Złożoność wyjaśniona
Autor tekstu: Vinod K. WadhawanTłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Complexity explained
The complete series, by Vinod K. Wadhawan
http://nirmukta.com/complexity-explained-the-complete-series-by-dr-vinod-wadhawan/
Czym jest złożoność?
Ludzie zastanawiają się nad pochodzeniem życia na Ziemi. Większości z nas trudno jest wyobrazić sobie, jak życie może powstać z nie-życia, skłaniamy się więc do myślenia w kategoriach Stwórcy, który stworzył nie tylko życie, ale także wszystko inne. Dla racjonalisty nie jest to zadowalająca odpowiedź. Tak się składa, że zadowalającą odpowiedź można znaleźć w ramach naukowej metody stawiania pytań i odpowiadania na nie. Problem polega na tym, że ponieważ większość ludzi nie została wychowana w atmosferze swobodnych dociekań, trudno im zaakceptować pewne prawdy naukowe. Ta prawda ujawnia się szczególnie, gdy rozważamy nieistotność pojęcia Boga. Inny problem polega na tym, że niektóre idee naukowe są trudne do zrozumienia i do wyjaśnienia, a czasami mogą wymagać nauki i praktyki przez całe życie. Jednym z rozwiązań tego problemu jest, by naukowcy starali się, najlepiej jak potrafią, dotrzeć do społeczeństwa i wyjaśnić naukę prostym językiem. Carl Sagan, Richard Dawkins i Jayant Narlikar to kilka wybitnych przykładów znakomitych naukowców, którzy to właśnie robią.
Nauka o złożoności jest stosunkowo nową dziedziną nauki w tym sensie, że prace badawcze nad nią eksplodowały dopiero w ciągu ostatnich dwóch dziesięcioleci. Fascynujące w niej jest to, że ma na celu wyjaśnienie niektórych najtrudniejszych pytań, dotyczących właściwie wszystkich dziedzin nauki i jeszcze dużo więcej. Badania złożoności mają także znaczenie strategiczne. Jak powiedział Stephen Hawking, obecne stulecie będzie stuleciem złożoności. Heinz Pagels był bardziej konkretny:
"Jestem przekonany, że narody i ludy, którzy opanują nową naukę o złożoności, staną się ekonomicznymi, kulturalnymi i politycznymi supermocarstwami nowego stulecia (miał na myśli obecne stulecie)".
W serii artykułów spróbuję wyjaśnić złożoność w nieco mniej technicznym języku. W pierwszym, otwierającym artykule odpowiadam na pytanie: Czym jest złożoność? Jak z czasem zobaczymy, kwestia początku życia (i początku wielu innych rzeczy) ma racjonalną i naturalną (zamiast nadnaturalnej) odpowiedź w kategoriach ewolucji złożoności Natury. Także świadomość można uważać za przejaw ciągle wzrastającego stopnia złożoności wszechświata.
Złożony system zazwyczaj składa się z dużej liczby prostych członków, elementów lub czynników, które wchodzą w interakcje ze sobą wzajemnie i ze środowiskiem, i które mają potencjał tworzenia jakościowo NOWEGO kolektywnego zachowania, a objawami tego zachowania jest spontaniczne tworzenie nowych struktur przestrzennych, czasowych lub funkcjonalnych. Złożony system jest „otwarty" obejmujący „nieliniowe interakcje" między swoimi podjednostkami, które w pewnych warunkach mogą wykazywać znaczny stopień spójnego lub uporządkowanego zachowania, rozciągającego się daleko poza skalę lub zasięg poszczególnych podjednostek.
Słowo „otwarty" jest użyte tutaj w sensie termodynamicznym. Znaczy, że system może wymieniać energię (tj. ciepło) i materię z otoczeniem. W odróżnieniu od tego „izolowany" system termodynamiczny to taki, który nie może wymieniać energii lub materii z otoczeniem.
A określenie „nieliniowe interakcje" w powyższej definicji złożonego systemu znaczy, że czynnik proporcjonalności determinujący wynik (output) Y systemu na dany wkład (input) X nie jest stały, tj. nie jest niezależny od wkładu (Y=A(X), X). Ta nielinearność ma daleko idące konsekwencje dla czasu ewolucji systemu. W szczególności przyszły postęp wydarzeń może stać się bardzo wrażliwy na warunki w każdym danym momencie czasowym. Uderzającym przykładem tego są „systemy chaotyczne".
