modularität: Intrinsische Adaptivität führt zu Nutzen, der zur Allgegenwart führt.

Die organische Chemie besteht aus Molekülen, die noch unterschiedlicher reagieren können als Verbindungen. In der Infografik unten wird erwartet, dass jede funktionelle Gruppe ähnlich reagiert. Komplexere Moleküle können aus mehr als einer dieser Gruppen bestehen und so auf eine Weise interagieren, die eine kombinatorische Explosion dieser Gruppen darstellt. Die Natur in Form der organischen Chemie hat wieder neue Wege der Wechselwirkung und Bindung von Bestandteilen gefunden.

Kredit: https://www.compoundchem.com/2014/07/31/heterocycles/

Diese reiche Vielfalt in der organischen Chemie führt Sie immer noch nicht zu Lebewesen. Anscheinend benötigt die Basis des organischen Lebens auf der Erde Aminosäuren, die Bausteine ​​aller lebenden Organismen. Der genaue Ursprung, aus dem die organische Chemie zu Aminosäuren führt, ist noch unklar. Lassen Sie uns eine neuere Theorie dazu aufstellen, wie das Leben aus organischer Materie entstanden ist. Jeremy England hat einen Vorschlag namens "Dissipative Anpassung", der im Grunde erklärt, wie Regelmäßigkeiten der Energie in der Umwelt dazu führen, dass Strukturen entstehen, die mit diesen Regelmäßigkeiten in Einklang stehen. Wie Ilya Prigogine vorgeschlagen hatte, organisiert sich ein System bei weitem nicht im Gleichgewicht selbst und entwickelt Ordnung aus Chaos. Es entsteht eine dynamischere und reichhaltigere Form des Speichers (d. H. Der Informationsspeicherung). Das achte Prinzip der Modularität: Adaptive Komponenten reduzieren die Entropie, indem sie die Regelmäßigkeiten der Umgebung lernen.

https://www.compoundchem.com/2014/09/16/aminoacids/

Es gibt 20 dieser Aminosäuren, wobei die durchschnittliche Länge eines Proteins 200 Aminosäuren beträgt. Somit können diese Proteine ​​als eine Sprache mit 20² & sup5; (d. H. 1,6 · 10² & sup5;) verschiedenen Kombinationen interpretiert werden. Das Alter des Universums in Nanosekunden beträgt 4,34 x 10² & sup5 ;, weshalb offensichtlich nicht alle Kombinationen von Aminosäuren untersucht wurden. Es ist nicht erforderlich, den gesamten Bereich der Möglichkeiten zu durchsuchen, um eine optimale Konfiguration zu finden. Das neunte Prinzip der Modularität: Evolution erfordert nur das, was nebenbei möglich ist.

Aber was macht Aminosäuren so wertvoll für die Schaffung von Leben? Es stellt sich heraus, dass Proteine ​​eine kürzlich entdeckte Fähigkeit haben. Proteine ​​können wie Flüssigkeiten aggregiert wirken. Atome benötigten energiereiches Plasma, um Innovationen voranzutreiben. Komplexe Verbindungen erfordern Wasser, um Innovationen voranzutreiben. Proteine ​​schaffen gleichermaßen ihre eigene flüssige Umgebung, die für den Austausch und damit für Innovationen notwendig ist.

Die beiden anderen Arten von Biomolekülen, die im Leben vorkommen, sind Lipide und Nukleinsäuren. Fettlipide, die die Membranen von Zellen bilden. Dies ist eine Erweiterung des ersten Prinzips. Es gibt immer etwas, das eine Entität einkapselt und von ihrer Umgebung isoliert. Die Anweisungen zur Erzeugung von Proteinen (Ketten von Aminosäuren) sind in Form von DNA in Nukleinsäure kodiert. Evolution entdeckt einen Mechanismus zum Codieren eines Befehlssatzes, der die Lebensdauer jeder einzelnen Lebensform überschreitet. Das zehnte Prinzip der Modularität: Robuste, fehlersichere Codierung bewahrt das Lernen über die Lebensdauer der Komponenten hinweg.

