B/127: P.Coveney, R.Highfield - Granice Złożoności








Wstecz / Spis
Treści / Dalej

ROZDZIAŁ 1
TAJEMNA SZTUKA
Bóg zawarł w prawach Natury tajemną sztukę,
tak aby chaos przemienił się w doskonały system świata.
IMMANUEL KANT
Powszechna historia naturalna i teoria nieba1
Gdy oglądamy świat w ogromnym powiększeniu, widzimy wyłącznie niewyobrażalną liczbę cząstek, tańczących pod dyktando sil elementarnych. Wszędzie wokół nas
i w nas samych
atomy oscylują, zderzają się między sobą i krążą. Przy każdym oddechu wciągamy w płuca ogromną ilość cząsteczek tlenu i azotu. W ziarnkach piasku pod naszymi stopami wibruje sieć krystaliczna zbudowana z atomów. W naszych komórkach liczne enzymy mozolą się nad wydobyciem ze związków chemicznych użytecznej energii. Mimo to uważamy Wszechświat za jeden harmonijny układ, czyli
jak mówili Grecy
za kosmos. W dzisiejszych czasach nowa dziedzina nauki usiłuje wyjaśnić, dlaczego Wszechświat jest czymś więcej niż tylko sumą swych części i jak te części łączą się ze sobą, tworząc nadrzędne struktury. Nauka o złożoności stanowi próbę wydobycia porządku z kosmicznego chaosu. Odkrywa ona zadziwiające związki między rozlicznymi wynikami uczonych, którzy zajmują się badaniami w zdumiewająco odmiennych dziedzinach.
Francuscy uczeni badają, jak w mieszaninie związków chemicznych spontanicznie pojawiają się plamy i paski, niezwykle podobne do wzorów, jakie widzimy w umaszczeniu zwierząt, na skrzydłach owadów i muszlach mięczaków. W mieszaninie zachodzą zsynchronizowane reakcje chemiczne. Wydaje się, że niezliczone cząsteczki dokładnie wiedzą, co i kiedy mają zrobić, żeby powstał kolorowy wzór. Wymaga to "komunikacji" między miriadami cząsteczek.
Na wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych w sieci setek tysięcy sztucznych komórek nerwowych zachodzą uporządkowane procesy elektryczne. Nikt nie powiedział sieci, jak ma się zachowywać: jej twórcy określili tylko kilka prostych reguł, rządzących komunikacją między komórkami. Stopniowo jednak komórki organizują się tak, że różne zadania są realizowane przez różne grupy komórek sieci. Co uderzające, sieć integruje się na podobny sposób jak komórki ludzkiego ciała, przetwarzające informację wizualną.
Na przedmieściach San Diego biolodzy molekularni usiłują powtórzyć proces, dzięki któremu w trakcie ewolucji
trwającej całe eony
powstali ludzie. Uczeni wywołują mutacje i śledzą ewolucję bilionów molekularnych wariacji na temat naturalny, badają kawałek genetycznego kodu, którego optymalizacja zajęła naturze miliardy lat. "Ewolucja w probówce" sprawia, że już po kilku dniach fragment ten koduje enzym zdolny do przyspieszenia nowego procesu chemicznego, który zapewne pomoże uratować komuś życie.
W Kioto pewien ekolog wpatruje się w szereg kolorowych pasków na ekranie komputera. Tęcza pasków ewoluuje, a jej stan odzwierciedla sekwencje kodu programu komputerowego, podlegającego mutacjom; sekwencje te przetrwały walkę o miejsce w pamięci maszyny. Konkurujące programy stale ewoluują; po kilku tysiącach pokoleń powstaje niezwykle różnorodna menażeria, przypominająca bujne życie w tropikalnych lasach deszczowych.
Tysiące mil od Kioto, w Oksfordzie, fizycy badają zjawisko frustracji, które pozwala wyjaśnić dziwne własności magnetyczne pewnych stopów. W normalnym życiu źródłem frustracji są: niepotrzebna biurokracja, czepianie się szczegółów, jałowy opór. Frustracja magnetyczna to rezultat konfliktów między siłami międzyatomowymi. Jeśli zrozumiemy ten konflikt, będziemy w stanie nie tylko wyjaśnić magnetyczne własności stopów, ale również lepiej pokierować rozkładem obciążenia globalnej sieci telekomunikacyjnej i odsłonić tajemnice działania pamięci.