Oto kilka przykładów systemów złożonych: wiry wodne; ule; mrowiska; inwestorzy na giełdzie; zestaw neuronów tworzących mózg ssaka; komórka biologiczna; gospodarka narodowa; ekonomia świata; sieć społeczna; kultura ludzka; nasza ekosfera i tak dalej. Charakterystyczną cechą złożonych systemów jest wyłanianie się NIEOCZEKIWANYCH własności lub zachowań (wyjaśnię to później). Wyłonienie się życia z nie-życia jest jedną z takich nieoczekiwanych własności.
Zainteresowanie nauką złożoności wyrasta w faktu, że chcemy zadowalających odpowiedzi na następujące pytania:
Dlaczego jest coś zamiast niczego?Dlaczego we wszechświecie wyewoluowała struktura; tj. galaktyki, gwiazdy, planety, bakterie, rośliny, zwierzęta, mózgi?Jak powstała pierwsza żywa komórka?Dlaczego i jak poszczególne komórki tworzą sojusze, stając się bardziej złożonymi formami żywymi?Czy sam dobór darwinowski może wyjaśnić wyłonienie się tak misternego narządu jak oko?Czym jest życie?Czym jest umysł?Jak z mózgu powstają uczucia, myśli, cel, świadomość?Dlaczego nie jesteśmy w stanie czynić długoterminowych przewidywań zachowania się giełdy?Dlaczego nie jesteśmy w stanie przewidywać pogody na długą metę?Dlaczego załamują się cywilizacje?Dlaczego pewne prastare gatunki przez długie okresy czasu pozostawały stabilne, a potem znikały?Jak powstają organizacje społeczne?
I tak dalej.
Wszystkie te pytania dotyczą złożonych systemów. Chociaż przez ostatnich dwadzieścia lat poczyniono postępy, nadal mamy daleką drogę zanim będziemy mogli twierdzić, że w przyzwoitym stopniu rozumiemy złożoność. Niemniej badanie złożonych systemów pomaga znajdować powiązania i znajdować podobieństwa między całkowicie różnymi przedmiotami badań, jak fizyka, biologia, nauki behawioralne, sztuka i nauki humanistyczne. Istnieje wspólna nić biegnąca przez wszystkie typy złożonych systemów: w żywym systemie olbrzymia liczba cząsteczek organizuje się w istotę, która porusza się, reaguje na bodźce i rozmnaża się. W mózgu sieć miliardów neuronów samo-organizuje się, żeby dać poczucie tożsamości żywej istocie. Także materia nieożywiona, proste cząstki rządzone przez proste prawa fizyki, organizują się nieoczekiwanie w galaktyki, gwiazdy, kryształy, śnieżynki i huragany. Rynki angażują duże liczby ludzi. Tutaj także zasada wzrastających zysków lub pozytywnego sprzężenia zwrotnego powoduje powstanie dzikich i nieprzewidywalnych fluktuacji, naruszając klasyczną teorię ekonomiczną równowagi lub negatywnego sprzężenia zwrotnego (która zapewnia równowagę między popytem i podażą), za czym opowiadał się Adam Smith.
My, ludzie i nasze wzajemne interakcje oraz interakcje z biosferą, należymy do najbardziej złożonych systemów, jakie można sobie wyobrazić. Jaka będzie przyszłość? Chociaż nie możemy czynić dokładnych przewidywań, także probabilistyczne twierdzenia o bardziej prawdopodobnych efektach mogą mieć pożyteczny wpływ na to, jak się będziemy zachowywać (np. jeśli chodzi o radzenie sobie z globalnym ociepleniem), żeby osiągnąć wysokie poziomy zrównoważenia.
Pojęcia takie jak indywidualność, inteligencja, świadomość są, być może, ostatecznymi konsekwencjami nieustającej ewolucji złożoności w Naturze. Postęp w rozumieniu złożoności może pomóc nam w lepszym zrozumieniu samych siebie.
Mam nadzieję, że dałem zarys tego, czym jest złożoność. Następne pytanie brzmi: czy możemy ilościowo ująć złożoność? Tak, możemy, w kategoriach "STOPNIA ZŁOŻONOŚCI' systemu, pod warunkiem, że wiemy dokładnie o jakim typie złożoności mówimy. Zajmę się tym pytaniem w części 2.