Vor der Entwicklung der DNA war die Permanenz eine Folge der Verfügbarkeit und Anpassungsfähigkeit. Das heißt, was durchdringender war, waren Entitäten, die einfach weniger komplex und in sich anpassungsfähig waren. Die robuste Codierung repliziert komplexere Maschinen und potenziell anpassungsfähigere Maschinen. Je komplexer eine Maschine ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie aufgrund von Entropie erhalten bleibt. Mit der Zeit verschlechtern sich Teile, für deren Aufrechterhaltung Energie benötigt wird. Je komplexer das System ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Schraubenschlüssel in der Maschine die gesamte Maschine unbrauchbar macht. Ohne DNA-Kodierung ist ein komplexes Leben unwahrscheinlich.

Die Natur wird immer einfachere und robustere Maschinen bevorzugen, aber die DNA ermöglicht einen alternativen Weg, der über probabilistische Mechanismen hinausgeht und ein komplexes Leben schafft, das höchst unwahrscheinlich ist. Dies ist bis heute eine Binsenweisheit, auch wenn wir in unserem täglichen Leben nur größtenteils komplexes Leben und Technologie sehen. Mikroorganismen sind zahlreicher als komplexe Lebensformen auf der Erde. Der menschliche Körper enthält Mikroorganismen, die die Zahl der menschlichen Zellen um 10 zu 1 übertreffen. Ein 200-Pfund-Mensch trägt etwa 2 bis 6 Pfund Bakterien, die für seine Gesundheit wesentlich sind.

So kommen wir mit Aminosäuren, Lipiden und DNA zu einem neuen Satz von Mechanismen für Fluidität, Einkapselung und Konservierung, die in früheren Stadien existierten. Im Plasma vereinigte Atome verkapseln sich durch elektromagnetische Kräfte und bewahren sich durch die starke Kraft. Moleküle verbinden sich in Wasser, verkapseln sich über Kohlenstoffbindungen und konservieren sich durch adaptive Dissipation (d. H. Externe treibende Kräfte). Auf jeder Ebene der evolutionären Komplexität gibt es ein Medium für die Interaktion, eine Grenze, die die Interaktion vermittelt, und einen Mechanismus, der die Identität bewahrt. Diese drei Fähigkeiten führen zu einem generativen System, das ich als generative Modularität bezeichne.

Eines der großen Rätsel bei der Erforschung des Lebens ist, wie Aminosäuren, DNA und Lipide entstanden sind, wenn sie voneinander abhängig sind. Es ist ein "Henne und Ei" -Problem. Der Schlüssel, um dieses kreisförmige Rätsel zu lösen, liegt darin, dass es einen primitiveren Mechanismus gab, der dem Mechanismus entspricht, und der letztendlich überholt wurde. Evolution muss sich nicht mehr um Teile kümmern, die es nicht mehr benötigen.

Die eukaryotische Zelle, die Grundlage allen komplexen Lebens, ist eine Folge der Symbiose anderer prokaryotischer Zellen. Das Mitochondrium, das Kraftwerk, in einer Zelle hat eine eigene DNA. Dieser kooperative Prozess (siehe: Endosymbiose) der Assimilation separater Lebensformen, die ihre eigene einzigartige adaptive Funktionalität haben, ist in der Biologie weit verbreitet. Das elfte Prinzip der Modularität: Neuartiges Lernen entsteht durch die Symbiose von komplexem Verhalten, das in verschiedenen Kontexten gelernt wird.

