Мягкие вычисления — это совокупность средств и методов, как правило, имеющих непосредственные аналогии в природе, которые позволяют решать задачи высокой сложности путем обработки неполной и неточной информации. К таким методам относятся эволюционные алгоритмы, нейронные сети, нечеткая логика и так далее.
Мягкие вычисления оформились в отдельный раздел информатики в 1990-е годы и сегодня используются при решении задач, для которых эксперты не смогли найти оптимального решения. В некоторых случаях оптимальное решение подобных задач требует нескольких лет расчетов или использования данных, которые невозможно получить. Мягкие вычисления позволяют быстро найти неоптимальное, но достаточно хорошее решение задач такого типа. Сегодня мягкие вычисления используются для решения задач во всех областях науки и техники, начиная от биологии и заканчивая политологией.
Одно из важнейших свойств системы, в которой есть «жизнь», таково: в ней должны присутствовать определенные условия, которые делают возможным появление самоорганизующихся систем, намного более сложных, чем их составные части.
Прекрасный пример такой системы — колония муравьев, в которой относительно несложное поведение простых элементов, муравьев, порождает полностью самоорганизующуюся систему — колонию, намного более сложную, чем сумма ее частей.
Еще одна характеристика жизни заключается в том, что живой организм должен уметь выживать в среде, в лучшем случае — оставить потомство. Чтобы организм можно было назвать живым, он должен иметь определенную неслучайную динамику, независимую от возможных изменений окружающей среды. Также живая система должна обладать повторяющимся, но неравномерным поведением. Иными словами, если действие нового процесса очевидно, но при этом он является циклическим, то сущность, в которой проявляется этот процесс, нельзя считать живой.
Утка Жакаде Вокансона (1709–1782) — возможно, первого инженера, занимавшегося искусственной жизнью.
Как читатель уже понял, определить жизнь и интеллект со всей математической точностью непросто. До сих пор не найден простой критерий, позволяющий выяснить, можно ли считать живым тот или иной искусственный либо естественный объект. Споры о сущности жизни выходят далеко за рамки математики и информатики.
Даже в биологии ученые до сих пор не пришли к единому мнению по некоторым вопросам, связанным с жизнью, к примеру, можно ли считать живым организмом вирус. И можно ли считать живым организмом компьютерный вирус? Проанализируем ситуацию: компьютерные вирусы очевидно обладают динамическим поведением, которое не является регулярным или циклическим. Но можно ли сказать, что компьютерные вирусы возникли естественным образом? Скорее всего нет, так как они созданы злоумышленником-программистом, в то время как обычные вирусы возникли естественным путем.
* * *
ВИРУСЫ И ПРИОНЫ
Вирусы это биологические системы, сами по себе не способные к размножению, поэтому большинство биологов не считает их живыми организмами, однако консенсус по этому вопросу до сих пор не достигнут. Существует множество видов вирусов, но все они обладают общим свойством — в них присутствует генетический материал, который вирусы передают хозяевам при заражении. В результате появляются новые копии вируса, разумеется, несущие в себе этот генетический материал. Копии вируса распространяются по организму хозяина и поражают новые и новые клетки.
Прионы, в свою очередь, еще более просты и не имеют генетического материала, однако способны передаваться от одного организма к другому. Механизм передачи прионов до сих пор неясен, но сегодня они представляют большой научный интерес, поскольку вызывают серьезные заболевания, например губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (коровье бешенство).
Прионы — это естественные белки с аномальной структурой. Вступая в контакт с другим белком в организме, прион вызывает изменения в его структуре. В результате затронутый белок перестает функционировать, а его аномальная структура передается другим белкам. Является ли прион живым организмом? По мнению биологов, нет.
Схема строения вируса.
* * *
«ЖИВЫЕ» ВЫЧИСЛЕНИЯ
В этой главе рассказывается об искусственных системах, имитирующих поведение живых организмов, а также о вычислительных системах, построенных на основе живых организмов.
Процессоры современных компьютеров состоят из сотен миллионов транзисторов, в которых все вычислительные операции выполняются с помощью электрических сигналов. Транзисторы — безжизненные объекты, изготовленные из неорганических элементов, например кремния.
Но можно ли заменить транзисторы живыми организмами, состоящими из клеток? В последнее время биологам и физикам удалось решить эту задачу и заставить живые клетки выполнять математические действия, подобно транзисторам. Следовательно, в будущем ученые смогут создать системы искусственной жизни на основе биологических вычислений. Станут ли компьютеры будущего живыми существами, которые будут питаться обычной едой, а не электричеством?
Чтобы упростить определение понятия «жизнь», некоторые эксперты предложили более общее понятие сложной адаптивной системы. Сложная адаптивная система — это агент или совокупность агентов, действующих совместно, при этом достаточно разумных, чтобы адаптироваться к окружающей среде, когда поведение других систем меняется. Под определение сложной адаптивной системы подпадает более широкий спектр живых систем, чем те, что приходят нам в голову, когда мы слышим термин «живой организм». К сложным адаптивным системам относятся иммунная система человека, торговая корпорация или целая экосистема. Пример с корпорацией достаточно любопытен, поскольку вряд ли ее можно считать «живой». Однако если тщательно подумать, то станет очевидно: корпорация рождается, растет, может оставить потомство и умереть. В большинстве европейских стран корпорации имеют почти такие же права и обязанности, как и обычные люди, да и названия у них схожи: если людей называют физическими лицами, то корпорации — юридическими лицами.
Ученые сходятся на том, что сложную адаптивную систему определяют семь характеристик: четыре свойства и три механизма. Сочетание этих основных характеристик порождает новые свойства и механизмы. Определение сложной адаптивной системы носит несколько более общий характер, чем определение самого понятия «жизнь» с точки зрения биологии: мы никогда не назвали бы финансовую компанию или город живыми. Поэтому неоднозначный термин «искусственная жизнь», определить который совсем не просто, обычно используется разве что в сенсационных заголовках и в рассуждениях дилетантов.
* * *
SIMCITY И СЛОЖНЫЕ АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ
Города — прекрасные примеры сложных адаптивных систем. Компьютерная игра SimCity, позволяющая строить города и симулировать их жизнь, — прекрасная возможность познакомиться со сложными адаптивными системами: сама игра наполняет города жителями, генерирует социальную и рыночную активность и ставит игрока перед сложными ситуациями, требующими решения (разрушение коммуникаций или стихийные бедствия).
Еще одна компьютерная игра, дающая возможность познакомиться со сложными адаптивными системами, — Civilization, ее цель — создать целую конкурентоспособную цивилизацию с городами, путями сообщения, оборонительными сооружениями, заключить торговые договоры с соседями, определить социальную и научную политику.