Ten wstęp do złożoności zakończę pięknym cytatem:
Kwiat zaprasza bezrozumnego motyla,Motyl odwiedza bezrozumny kwiat.Kwiat otwiera się, motyl przylatuje;Motyl przylatuje, kwiat otwiera się.Nie znam innych,Inni nie znają mnie.Nie wiedząc, podążamy biegiem natury.-Ryokan
Tytuł oryginału
Nirmukta, 18 sierpnia 2009r.
Złożoność wyjaśniona, część 2, Inteligencja roju
http://www.racjonalista.pl/kk.php/s,6862/q,Zlozonosc.wyjasniona.czesc.2.Inteligencja.roju
W pierwszej części tej serii artykułów podałem ogólną i uproszczoną definicję systemu złożonego. Zanim przejdziemy do szczegółowego omówienia możliwości ilościowego określania złożoności, opiszę parę interesujących i dobrze zbadanych przykładów tego, jak coś zbliżonego do inteligencji powstaje w złożonym systemie, składającym się z nieinteligentnych osobników. Wyjaśnię jak pszczoły w ulu i mrówki w mrowisku działają jak jeden inteligentny super-organizm. Wskażę także, jakie praktyczne lekcje my, ludzie, możemy wyciągnąć z badań nad złożonymi systemami.
UL
Pszczoła jest najdokładniej przebadanym owadem społecznym ze wszystkich istniejących. Ul jest przykładem samo-organizującego się super-organizmu. Pojedyncza pszczoła właściwie nie ma żadnej inteligencji, ale ul jako całość posiada „inteligencję roju".
Królowa wydziela feromon, a mianowicie kwas trans-9-keto-decenowy. (Feromony to związki chemiczne, które odgrywają rolę sygnałów między członkami tego samego gatunku.) Królowa wydziela tę „substancję królewską" (lub mateczną) z gruczołów żuwaczkowych. Robotnice liżą ciało królowej. Poruszając się po ulu zwracają ją, a więc rozprzestrzenia się w ulu. Feromon wywołuje u robotnic kilka efektów:
(i) Nie rozwijają się jajniki robotnic.
(ii) Hodują larwy w taki sposób, że młode pszczoły nie mogą zostać królowymi, a więc jak długo królowa wydziela feromon, tak długo nie ma rywalek. Należy wspomnieć, że wszystkie samice pszczół, włącznie z królowymi, rozwijają się z larw, które są genetycznie identyczne. Larwy karmione „mleczkiem królewskim" stają się płodnymi matkami, podczas gdy reszta pozostaje sterylnymi robotnicami.
(iii) Feromon kieruje męża do królowej podczas lotu godowego.
(iv) Feromon wspomaga konsumpcję małżeństwa.
Kiedy królowa przestaje wydzielać ten feromon, wszystkie wymienione powyżej procesy ustają. Robotnice mogą wychować nowe królowe-córki.
Każdy ul ma odrębny zapach, wspólny dla wszystkich swoich członków. Umożliwia to pszczołom rozpoznawanie członków własnego ula i odpędzanie obcych pszczół.
W JAKI SPOSÓB TAK DUŻA GRUPA PODEJMUJE DECYZJE? Procesy ewolucyjne uczyniły z ula jednostkę skutecznie podejmującą decyzje, mimo że nie ma szefa. Zobaczmy na przykład jak ul kolektywnie decyduje się na nowe miejsce założenia innego ula.
Wczesną wiosną lub późnym latem, kiedy jest mnóstwo źródeł miodu, duże kolonie pszczół (na ogół około 10 tysięcy pszczół) dzielą się na dwie części. Królowa-córka i około połowa ula pozostaje na starym miejscu, reszta zaś, włącznie z królową-matką, odlatuje, żeby założyć nowy ul w starannie wybranym miejscu. Jak wybierają to nowe miejsce?
Zazwyczaj kilkaset robotnic udaje się na zwiady w poszukiwaniu możliwych miejsc. Reszta biwakuje na pobliskiej gałęzi, oszczędzając energię, dopóki nie zostanie wybrane zadowalające nowe miejsce osiedlenia. Zadowalające miejsce to na ogół dziupla w drzewie o pojemności ponad 20 litrów i wejściu mniejszym niż 30 cm2. Taki otwór powinien znajdować się kilka metrów nad ziemią, być skierowany na południe i znajdować się z dołu dziupli.