Wszyscy ci uczeni badają różne przejawy tego samego zjawiska
złożoności, owej "tajemnej sztuki", przeczuwanej przez Kanta. W makroskopowym świecie nie brakuje złożonych układów i procesów, takich jak rytuały religijne, przelotne uczucia, melodie, bagna, światowe krachy na giełdzie i deszczowe niedzielne popołudnia. Złożoność jest nieodłączną cechą natury, a nie tylko skutkiem kombinacji wielu prostych procesów zachodzących na bardziej elementarnym poziomie.2
W ramach nauki pojęcie złożoności sygnalizuje nowy sposób myślenia o zbiorowym zachowaniu wielu podstawowych, lecz oddziałujących elementów
mogą to być atomy, cząsteczki, neurony lub bity w komputerze. Mówiąc ściślej, zgodnie z naszą definicją, nauka o złożoności zajmuje się badaniem makroskopowych zbiorów elementów obdarzonych zdolnością do ewolucji w czasie. Ich oddziaływania powodują wystąpienie uporządkowanych zjawisk kolektywnych
tak zwanych własności emergencyjnych, które dają się opisać wyłącznie na wyższym poziomie niż używany do opisu elementów składowych. W tym sensie całość jest czymś więcej niż tylko sumą swych części, podobnie jak obraz van Gogha to coś znacznie więcej niż tylko zbiór śmiałych pociągnięć pędzlem. To samo można powiedzieć o ludzkim społeczeństwie, wzburzonym morzu lub elektrochemicznej aktywności neuronów w mózgu. Trafnej myśli nie można opisać jako sekwencji zdarzeń w pojedynczej komórce mózgu, a gwałtownego wiru w turbulentnym oceanie nie uda się nam wyjaśnić, analizując ruch pojedynczych cząsteczek wody. I na odwrót, długookresowe zachowanie zaledwie trzech kuł na stole bilardowym jest nieprzewidywalne, choć doskonale znamy równania rządzące ich ruchem.3
Konwencjonalna nauka często nie dostrzega związków między frustracją w metalach, zmianami cen akcji na giełdzie i wieloma innymi złożonymi zjawiskami. W dzisiejszych czasach większość uczonych ogranicza się do szczegółowych badań jakiegoś specyficznego zagadnienia w wąskiej dziedzinie nauki, na przykład zajmując się pienistą strukturą rozkładu materii we Wszechświecie, zmniejszaniem się liczebności populacji ślimaków Partula na wyspach Moorea na Pacyfiku czy też molekularną strukturą enzymu wirusa HIV. Jest to proces nieuchronny: coraz więcej wysiłków badawczych poświęcamy coraz mniejszym szczegółom. Ogólna wiedza, konieczna do uprawiania dowolnej dziedziny nauki, i wyrafinowanie stosowanych metod rozwinęły się tak bardzo, że bez ogromnego zaangażowania trudno dotrzeć do frontu bieżących badań. Prowadzi to do coraz większej specjalizacji, która powoduje, że w każdej wąskiej dziedzinie nauki kształtują się jej specyficzna metodologia i żargon. Ludziom z zewnątrz trudno zrozumieć, co robią specjaliści z danej dziedziny, a nawet stwierdzić, czy przypadkiem nie łączy ich z nimi wspólny schemat pojęciowy.
Jednak większość problemów, z jakimi musimy sobie radzić w rzeczywistym świecie
niemal wszystkie, jakie występują w nowoczesnych społeczeństwach przemysłowych
nie daje się łatwo zaszufladkować. Aby je rozwiązać, uczeni z różnych tradycyjnych specjalności muszą się nauczyć rozmawiać ze sobą i podejmować wspólne, zintegrowane badania. To stwierdzenie może wzbudzić podejrzliwość wielu naukowców, będących dziś niejako z definicji specjalistami; niektórzy mogą się nawet poczuć zagrożeni. Niestety, obecny system edukacyjny kiepsko nas przygotowuje do takich przedsięwzięć. Jak twierdzi Murray Gell-Mann
laureat Nagrody Nobla
"ludzie muszą zatem porzucić przekonanie, że poważna praca polega wyłącznie na piłowaniu dobrze określonych problemów w wąskiej specjalności, natomiast rozważania na temat całości należy prowadzić wyłącznie na przyjęciach. Praca nad integracją nie cieszy się dostatecznym szacunkiem w życiu akademickim i w opiniach biurokratów".4 W dawnych wiekach wybitni intelektualiści mogli wnosić wybitny wkład do wszystkich dziedzin ludzkiego myślenia. Dziś to wydaje się niemożliwe.
