Два часи замість одного

Уяви годинник, який показує тільки одну мить — оце «зараз» — і більше нічого. Немає «було» і немає «буде», лише вічне теперішнє. Фізики кажуть, що приблизно так влаштований весь фізичний Всесвіт: закони природи описують світ лише таким, яким він є прямо зараз, мить за миттю.

Автори дослідження називають це «природним часом». А ось живі істоти влаштовані інакше. Щоб вижити, потрібно пам’ятати, де вчора був хижак, і передбачати, де він з’явиться завтра. Для цього потрібен інший час — «репрезентативний», у якому є минуле, теперішнє й майбутнє.

Різниця схожа на різницю між фотографією і фільмом. Фотографія фіксує лише одну мить. Фільм — це послідовність кадрів, які можна прокрутити подумки назад чи вперед. Природа знімає фотографію щомиті. Живі істоти навчилися монтувати з цих фотографій власне кіно — з пам’яттю про минуле й прогнозом на майбутнє.

За гіпотезою вчених, «репрезентативний час» виник разом із самим життям і є не менш реальним, ніж природний, — бо саме він дозволяє істотам шукати їжу, уникати небезпеки й навчатися.

Навіщо взагалі потрібна пам’ять про минуле

Навіть найпростіша бактерія якось «пам’ятає» час. Вона не думає, звісно. Але її молекули влаштовані так, щоб впізнавати їжу чи отруту й реагувати на них, — а ці реакції відточила еволюція за мільйони поколінь.

У складніших організмах з’являються справжні внутрішні годинники — наприклад ті, що керують добовим ритмом сну і бадьорості. А в людей є ще й мова, календарі, годинники на стіні — цілі системи для запису минулого і планування майбутнього.

Науковці підкреслюють: без здатності хоча б трохи пам’ятати минуле й передбачати майбутнє жодна жива істота не протягне довго. Знайти їжу, впізнати ворога, вигодувати дитинча — усе це вимагає уявлення про час, якого сама фізика частинок не потребує.

Гусениця, яка пам’ятає себе

Ось де стає по-справжньому дивно. Під час перетворення на метелика тіло гусениці буквально розбирається на частини й збирається заново. Значна частина мозку руйнується. І все ж дослідники, чиї роботи згадують автори статті, навчали гусениць уникати певного запаху — а метелики, у яких вони перетворювалися, зберігали цей урок.

Схожа історія і в плоских червів — планарій. Їм можна відрізати голову разом із мозком. Черв’як відростить нову голову й новий мозок і, за даними дослідників, збереже частину завчених навичок.

Як таке можливо, якщо «жорсткий диск» — мозок — знищено? Одна з гіпотез: пам’ять живе не тільки в нейронах, а й в електричних сигналах між клітинами всього тіла, які утримують своєрідне «креслення» організму.

Це схоже на корабель Тесея — старовинну загадку про судно, у якому моряки поступово замінили кожну дошку. Корабель лишається «тим самим», бо форма й функція зберігаються, хоч матеріал повністю оновився. Так само й тіло: клітини постійно вмирають і заміняються новими, а впізнавана форма — залишається.

Ідеї про те, що тіло й розум зберігають форму навіть без збереження матеріалу, розвиває саме Майкл Левін — kyiv.news уже писав про його теорію мозку як «антени» для свідомості.

Скільки «я» може бути в одному зародку

Ембріон — це не готовий об’єкт, а процес, що постійно «домовляється» сам із собою, де закінчується «я» і починається сусідня клітина.

Уяви велике шкільне подвір’я, де вчитель просто каже: «розділіться на команди самі» — і не пояснює, скільки їх має бути. Учні починають гуртуватися: хтось приєднується до одних, хтось переходить до інших. Нарешті утворюються чіткі команди, і кожен точно знає, в якій він команді. Ніхто цього не планував заздалегідь — команди «самоскладаються» просто в процесі домовляння.

Із клітинами зародка відбувається щось схоже. ДНК не видає кожній клітині готовий список: «ти належиш до тіла номер один, а ти — до тіла номер два». Натомість сусідні клітини безперервно обмінюються хімічними й електричними сигналами. Саме з цього обміну поступово «вимальовується», де закінчується одне тіло, а де починається інше.

