Generative Modularität und warum natürliche Innovation - Teil 1

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"Die Asche der Sternalchemie war ins Bewusstsein getreten" - Carl Sagan

Für diejenigen, die dazu neigen, suchen wir alle eine ganzheitliche und vollständige Erzählung, die die Natur erklärt. Dieses Bedürfnis nach einer Gestaltinterpretation unserer Umwelt ist der Treiber unserer eigenen allgemeinen Intelligenz. Dies ist das fehlende Glied in heutigen KI-Systemen. Die fortschrittlichsten KI-Systeme (dh Deep Learning) sind nicht in der Lage, Schichten höherer Abstraktionen zu konstruieren. Dies trotz des Aufbaus mehrerer Ebenen, die die Darstellung von einer Ebene in eine andere konsolidieren sollen.

Hier stelle ich eine Erzählung vor, warum komplexes Leben entsteht und warum es dieselbe 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 Beginn der Zeit an beginnt und sich ihren Weg in das gegenwärtige selbstbewusste Universum bahnt.

Hier ist meine Erzählung.

Am Anfang unseres Universums war alles miteinander verbunden und dann war in einem einzigen Urknall alles sofort ungebunden. Die Anfangsbedingungen sind der gegenwärtigen Physik unbekannt. Das Universum entwickelte sich anschließend zu Teilchen, die verschieden waren (dh Fermionen). Außerdem würden Boten (dh Bosonen) sie zusammenbinden, aber ihre Unterscheidung bewahren.

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

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

Dieses ungebundene Universum zeugte 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 gibt der Raumzeit ihre Krümmung und somit wird jede Form, ohne Gleichmäßigkeit, Zeit beobachtbar. Zeit ist eine Folge von Entropie und Entropie ist, 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 immer mit Masse zusammenhält (es wird vermutet, dass die Masse durch das Higgs-Boson gebunden ist). Durch diese Kraft werden Sterne geboren und Galaxien gebildet. Sterne konsolidieren sich durch die Schwerkraft und entzünden sich aufgrund der starken Kernkraft mit Energie. Dadurch entsteht das Plasma, das als Katalysator für die Erzeugung 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 denen wir leben. Alles Leben ist eine Folge von Sternen, die sterben. Wir sind laut Carl Sagan "Star-Zeug". 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 ebenfalls abstoßen, verschiedene Ladungen stoßen sich ab und die schwache Kraft führt zum radioaktiven Zerfall von Atomen. Es kann argumentiert werden, dass ein Universum wie das unsere ohne die schwache Kraft existieren kann. Der Effekt der Abwehr gleicher Ladungen ist jedoch für den Reichtum der Interaktion im Universum wesentlich. Nicht alles verbindet sich, 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: Die Bindung ist selektiv und fördert die Fitness eines Kontexts.

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/18/astrophysics-reveals-the-origin-of-the-human-body/#106d9d3b30a5

Das Zeug der Sterne, Mitglieder des Periodensystems der Elemente, schafft neue Arten der Interaktion zwischen verschiedenen Elementen. Die Kombination von Elementen zu Molekülen ist eine Folge der Quantenmechanik. Das Periodensystem der Elemente ist so strukturiert, dass es die äußerste Valenzschale des Atoms widerspiegelt, die die chemischen Bindungen beeinflusst (siehe: Pauli-Ausschlussprinzip). Das sechste Prinzip der Modularität: Verbundkomponenten führen zu intensiveren Wechselwirkungen und größeren Möglichkeiten.

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

Schwere Elemente, die reichere Wechselwirkungsmöglichkeiten aufweisen, nehmen häufiger als Bestandteil komplexer Verbindungen teil. Kohlenstoff und schließlich Silizium, beide Elemente der Gruppe 6 im Periodensystem, weisen eine intrinsische Adaptivität auf, die die Konstruktion komplexerer Verbindungen fördert. Die gesamte organische Chemie ist eine Folge von Kohlenstoff. Kohlenstoff kann vier verschiedene Bindungen mit anderen Elementen eingehen, wodurch mehr Wechselwirkungen mit anderen Elementen und sich selbst eine reichere Reihe von Verbindungen bilden. Dinge, die an sich adaptiv sind, sind nur aufgrund der Wahrscheinlichkeit häufiger anzutreffen (siehe: Dissipative Anpassung). Das siebte Prinzip der Modularität: Die intrinsische Adaptivität führt zu einem Nutzen, der zur Allgegenwart führt.