Istnieje jednak grupa uczonych
i filozofów
którzy usiłują iść pod prąd. Dążą oni do wykrycia związków między dziedzinami nauki, które powszechnie uważa się za odrębne, i wykazania, jak niewiele pojęć potrzeba do wyjaśnienia zjawisk natury. Ostatecznym celem nie jest tu uchwycenie jakiegoś pojedynczego złożonego procesu, lecz uniwersalnych cech samej złożoności, niezależnie od tego, czy przejawia się ona w ewolucji tropikalnego lasu, w działaniu komputera, rytmie kropel kapiących z kranu, kolorowych spiralach, jakie powstają w niektórych reakcjach chemicznych, magnetycznych własnościach stopów czy funkcjonowaniu świadomego mózgu. Celem poszukiwań jest odnalezienie jedności w różnorodności, wyjaśnienie, jak porządek może się wyłonić w masie ewoluujących elementów -atomów, komórek lub organizmów.
Tradycyjna fizyka potrafi przewidywać makroskopowe zdarzenia, takie jak ugięcie promieni światła przelatujących obok masywnych ciał, na przykład czarnych dziur, czy też ruch galaktyk. Umiemy również badać zjawiska w najmniejszych skalach, takie jak przeskoki elektronu z jednej orbity na drugą w atomie wodoru. Zazwyczaj jednak fizycy unikają prób wyjaśnienia działania mózgu czy też dowolnych innych złożonych zjawisk, które bardzo często zachodzą w tej skali wielkości i czasu, która
jak na ironię
jest nam najbliższa. Procesy prowadzące do powstania z pierwotnej prostoty świata atomów i cząsteczek tej nadzwyczajnej makroskopowej złożoności, którą tak dobrze znamy, stanowią część "tajemnej sztuki" natury. Dla Immanuela Kanta owa "tajemna sztuka" była śladem boskiej dłoni, sterującej zdarzeniami w odpowiednim kierunku.
Podejmujemy właśnie naszą próbę zrozumienia istoty złożoności. W kolejnych rozdziałach zapoznamy się z podstawowymi matematycznymi sposobami opisywania złożoności i jej przejawami w tak różnych dziedzinach, jak fizyka, chemia, biologia i informatyka. Po drodze będziemy mieli okazję zaobserwować wielką siłę tej nowej nauki oraz jej zdolność do łączenia procesów zachodzących w naszych ciałach i w otaczającym nas świecie. Mamy nadzieję, że uda się nam przedstawić takie związki w sposób, jaki dotychczas był niemożliwy.
Powstanie złożoności
Aby mogła powstać złożoność, konieczne są dwa czynniki. Pierwszym i najważniejszym jest nieodwracalne medium, w którym następują zdarzenia. Tym medium jest czas, płynący od leżącej za nami, zamkniętej przeszłości w przyszłość, która kryje w sobie wiele otwartych możliwości. Stwierdzamy tu explicite ten na pozór oczywisty fakt, ponieważ prawa ruchu, których tradycyjnie używamy do opisu zachowania materii na poziomie mikroskopowym, nie wyróżniają kierunku upływu czasu. Jednak takie fakty, jak topienie się bałwana i zmarszczki na twarzy, nie pozostawiają żadnych złudzeń, że na poziomie makroskopowym jest wyróżniony jeden kierunek upływu czasu. Jest to właśnie słynny paradoks nieodwracalności, który wynika ze sprzeczności między tymi dwoma poziomami opisu; problemem tym zajmowaliśmy się w naszej poprzedniej książce, zatytułowanej Strzalka czasu.
Drugim istotnym czynnikiem jest nieliniowość. Wszyscy dobrze znamy układy liniowe, które od ponad trzystu lat stanowią podstawę nauki. Ponieważ jeden plus jeden to dwa, możemy przewidzieć, iż objętość wody kapiącej z kranu wzrośnie dwukrotnie, gdy pozwolimy, by woda leciała dwa razy dłużej. Nieliniowe układy nie zachowują się zgodnie z tą prostą regułą dodawania. Proszę porównać prosty wypływ wody z kranu ze skomplikowanymi procesami nieliniowymi, regulującymi ilość wody w organizmie lub ruch pary wodnej w chmurach nad nami. Nieliniowość sprawia, że niewielkie zmiany na jednym poziomie organizacji układu mają rozległe konsekwencje na tym samym lub innym poziomie. Większość z nas zna to zjawisko -dobrym przykładem jest dodatnie sprzężenie zwrotne między mikrofonem i głośnikiem: wskutek wzmocnienia muzyka zmienia się w ogłuszające wycie. Ten sam mechanizm powoduje lawinowe rozszczepienie jąder plutonu podczas wybuchowej jądrowej reakcji łańcuchowej. Ogólnie mówiąc, nieliniowość prowadzi do skomplikowanych i często nieprzewidywalnych wyników.
