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李建会:人工生命:探索新的生命形式
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-06-25 点击: 1123 次 我要收藏

生命是什么?它是如何起源的?我们可以创造生命吗?这些是人们一直在探索并试图回答的问题。20世纪60年代,人们破译了遗传密码,70年代遗传工程有了重大突破,80年代人类又计划测定人类基因组的碱基序列。很自然,生物学研究接下来的一个重要目标就是用人工的方法创造出生命。当然,以现有的生命物质为基础是人工生命合成的一条重要途径,然而,在生命起源的机理尚未清楚之前,这样的合成的前景并不乐观。那么,我们有没有其他方法人工创造出生命呢?计算机科学的发展为我们提供了一条新的研究思路,即我们可以尝试在计算机或其他媒质中创造出新形式的生命。这就是80年代末90年代初在国际上兴起的一股探索用非有机物质创造新的生命形式的研究热潮。这种拟议中的新的生命形式被称为“人工生命”。人工生命概念一提出,立刻得到世界各地学者的热烈响应,吸引了众多学者参与到这一新兴的研究领域中。人工生命的研究进展一度成为《科学》(Science)杂志和《科学美国人》杂志报道的热点。人工生命不仅对传统生物学提出了挑战,而且也对我们最根本的社会、道德、哲学等的观点提出了挑战。
1 人工生命研究的兴起
(1)生物形态发生和自我繁殖的逻辑 人工生命和人工智能是两门相近的学科。虽然它们的目标不同,发展先后也不一样,但它们智慧的种子几乎都是在相同的时代由相同的人播种的。它们共同的智力先驱就是阿兰.图灵和约翰.冯诺伊曼。
阿兰.图灵是人工科学的第一个先驱。他在20世纪50年代早期发表了一篇蕴意深刻的论形态发生(生物学形态发育)的数学论文(1952)。在这篇论文中,他提出了人工生命的一些萌芽思想。他证明相对简单的化学过程可以从均质组织产生出新的秩序。两种或更多的化学物质以不同的速率扩散可以产生不同密度的“波纹”,这如果是在一个胚胎或生长的有机体中,很可能以后产生重复的结构,比如腺毛、叶芽、分节等。扩散波纹可以在一维、二维或三维中产生有序的细胞分化。在三维空间中,它们比如可以产生原肠胚,其中,球形的均质细胞发育出一个空心(最终变为管状)。就像图灵自己所强调的那样,进一步发展他的思想需要更好的计算机,而他自己只有很原始的计算机帮助,所以,他的论文尽管对分析生物学是一个重大的贡献,但并没有立刻产生作为一门计算学科的人工生命。
冯诺伊曼也是人工科学的先驱。20世纪40年代和50年代,他在数字计算机设计和人工智能领域做了很多开创性的工作。与图灵一样,他也试图用计算的方法揭示出生命最本质的方面。但与图灵关注生物的形态发生不同,他则试图描述生物自我繁殖的逻辑形式。在发现DNA和遗传密码好几年之前,他已认识到,任何自我繁殖系统的遗传物质,无论是自然的还是人工的,都必须具有两个不同的基本功能:一方面,它必须起到计算机程序的作用,是一种在繁衍下一代过程中能够运行的算法;另一方面,它必须起到被动数据的作用,是一个能够复制和传到下一代的描述。为了避免当时电子管计算机技术的限制,他提出了细胞自动机(简称CA)的设想:把一个长方形平面分成很多个网格,每一个格点表示一个细胞或系统的基元,每一个细胞都是一个很简单、很抽象的自动机,每个自动机每次处于一种状态,下一次的状态由它周围细胞的状态、它自身的状态以及事先定义好的一组简单规则决定。冯诺伊曼证明,确实有一种能够自我繁殖的细胞自动机存在,虽然它复杂到了当时的计算机都不能模拟的程度。冯诺伊曼的这项工作表明:一旦我们把自我繁衍看作是生命独特的特征,机器也能做到这一点。
冯诺伊曼的人工生命观念,与图灵关于形态发生的观念一样,被研究者忽视了许多年。这些人主要把他们的注意力集中在人工智能、系统理论和其它一些研究上,因为这些领域的内容在早期计算技术的帮助下可以得到发展。而探讨图灵和冯诺伊曼的人工生命研究的进一步含义则需要相当的计算能力,由于当时没有这样的计算能力,它的发展不可避免地受到了限制[1]。
(2)“生命游戏”和“混沌的边缘” 冯诺伊曼未完成的工作,在他去世多年后由康韦(John Conway)、沃弗拉姆(Stephen Wolfram)和兰顿(Chris Langton)等人进一步发展。1970年,剑桥大学的约翰.康韦编制了一个名为“生命”的游戏程序,该程序由几条简单的规则控制,这几条简单的规则的组合就可以使细胞自动机产生无法预测的延伸、变形和停止等复杂的模式。这一意想不到的结果吸引了一大批计算机科学家研究“生命”程序的特点。最后终于证明细胞自动机与图灵机等价。也就是说,给定适当的初始条件,细胞自动机可以模拟任何一种计算机。因此,康韦不无自信地说,“在足够大的规模上,你将真正看到活的配置。真正的生命,无论什么理性的定义你愿意给予它。演化,复制,为了领土而斗争,变得越来越聪明,撰写学术上的Ph.D论文。毫无疑问,在一个足够大的板子上,在我心里有这种事物将发生”[2]。
80年代,斯蒂芬.沃弗拉姆对细胞自动机(CA)做了全面的研究(1984)。他将细胞自动机分成四种类型:类型Ⅰ,CA演化到一个均质的状态;类型Ⅱ,CA演化到周期性循环的模式;类型Ⅲ,CA的行为变成混沌,没有明显的周期性呈现,并且后续的模式表现为随机的,随着时间的变化,没有内在的或持续的结构;类型Ⅳ,CA的行为呈现出没有明显周期的复杂模式,但是,展现出局域化的和持续的结构,特别是,其中有些结构具有通过CA的网格传播的能力[3]。
类型Ⅰ和Ⅱ的CA产生的行为,在生物学的模型建构中显得太平淡而失去了研究兴趣。虽然种类Ⅲ的CA产生了丰富的模式,但是,那里没有突现的行为,就是说,没有连贯、持久的、超出单一细胞层次的结构出现。在类型Ⅳ的CA中,我们确实发现了突现的行为:从纯粹局部相互作用的规则中突现出秩序。
为什么有些细胞自动机能够产生很有意义的结构,而另外一些却不能呢?这个问题吸引了当时还在读研究生的克里斯.兰顿。兰顿定义了一个参数

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