Die organische Chemie besteht aus Molekülen, die noch anders reagieren können als Verbindungen. In den folgenden Infografiken wird erwartet, dass jede funktionelle Gruppe ähnlich reagiert. Komplexere Moleküle können aus mehr als einer dieser Gruppen bestehen und somit auf eine Weise interagieren, die eine kombinatorische Explosion dieser Gruppen darstellt. Die Natur hat in Form der organischen Chemie wieder neue Wege der Wechselwirkung und Bindung von Komponenten geschaffen.

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

Diese reiche Vielfalt in der organischen Chemie bringt Sie immer noch nicht bis zu Lebewesen. Anscheinend benötigt die Basis des organischen Lebens auf der Erde Aminosäuren, die Bausteine ​​aller lebenden Organismen. Der genaue Ursprung, wie organische Chemie zu Aminosäuren führt, ist noch fraglich. Lassen Sie uns eine neuere Theorie darüber einfügen, 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 sich Strukturen bilden, die mit diesen Regelmäßigkeiten im Einklang stehen. Wie Ilya Prigogine vorgeschlagen hatte, ist ein System weit davon entfernt, sich selbst zu organisieren und Ordnung aus dem Chaos heraus zu entwickeln. Es entsteht eine dynamischere und reichhaltigere Form des Speichers (dh 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 Sprache mit 20²⁰⁰ (dh 1,6x10²⁶⁰) verschiedenen Kombinationen interpretiert werden. Das Alter des Universums in Nanosekunden beträgt 4,34 x 10²⁶, daher ist es offensichtlich, dass 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 nebeneinander 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 hochenergetisches Plasma, um Innovationen voranzutreiben. Komplexe Verbindungen benötigen Wasser, um Innovationen voranzutreiben. Proteine ​​schaffen äquivalent ihre eigene flüssige Umgebung, die notwendig ist, um den Austausch und damit die Innovation voranzutreiben.

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 von ihrer Umgebung kapselt und 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: Die robuste fehlerresistente Codierung bewahrt das Lernen über die gesamte Lebensdauer der Komponenten hinweg.

Vor der Entwicklung der DNA war die Beständigkeit eine Folge der Verfügbarkeit und Anpassungsfähigkeit. Das heißt, was allgegenwärtiger war, waren Entitäten, die einfach weniger komplex und an sich anpassungsfähig waren. Robuste Codierung repliziert komplexere Maschinen und möglicherweise adaptivere Maschinen. Je komplexer eine Maschine ist, desto weniger wahrscheinlich ist es, dass sie aufgrund von Entropie erhalten bleibt. Mit der Zeit werden sich Teile, deren Aufrechterhaltung Energie benötigt, irgendwann verschlechtern. Je komplexer das System ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Schraubenschlüssel in der Maschine die gesamte Maschine funktionsunfähig macht. Ein komplexes Leben ist ohne DNA-Kodierung unwahrscheinlich.

Die Natur wird immer einfachere und robustere Maschinen bevorzugen, aber die DNA ermöglicht einen alternativen Weg, der über probabilistische Mechanismen hinausgeht, um ein komplexes Leben zu schaffen, das höchst unwahrscheinlich ist. Dies bleibt bis heute eine Binsenweisheit, obwohl 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 10 bis 1 mehr als menschliche Zellen sind. Ein 200-Pfund-Mensch trägt etwa 2 bis 6 Pfund Bakterien, die für seine Gesundheit wesentlich sind.

So gelangen wir mit Aminosäuren, Lipiden und DNA zu einer Reihe neuer Mechanismen für Fluidität, Einkapselung und Konservierung, die in früheren Stadien existierten. In Plasma kombinierte Atome kapseln über elektromagnetische Kräfte ein und erhalten über die starke Kraft. Moleküle verbinden sich in Wasser, verkapseln sich über Kohlenstoffbindungen und konservieren sich durch adaptive Dissipation (dh externe Antriebskräfte). Auf jeder Ebene der evolutionären Komplexität gibt es ein Medium für Interaktion, eine Grenze, die Interaktion vermittelt, und einen Mechanismus, der die Identität bewahrt. Diese drei Funktionen führen zu einem generativen System, das ich als generative Modularität bezeichne.