Nieodwracalność i nieliniowość są charakterystyczne dla zjawisk, którymi zajmują się różne nauki, takich jak złożony wzór na skrzydłach motyla, układ cętek leoparda, kształt liścia paproci, misterna ornamentacja błony komórkowej okrzemków, a także rytmy w żywym organizmie, na przykład palpitacje serca, pobudzenie neuronu itd. Nieliniowość prowadzi również do subtelniej szych, chaotycznych form złożoności, z jakimi mamy do czynienia w pozornie przypadkowych zmianach pogody, epidemiach grypy, przy rozchodzeniu się informacji i rozpowszechnianiu się idei.
O znaczeniu zjawiska złożoności doskonale można się przekonać na przykładzie diagramu ilustrującego bogate własności matematyczne prostego równania nieliniowego, które opisuje zmiany liczebności kolejnych pokoleń organizmów w ekosystemie wskutek narodzin i śmierci. Grafika komputerowa umożliwia przedstawienie dopuszczalnych typów ewolucji, opisywanych przez to równanie logistyczne, w postaci niezwykłego pejzażu (zob. wkładka, fot. 1). Odpowiednie obliczenia wykonał Mario Markus
ze swymi współpracownikami z Instytutu Fizjologii Molekularnej Maxa Plancka w Dortmundzie
dla niemal miliona możliwych kombinacji parametrów środowiska. Te obrazy dobitnie ukazują złożoność równań nieliniowych.5 Bez komputera nie bylibyśmy w stanie zbadać własności ich rozwiązań.
Pochodzenie złożoności
Materia wykazuje wrodzoną tendencję do samoorganizowania się i tworzenia złożonych układów. Tę tendencję można wykryć już w momencie powstania Wszechświata, gdy z zupełnej nicości wyłonił się okruch bezkształtnej materii. Wszechświat rozwinął się z tego hipotetycznego, doskonale prostego stanu początkowego. Najpierw materia miała postać zupy elementarnych cząstek, ale po upływie około jednej miliardowej sekundy od Wielkiego Wybuchu zaczęły powstawać takie cząstki, jak protony, neutrony i elektrony. Zdaniem fizyków te cegiełki materii zachowują się zgodnie z prostymi prawami matematycznymi, a jednak w miarę jak materia gromadziła się w coraz większe skupiska, takie jak galaktyki, gwiazdy i planety, powstawały zadziwiająco złożone struktury. Z wyprodukowanych w gwiazdach ciężkich pierwiastków powstały tak niezwykle zorganizowane układy, jak kryształy i ludzki mózg. Najbardziej uderzający przykład złożonej struktury, jaki znamy, to całokształt życia na Ziemi z jego fenomenalną różnorodnością.
Kosmologia, astrofizyka i fizyka cząstek elementarnych nie dostarczają nam jednak pełnego obrazu rzeczywistości. W przypadku życia na Ziemi złożoność natury została dodatkowo wzbogacona w wyniku rywalizacji o ograniczone zasoby. Dar-win spopularyzował koncepcję przetrwania osobników najlepiej dostosowanych i dążenia wszystkich gatunków
oraz pojedynczych przedstawicieli danego gatunku
do adaptacji i optymalizacji swoich zdolności do przetrwania. W miarę upływu czasu środowisko jednostki ulega zmianie, co oczywiście wpływa na jej zdolność do przetrwania. Wyczerpują się zapasy żywności, zmienia się klimat, pojawiają się niebezpieczne wirusy. Ponieważ różne gatunki żyją i konkurują w tym samym środowisku, aby przeżyć, organizm musi się nieustannie adaptować do nowych warunków. Małpa to tylko jedna z milionów struktur istniejących w czasie i przestrzeni, powstała w toku ewolucji lasu tropikalnego i jego mieszkańców. Małpa stanowi połączenie ogromnej liczby złożonych układów, od chemicznych reakcji w komórkach do elektrycznej aktywności w jej mózgu.