Pszczoły-wywiadowczynie wracają i informują rój o możliwych miejscach na ul, tańcząc tańce wywijane (wideo poniżej) na specyficzne sposoby. Zazwyczaj jest około tuzina miejsc konkurujących o uwagę. Im energiczniej tańczą wywiadowczynie podczas składania raportu, tym lepsze musi być miejsce, które polecają.
Kolejne pszczoły oglądają konkurujące miejsca zgodnie z intensywnością tańców. Przyłączając się do tańca pokazują, które miejsca są ich zdaniem dobre. To skłania więcej pszczół do sprawdzenia najlepszych potencjalnych miejsc. Wracają i dołączają do przedstawienia, uczestnicząc w tańcach swojego wyboru.
Dzięki zwiększaniu nacisku (pozytywne sprzężenie zwrotne) faworyzowane miejsce otrzymuje coraz więcej akceptacji odwiedzających, co dalej podnosi ich liczbę. W końcu rój odlatuje w kierunku wskazanym przez głos tłumu. Jak powiedział Kevin Kelly (1994): „Jest to lokal wyborczy idiotów, dla idiotów, wykorzystany przez idiotów, i to działa wspaniale". (Czyżby ??? Zatem nie tylko feromony sterują rojem.)
Taniec wywijany wykonywany jest w sposób informujący inne pszczoły mniej więcej dokładnie o kierunku i odległości proponowanego nowego miejsca osiedlenia. Taniec zarysowuje figurę ósemki, lub raczej greckiej dużej litery theta: θ. Bieg prosty (tj. środkowa linia na tym symbolu) jest najbogatszą w informację częścią tańca, która zostaje dodatkowo podkreślona przez szybkie wibracje ciała, największe na czubku odwłoka i najmniejsze przy głowie.
Jeśli pszczoła zbieraczka tańczy przed ulem na poziomej powierzchni, prosty bieg wskazuje bezpośrednio ku proponowanemu miejscu. Powiedzmy, że proponowane miejsce jest ulokowane -200 na prawo od słońca. Jeśli pszczoła tańczy w ulu na pionowej powierzchni, to grawitacja chwilowo zastępuje słońce jak punkt odniesienia i prosty bieg w tańcu wywijanym jest skierowany -200 od pionu. Wylatując z ula pszczoły używające tej informacji odnoszą wskazany kąt do pozycji słońca. Odległość od proponowanego miejsca wskazuje szybkość prostego biegu w figurze θ.
FILM ( http://www.youtube.com/watch?v=4NtegAOQpSs&feature=player_embedded )
(Uwaga: Wideo pokazuje taniec wywijany wskazujący na nowe źródło nektaru. Pszczoły używają innych wskazówek, kiedy proponują nowe miejsce osiedlenia.)
Procesy ewolucyjne działały nie tylko w rozwoju tańca wywijanego jako jednego z mechanizmów sygnalizujących w ulu (inne procesy sygnalizacyjne to specyficzne feromony wspomniane wyżej), ale także dla innych instynktów przetrwania pszczół. Selley i jego współpracownicy (2006) odkryli dobry tego przykład w mechanizmie „szybkość kontra dokładność" w ostatecznej decyzji wyboru nowego miejsca osiedlenia. Na ogół jest około tuzina miejsc konkurujących o uwagę pszczół. Czy eliminowanie wszystkich poza jednym odbywa się przez wzrastającą emfazę i zgodę? Nie, niekoniecznie.
Eliminowanie wszystkich miejsc poza jednym wpływa negatywnie na szybkość procesu podejmowania decyzji, co może być szkodliwe dla ogólnego dobra ula (np. wymaga większego nakładu energii). Zamiast dążyć do konsensusu (zgody między praktycznie rzecz biorąc wszystkimi pszczołami-wywiadowczyniami) ul idzie za quorum (wystarczająca liczba wywiadowczyń, odwiedzających którekolwiek miejsce). Rój leci zająć miejsce, które odwiedziło mniej więcej 150 pszczół. Może się to okazać błędną decyzją, ale nie jest zbyt prawdopodobne, że tak będzie. Dochodzi się do kompromisu między dokładnością w wyborze miejsca osiedlenia a szybkością, z jaką podejmuje się ostateczną decyzję. Dzięki procesowi darwinowskiego doboru naturalnego i ewolucji gatunek dostroił się do tego, co jest najlepsze dla przetrwania i rozmnażania. Wyłaniające się zachowanie i ewolucja biologiczna idą ręka w rękę.