Eines der großen Rätsel bei der Untersuchung des Lebens ist, wie Aminosäuren, DNA und Lipide entstanden sind, wenn beide voneinander abhängig sind. Es ist ein "Huhn und das Ei" -Problem. Der Schlüssel zur Lösung dieses zirkulären Rätsels liegt darin, dass ein primitiverer Mechanismus, der dem Mechanismus entspricht, früher existierte und schließlich überholt wurde. Evolution muss sich nicht mehr um Teile kümmern, die 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 wird durch die Symbiose komplexen Verhaltens gewonnen, das in verschiedenen Kontexten gelernt wird.

Dies führt uns zu diesem allgemeinen Evolutionsmodell:

wo ein höheres Maß an Modularität durch Wettbewerbsdruck geschaffen wird, der selektiv Fitness entdeckt und Fähigkeiten durch kooperative Symbiose festigt. Dies ist eine Erzählung, die reicher ist als die Erzählung des Wettbewerbs in Darwins 'natürlicher Selektion'. Evolution erfordert Auswahl für Fitness sowie Zusammenarbeit. Kooperation ist in der Tat eine Folge des angrenzenden Möglichen. Die Zusammenarbeit erfordert die Entdeckung komplementärer und synergistischer Bindungsmöglichkeiten. In Zusammenarbeit treibt die Evolution zu einem komplexeren Leben.

Bisher habe ich in dieser Erzählung gezeigt, wie sich das Universum zu einer höheren Komplexität entwickelt, aber ich habe keine Kraft offenbart, die dieses Universum zu einer höheren Komplexität treibt. In dieser Erzählung fehlt ein mysteriöser Schauspieler. Das Universum handelt immer nach dem Prinzip der geringsten Aktion. 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, ist dies hier Occams Rasiermesser. Dies ist das Induktionsprinzip von Solomonoff, das für jedes Programm eine geringere Beschreibungslänge und damit weniger Komplexität erfordert. Was treibt die höhere Komplexität an?

Schauen wir uns das Universum vor jeder Supernova an. Das ist ein Universum mit nur Wasserstoffatomen. Die Schwerkraft als entropische Kraft erzeugt einen Stern, der Helium erzeugt und bei ausreichender Schwerkraft explodiert, um schwerere Elemente zu bilden. Wie gab es 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 zuvor nicht existierten. Bestimmte Konfigurationen sind stabil (dh Protonen mit Neutronen) und bestimmte einfachere nicht (dh nur Protonen). Es gibt kein Gesetz, das einfacher ist, das in jedem Kontext wahrscheinlicher als komplexer ist. Vielmehr wird es immer Konfigurationen geben, die komplexer und stabiler sind als einfache Konfigurationen. Dies ist nur eine Folge des Originalmaterials, mit dem Sie begabt sind. Das heißt, die Evolution geht mit dem weiter, was nebeneinander möglich ist, und in diesem Kontext ist komplex einfach das, was möglich ist und nicht eine einfachere Sache, die unmöglich ist. Das zwölfte Prinzip der Modularität: Innovation ist kontextbezogen, komplexe oder einfache Lösungen werden von dem angetrieben, was möglich ist und nicht von dem, was einfach oder optimal ist.

Ein gemeinsames Thema in der Evolution ist dieser Begriff des Konstruktivismus. Das heißt, die Evolution verläuft in Stufen und wird aus früheren Stufen aufgebaut. Jede neue Stufe ergibt sich aus den Fähigkeiten der vorherigen Stufe. Die Fähigkeiten der neuen Stufe sind jedoch die neuen Fähigkeiten, die zuvor nicht existierten. Überraschenderweise zeigen sich mit jeder neuen Stufe abstrakte Vorstellungen von Modularität. Es gibt Muster der Informationsmodularität, die sich bei jeder neuen Stufe wiederholen. Es gibt Muster der Informationsmodularität, die in früheren Phasen nicht existieren, aber mit jeder neuen Phase auftauchen.

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

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

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