Zrozumienie złożoności życia to jedno z największych wyzwań, przed jakimi stoi współczesna nauka. Jest rzeczą oczywistą, jakie korzyści przyniesie nam rozwiązanie tego problemu. Właściwe zrozumienie biosfery planety stanowi klucz do zapewnienia jej bezpiecznej przyszłości. Zrozumienie złożoności ludzkiego organizmu wesprze nas w walce z chorobami. Czy podobne wyjaśnienie złożoności ludzkich społeczeństw pomoże nam przewidywać zamieszki, rozruchy i wojny?
Tak uzyskana wiedza znajduje bezcenne zastosowania w całym zakresie nauki i techniki. Naśladując metody, jakie stosują żywe organizmy w walce o przetrwanie, uczeni opracowali nowe sposoby rozwiązywania wielu skomplikowanych zagadnień. Dobrymi przykładami są tu algorytmy genetyczne, czyli programy komputerowe, wykorzystujące idee zapożyczone z ewolucji biologicznej, oraz sieci neuronowe, konstruowane na wzór struktury mózgu. Oba te podejścia odgrywają zasadniczą rolę we współczesnych próbach zbudowania sztucznej inteligencji; oba też trudno zrozumieć, odwołując się jedynie do tradycyjnych pojęć nauki.
Smakując złożoność
Od bardzo dawna ludzie, usiłując zrozumieć naturalny świat, ulegali pokusie prostoty. Za swoje zadanie uważali wyjaśnienie działania układów występujących we Wszechświecie przez odwołanie się do ich elementów składowych. Tak zwany redukcjonizm polega na wyjaśnianiu złożonych zjawisk przez coś prostszego. Dla fizyka oznacza to, na przykład, tłumaczenie własności gazu na podstawie analizy zachowania atomów i cząsteczek, które wchodzą w jego skład. Dla chemika zaś może to oznaczać przedstawianie przebiegu reakcji jako serii zmian w cząsteczkach.
Szczególnie wyrazistą postać przyjmuje redukcjonizm w fizyce cząstek elementarnych, gdzie króluje dążenie do odkrycia "teorii wszystkiego". Taka teoria miałaby wyrazić za pomocą kilku równań podstawowe oddziaływania wszystkich form materii. Jednak najlepsza zabawa fizyków
poszukiwanie najprostszych cząstek elementarnych
wydaje się obecnie nieco passę, jeśli wziąć pod uwagę posuchę, jaka trwa od zarejestrowania cząstek W i Z� w 1983 roku6, i ziewnięcie, z jakim zareagowali fizycy na wykrycie kwarka szczytowego w 1995 roku7, oraz
mówiąc poważniej
narastający rozziew między zawiłymi teoriami i obserwowalnym światem.
W chemii wyrazem takiej samej filozofii jest rozpowszechnione przekonanie, że wszystkie procesy można wyjaśnić, odwołując się do własności pojedynczych atomów i cząsteczek biorących w tych procesach udział. W naukach o życiu można ją odnaleźć w postaci "doktryny DNA", która powstała po tym, jak w 1953 roku Francis Crick i James Watson odkryli strukturę cząsteczki DNA. Tak narodziła się biologia molekularna; pozwala ona wyjaśniać wiele zjawisk biologicznych na podstawie analizy zachowania cząsteczek. Nikt nie przeczy, że ten tryumf redukcjonizmu wywarł wielki wpływ na nasze życie: legiony uczonych z całego świata korzystają z tak zdobytej wiedzy, aby wykryć choroby dziedziczne i leczyć je za pomocą genetycznych transplantacji. Tak zwana terapia genowa otwiera perspektywę, że w przyszłości będziemy potrafili leczyć wiele chorób dziedzicznych, takich jak mukowiscydoza i dystrofia mięśniowa, a nawet manipulować cechami dziedzicznymi, na przykład sprawnością fizyczną i inteligencją.