Dies führt uns zu diesem allgemeinen Modell der Evolution:

Hier wird ein höheres Maß an Modularität durch Wettbewerbsdruck geschaffen, der die Fitness selektiv entdeckt und die Fähigkeiten durch eine kooperative Symbiose festigt. Dies ist eine Erzählung, die reicher ist als die Erzählung des Wettbewerbs in Darwins „natürlicher Auslese“. Evolution erfordert Auswahl für Fitness sowie Zusammenarbeit. Kooperation ist in der Tat eine Konsequenz des angrenzenden Möglichen. Kooperation erfordert die Entdeckung komplementärer und synergistischer Fähigkeiten, mit denen man sich verbinden kann. In Zusammenarbeit treibt die Evolution ein komplexeres Leben an.

Bisher enthülle ich in dieser Erzählung, wie sich das Universum in Richtung höherer Komplexität entwickelt, aber ich habe keine Kraft offenbart, die dieses Universum in Richtung höherer Komplexität treibt. In dieser Erzählung gibt es einen vermissten und mysteriösen Schauspieler. Das Universum handelt immer nach dem Prinzip der geringsten Handlung. In jedem Kontext ist die natürliche (und damit wahrscheinlichste) Lösung, die die Randbedingungen erfüllt, die weniger komplexe. Wenn wir dieses Prinzip in Bezug auf Modelle interpretieren, handelt es sich hier um Occams Rasiermesser. Dies ist Solomonoffs Induktionsprinzip, das für jedes Programm eine geringere beschreibende Länge und damit weniger Komplexität erfordert. Was treibt die höhere Komplexität an?

Schauen wir uns das Universum vor einer Supernova an. Das ist ein Universum mit nur Wasserstoffatomen. Die Schwerkraft als entropische Kraft erzeugt einen Stern, der Helium erzeugt und bei ausreichender Schwerkraft aufbläst, um schwerere Elemente zu bilden. Wie existierte dieses neue Universum, das zuvor keine schwereren Elemente hatte? Die konstruktiven Gesetze des Universums sagen nichts über die Unmöglichkeit schwererer Elemente aus, obwohl solche schweren Elemente vorher nicht existierten. Bestimmte Konfigurationen sind stabil (d. H. Protonen mit Neutronen) und bestimmte einfachere nicht (d. H. Nur Protonen). Es gibt kein Gesetz, das einfacher ist als wahrscheinlich und in jedem Kontext komplexer. Vielmehr wird es immer Konfigurationen geben, die komplexer und stabiler sind als einfache Konfigurationen. Dies ist nur eine Folge des ursprünglichen Materials, mit dem Sie begabt sind. Das heißt, die Evolution schreitet mit dem fort, was nebenbei möglich ist, und in diesem Kontext, was noch komplexer ist, ist eben das, was möglich ist und nicht etwas Einfacheres, das unmöglich ist. Das zwölfte Prinzip der Modularität: Innovation ist kontextbezogen, komplexe oder einfache Lösungen basieren auf dem, was möglich ist und nicht auf dem, was einfach oder optimal ist.

Ein gemeinsames Thema in der Evolution ist dieser Begriff des Konstruktivismus. Das heißt, die Evolution schreitet schrittweise voran und baut auf früheren Stufen auf. Jede neue Stufe ergibt sich aus den Fähigkeiten der vorherigen Stufe. Die Fähigkeiten der neuen Stufe sind jedoch die aufkommenden Fähigkeiten, die vorher nicht existierten. Überraschenderweise zeigen sich mit jeder neuen Etappe abstrakte Modularitätsbegriffe. Es gibt Muster der Informationsmodularität, die sich bei jeder neuen Stufe wiederholen. Es gibt Informationsmodularitätsmuster, die in früheren Phasen nicht vorhanden sind, aber mit jeder neuen Phase neu entstehen.

Nachdem wir die Grundbausteine ​​des Lebens erreicht haben, werde ich diskutieren, wie diese neue Fähigkeit zur Selbstreplikation zur allgemeinen Intelligenz führt.

Teil II: https://medium.com/intuitionmachine/information-modularity-leads-to-general-intelligence-65766bbfa707

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