Wyliczmy teraz istotne cechy wchodzące w ten złożony, adaptacyjny system.
1. System składa się z dużej liczby rozproszonych członków lub czynników, mianowicie pszczół, działających równolegle.
2. W języku teorii sieci na każdą pszczołę można patrzeć jak na węzły sieciowe, a możliwa linia („krawędź") łącząca każde dwa węzły reprezentuje interakcję (komunikację) między dwiema pszczołami.
3. Interakcje między węzłami lub czynnikami odbywają się przez sygnały (taniec wywijany, wydzielanie i zlizywanie feromonu itp.).
4. Krawędź sieci reprezentuje wymianę informacji.
5. Węzły (pszczoły) mają czujniki do odbierania informacji (wizualne, chemiczne, dotykowe).
6. Przetwarzanie informacji odbywa się w mózgach pszczół, wspomaganych przez „instynkt" lub wrodzone tendencje (reguły wewnętrzne). Fakt, że pszczoły żyją i dobrze się mają, jest dowodem, że procesy ewolucyjne doprowadziły do rozwoju właściwych reguł wewnętrznych.
7. Ul jest ADAPTACYJNYM organizmem (złożonym systemem adaptacyjnym). Na przykład, jeśli populacja ulega zdziesiątkowaniu, pozostałe pszczoły szybko dostosowują się i kontynuują jak przedtem.
8. Nie ma centrum dowodzenia.
9. Jednostki są autonomiczne, ale na to, co robią, silnie wpływa na „widziane" zachowanie innych.
10. Zachowanie emergentne (wyłaniające się) powstaje dzięki samej wielkiej liczbie i skutecznej komunikacji i interakcji. W tym wypadku wyłania się inteligencja roju, do której żaden pojedynczy członek nie jest zdolny osobno.
11. Sieć pszczół posiada „nielinearną przyczynowość" równych wpływających na równych. Małe przyczyny mogą wywołać nieoczekiwanie duże reakcje. Różne warunki wstępne mogą prowadzić do radykalnie różnych rezultatów.
12. Przyczyny nielinearności można szukać i znaleźć w pozytywnym sprzężeniu zwrotnym i w prawie wzrastających zysków.
13. Ewolucyjną (reguły wewnętrzne) część zachowania pszczół także można wyjaśnić w kategoriach zachowań emergentnych. Połączony w sieć rój potrafi się zaadaptować i jest odporny; pielęgnuje małe niepowodzenia, by duże niepowodzenia nie zdarzały się często. Nie tylko pomaga to przetrwaniu i rozmnożeniu, ale faworyzuje NOWOŚĆ. Wielka liczba możliwych kombinacji i permutacji między wchodzącymi w kontakt czynnikami daje potencjał do nowych możliwości. A jeśli dołączymy odziedziczalność, jednostkowe zachowanie i eksperymentowanie prowadzi do WIECZNEJ NOWOŚCI, znaku probierczego ewolucji.
14. Ul może nas niejednego nauczyć o podejmowaniu decyzji przez grupy i jednostki, szczególnie zaś o kompromisie między dobrymi decyzjami a szybkimi decyzjami. Czasami niezbędne są szybkie decyzje, nawet jeśli ryzykuje się popełnienie błędów. Seeley i in. (2006) zwrócili uwagę na kilku pouczających sposobów, w jakie robią to pszczoły.
♦ Pierwszą rzeczą, którą trzeba zanotować, to że pszczoły zbieraczki są samo-zorganizowane w sposób wspierający różnorodność informacji. Nie ma przywódcy, który by zdławił odmienne zdanie. Proces podejmowania decyzji jest rozłożony na wszystkich członków grupy w sposób zdecentralizowany. Rozmaite informacje o rodzajach miejsc osiedlenia trafiają do ula bez żadnej stronniczości.
♦ Po drugie, pszczoły są autonomiczne, bez żadnej skłonności ani nacisków, by ślepo naśladować inne pszczoły. Między możliwymi miejscami osiedlenia jest uczciwa konkurencja. Po obejrzeniu tańca pszczoła leci do zaproponowanego miejsca, żeby samej sprawdzić jego zalety. Ta niezależność działania pomaga zapobiec szerzeniu błędów w wyborze miejsca.
...
DARidea