Sukcesy redukcjonizmu sprawiły, że wielu ludzi uznało go za uniwersalną drogę do zrozumienia zjawisk. A przecież redukcjonizm wbił klin między naukę i inne aspekty ludzkiego życia. W swej naiwnej wersji polega wyłącznie na analizie zjawisk przez rozłożenie ich na najmniejsze możliwe elementy. Jak zauważył AMn Toffler, współczesna nauka tak dobrze radzi sobie z rozkładaniem problemów na części, że często później zapominamy złożyć je w całość.8 W ten sposób ludzie stają się właściwie tylko maszynami, służącymi do rozpowszechniania genów. Cierpienie, ból, rozruchy społeczne są tylko przejawami działania złych genów. Przyczyną homoseksualizmu jest "homoseksualny mózg", produkt genów homoseksualizmu.9
Ludzie, którzy nie zajmują się nauką, często uważają, iż redukcjonistyczne przekonanie, że wszystko można wytłumaczyć przez odwołanie się do atomów i cząsteczek, podważa również naszą wiarę w humanistyczne i humanitarne wartości: "W końcu, gdy się nad tym zastanowić, ludzkie ciało to tylko trochę związków chemicznych, wartych parę dolarów". Ponadto jeśli ludzkością rządzą naturalne siły i deterministyczne mechanizmy, nie możemy uznać teorii, według której ludzkie działania wynikają z wolnej woli. Naiwny redukcjonizm proponuje wizję lodowatego Wszechświata, dla którego istnienie ludzkości nie ma żadnego znaczenia.10 Ten niezbyt inspirujący obraz skłonił wielu do zajęcia stanowiska krytycznego wobec nauki i jej metod, które najwyraźniej nie mają znaczenia dla znacznej części ludzkich doświadczeń. Surowa wizja świata redukcjonistów przyczyniła się do popularyzacji poglądu, że nauka jest czymś odizolowanym od całej reszty ludzkiej kultury.
Nauka o złożoności stwarza holistyczną perspektywę, a tym samym pozwala lepiej zrozumieć wiele trudnych pojęć, takich jak życie, świadomość i inteligencja, z którymi dotychczas nie mogli sobie poradzić filozofowie i uczeni. Na przykład często przedmiotem dyskusji jest kwestia, czy wirusy to żywe organizmy. Z punktu widzenia nauki o złożoności pytanie to nie ma sensu, ponieważ życie to cecha dużych zbiorów jednostek, podlegających ewolucji wskutek doboru naturalnego, a nie pojęcie, które można odnosić do jednej z tych jednostek. Coraz więcej uczonych opowiada się za opisem życia, który odwołuje się do złożoności i własności emergencyjnych. Ten pogląd zyskał również dość zaskakujących zwolenników.
"Życie nie jest jakąś esencją dodaną do układu fizykochemicznego, ale nie można go też opisać za pomocą zwykłych pojęć fizycznych i chemicznych. To własność emergencyjna, która przejawia się, gdy układy fizykochemiczne są odpowiednio zorganizowane i oddziałują między sobą w pewien szczególny sposób". Tę opinię wygłosił John Habgood, były arcybiskup Yorku i fizjolog, przekonany, że naukowy światopogląd, jaki proponuje nauka o złożoności, jest pod wieloma względami teologicznie lepszy niż stara koncepcja witalizmu.11 W swym wystąpieniu na dorocznym spotkaniu Brytyjskiego Stowarzyszenia Wspierania Nauki w 1994 roku Habgood wyraził opinię, że dowody twórczej pracy Boga można znaleźć w narastającej złożoności rozwijających się organizmów: "Świadczą o tym nawet pierwsze słowa pierwszego rozdziału Księgi Rodzaju, mówiące o tym, że Bóg stworzył porządek z chaosu".12
Podobna debata trwa również na temat królestwa zwierząt. W tym przypadku chodzi o to, gdzie przebiega linia podziału między zwierzętami świadomymi i inteligentnymi a bezmyślnymi automatami. Z pewnością zależy to od złożoności układu nerwowego. Zacytujmy raz jeszcze arcybiskupa Yorku: "Jedną z dalekosiężnych implikacji przyjęcia koncepcji ewolucji jest uznanie ciągłości życia; oznacza to, że nie można przeprowadzić ostrego podziału między nami i innymi zwierzętami [...]. Myślę, że im lepiej poznajemy ludzkie zdolności zwierząt, na przykład małp naczelnych, tym bardziej wydaje się oczywiste, że mają one pewną zdolność, która choć w przybliżeniu odpowiada świadomości". Z tych samych powodów nie można precyzyjnie określić sztucznego życia, sztucznej świadomości i inteligencji, jak nakazywałaby filozofia redukcjonizmu.13
Ludzki mózg jest najwyższym przykładem złożoności, do jakiej prowadzi ewolucja biologiczna. Tu właśnie najlepiej wyczuwamy napięcie między redukcjonizmem i emergencją. Jest oczywiste, że działanie mózgu zależy od bardzo licznych szczegółów budowy komórek i jeszcze mniejszych elementów, ale jest równie oczywiste, że nadzwyczajne zdolności mózgu są własnościami emergencyjnymi całego organu. Jedną taką własnością jest świadomość, z której wypływają ludzkie uczucia i wartości duchowe. A zatem nauka o złożoności
dzięki naciskowi, jaki kładzie na badanie całości, a nie części
pozwala przezwyciężyć materialistyczne ograniczenia redukcjonizmu oraz umożliwia przerzucenie mostu między nauką i życiem człowieka.
Język złożoności
Podobnie jak nie potrafimy zrozumieć żadnego ludzkiego języka bez znajomości jego gramatyki, tak samo nie możemy zrozumieć i wykorzystać złożoności, nie odwołując się do jej struktury gramatycznej, wyrażonej w języku matematyki. Na początku tego rozdziału podaliśmy naszą własną naukową definicję pojęcia złożoności. Jest niezwykle irytujące, że wielu uczonych posługuje się tym terminem, nie dbając o ścisłość i mając na myśli zupełnie różne rzeczy.14 Natomiast matematyczna definicja złożoności jest całkowicie jednoznaczna. Matematyczną złożoność problemu definiujemy poprzez liczbę matematycznych operacji, potrzebnych do jego rozwiązania. Ustalenie stopnia złożoności danego problemu jest zadaniem matematycznej teorii złożoności, która określa, jakie problemy są praktycznie rozwiązywalne
to znaczy czy można je w rozsądnym czasie rozwiązać, posługując się pewną systematyczną metodą. Ponieważ wiele aspektów złożoności w przyrodzie dotyczy rozwiązania pewnych trudnych problemów (do nich należy, na przykład, dobranie na drodze ewolucji najlepszego enzymu do trawienia pożywienia lub utworzenie dostatecznie sprawnego układu wzrokowego, aby rozpoznać nocnych drapieżników), dlatego istnieje głęboki związek między złożonością w sensie matematycznym oraz w sensie, jaki nadają jej nauki przyrodnicze.
Postęp w badaniach złożoności doprowadził do odrzucenia wzruszającej wiary w potęgę matematyki czystej i stosowanej. Wielki francuski matematyk Henri Poincare wykazał już pod koniec XIX wieku, że ruch zaledwie trzech ciał jest zbyt skomplikowany, aby dało się go przedstawić w postaci eleganckiego wyrażenia matematycznego. Była to zapowiedź współczesnej teorii chaosu. Wiele ważnych zagadnień dotyczących rzeczywistości, jak choćby problem komiwojażera, który musi znaleźć najbardziej ekonomiczny sposób odwiedzenia danego zbioru miast, można prosto sformułować, natomiast próby systematycznego rozwiązania rychło okazują się niewykonalne, gdy wzrasta skala problemu (w przypadku komiwojażera jest to liczba miast). Inne przykłady matematycznie złożonych problemów to opis procesu uczenia się mózgu wskutek oddziaływań ze światem zewnętrznym i ewolucja takich skomplikowanych organów, jak mózg. Podobne zagadnienia wykraczają poza możliwości analizy matematycznej i nie można ich rozwiązać, posługując się tylko papierem i ołówkiem; aby się z nimi uporać, potrzebne są olbrzymie moce obliczeniowe komputerów.
Rozwiązanie złożonych problemów za pomocą komputera polega na połączeniu subtelności z brutalną siłą. Subtelności wymaga precyzyjne matematyczne sformułowanie problemu; następnie wczytujemy dane lub symbole opisujące rozważane zagadnienie i wykonujemy obliczenia dla wszystkich interesujących nas sytuacji. Do tego konieczny jest komputer, co w znacznej mierze wyjaśnia, dlaczego tak bogata dziedzina badań, jak nauka o złożoności, tak długo pozostawała nie zauważona. Przed pojawieniem się komputerów cyfrowych trudno było oczekiwać, że ktoś zechce ręcznie rozwiązywać zbiór równań, opisujących jakiś złożony problem, dla tysięcy czy wręcz milionów danych liczbowych. Można by na to z łatwością poświęcić całe życie i nie uzyskać żadnego użytecznego wyniku. Nauka o złożoności jest nierozerwalnie związana z rozwojem techniki komputerowej i ściśle od tego rozwoju zależna. Oszałamiający wzrost potęgi komputerów w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat umożliwił uczonym i matematykom modelowanie i symulowanie coraz bardziej złożonych i interesujących zjawisk.
Symbioza
Jeden z najwcześniejszych "komputerów", zaprojektowany przez Charlesa Babbage'a, miał za zadanie obliczanie tablic matematycznych. Nawet obecnie znaczna liczba jego potomków to niewiele więcej niż tylko tępe urządzenia do wykonywania żmudnych, głupich zadań. Teraz sytuacja zaczyna się jednak zmieniać, gdyż konstruktorzy maszyn nowej generacji wzorują się na komputerach naturalnych. Dzięki równoległej architekturze komputery upodobniły się nieco do ludzkiego mózgu.
Ze wszystkich źródeł inspiracji specjalistów od komputerów żadne nie wytrzymuje porównania z mózgiem. Konstruktorzy komputerów od dawna usiłują zbudować maszynę obdarzoną cechami ludzkiej inteligencji, ale jak dotychczas wszystkie te próby spełzły na niczym. Typowe komputery z łatwością wykonują zadania, które wielu ludziom sprawiają kłopoty
na przykład złożone obliczenia arytmetyczne i algebraiczne
natomiast ludzie na co dzień wykazują takie umiejętności, jak rozpoznawanie obrazów i rozmowa
umiejętności, z którymi nie radzą sobie nawet najpotężniejsze maszyny.
Dzięki naśladowaniu architektury mózgu
mającej zasadnicze znaczenie dla wystąpienia cech emergencyjnych, takich jak świadomość i inteligencja
komputery wykorzystujące sieci neuronowe opanowały umiejętność uczenia się i dostosowania do otoczenia. Metody optymalizacji i adaptacji, wykorzystywane w przyrodzie, dzięki którym w toku ewolucji budowa organizmów jest nieustannie doskonalona, są obecnie stosowane w konstruowaniu algorytmów genetycznych, służących do rozwiązywania praktycznie nierozwiązywalnych problemów. Podobnie jak w przypadku ewolucji naturalnej, komputerowe programy ewolucyjne, które okazały się niezwykle skuteczne w rozwiązywaniu złożonych problemów, zawierają elementy przypadkowe. Ta przypadkowość prowadzi do innowacji
czyli sprytnych i nieoczekiwanych rozwiązań bardzo trudnych problemów.
Dzięki symbiozie nauki z komputerami zaczynamy rozumieć i symulować niektóre z zadziwiających umiejętności mózgu.
Organ ten składa się z biliona komórek, w tym około stu miliardów komórek nerwowych
stanowiących fizyczną podstawę naszych myśli, uczuć, czyli naszego umysłu. Ta ostatnia liczba przewyższa liczbę gwiazd w Drodze Mlecznej. Mimo to, po raz pierwszy w historii, za pomocą sztucznych sieci neuronowych uczeni potrafią modelować pewne aspekty funkcjonowania mózgu. Po raz pierwszy od czasów antycznych udało się częściowo uchylić zasłonę oddzielającą umysł od materii.
Próby zrozumienia złożoności odniosły już takie sukcesy, że samo pojęcie życia zyskało nowy sens. Materia nie określa ani rzeczywistego, ani możliwego życia. Życie to proces, przy czym forma tego procesu, a nie materialna podstawa, stanowi istotę życia.15 Jak usiłował wykazać von Neumann, można zignorować fizyczną bazę życia i skoncentrować się na logice rządzącej tym procesem. W zasadzie taką samą logikę można powołać do istnienia, korzystając z innej podstawy materialnej, zupełnie odmiennej niż oparta na węglu materialna baza znanego nam życia. Inaczej mówiąc, życie zasadniczo nie zależy od medium, które posłużyło do jego realizacji. Oddzielenie żywej złożoności od materialnej podstawy ma oszałamiające implikacje. Proszę sobie wyobrazić sztuczny świat, w którym siejemy logiczne nasiona życia. Po dostatecznym czasie moglibyśmy obserwować jego ewolucję. Widzielibyśmy, jak powstają prymitywne organizmy zdolne do replikacji i jak wskutek mutacji wzrasta różnorodność ich "potomstwa".
Takie idee nie istnieją już wyłącznie w krainie fantazji
uczeni podejmują
próby stworzenia żyjącej złożoności, której materialną podstawą byłby
komputer.