Ранній зародок — грудка з десятків тисяч клітин, яку вчені називають бластодермою, — поводиться так, ніби це один-єдиний організм. Якщо акуратно надрізати зародок на цій стадії, кожна відокремлена частина здатна вирости в окремий, повноцінний організм. Так природно з’являються однояйцеві близнюки.

Виходить, кількість «я» в одному зародку — не жорстко записана в генах цифра, а результат процесу, який клітини «узгоджують» між собою на ходу.

Дослідники пояснюють це через поняття «когнітивного світлового конуса» — умовної межі, до якої сягають цілі й «інтереси» клітини чи групи клітин. За однією з гіпотез авторів статті, саме розпад цієї згоди лежить в основі раку: частина клітин ніби «виходить із команди», перестає впізнавати решту тіла як «своїх» і починає діяти як окремий одноклітинний організм, що дбає лише про власне виживання.

Слизовик, який вирішує: ділитися їжею чи ні

Ще один яскравий приклад — слизовик Physarum polycephalum, жовта істота без мозку й нервів, що повзе, немов желе, у пошуках їжі.

Якщо скальпелем відрізати краєчок слизовика, поки він тягнеться до їжі, з’являється два окремі організми замість одного. І щойно це стається, маленький відрізаний шматочок мусить вирішити: рухатися далі самостійно й з’їсти все знайдене, чи повернутися й возз’єднатися з великою масою — і тоді знайдене доведеться ділити.

Незвичайно тут те, що сам вибір змінює кількість «гравців» у грі. У класичній теорії ігор кількість учасників зазвичай стала. А тут ні: рішення однієї істоти може подвоїти чи знову об’єднати кількість «я», що приймають рішення. За словами дослідників, математики, яка по-справжньому описує такі ситуації, поки що не існує.

Що таке «я» з погляду науки

Перш ніж говорити про парадокси, варто пояснити, що вчені взагалі мають на увазі під словом «я» стосовно клітини чи організму.

У 1970-х біологи Умберто Матурана та Франсиско Варела запропонували термін «аутопоез» — буквально «самотворення». Так вони назвали здатність живої системи безперервно виробляти й підтримувати саму себе: клітина витрачає енергію, щоб будувати білки, з яких сама і складається.

Це не просто гра слів. Автопоетична система — щось на кшталт замкненого циклу: результат її роботи — вона сама. У цьому сенсі кожна жива клітина щомиті ніби переписує саму себе, залишаючись при цьому впізнаваною.

Дзеркало, що дивиться саме на себе

У серці всієї статті — стара логічна проблема: що трапляється, коли система говорить щось про саму себе?

Класичний приклад — фраза «це речення хибне». Якщо вона правдива, то вона хибна. Якщо вона хибна, то вона правдива. Логіка застрягає, як два дзеркала, поставлені одне навпроти одного, — зображення відбивається в нескінченність, і незрозуміло, де в цій низці «справжня» картинка.

Подібні парадокси зупиняли математиків більше століття. Бертран Рассел показав, що навіть поняття «множина всіх множин» може ламати логіку. Курт Ґедель довів, що будь-яка досить складна математична система приречена або суперечити сама собі, або залишати частину тверджень недоведеною. Алан Тюрінг показав, що не існує загального способу дізнатися заздалегідь, чи зупиниться колись довільна комп’ютерна програма.

Живі істоти — це системи, які постійно говорять щось про самих себе: ДНК описує організм, який цю ДНК і містить. Тож, здавалося б, живе теж мало б застрягати в подібних логічних пастках. Але не застряє.

Час розплутує парадокс

Розв’язка, яку пропонують автори, елегантна: додай час — і парадокс розчиняється.

Два дзеркала одне навпроти одного справді дають нескінченну низку відображень. Але якщо між відображеннями минає хоч крихта часу, кожне наступне зображення — це вже трохи інша мить, трохи інший стан системи. Замкнене коло розгортається у спіраль, що тягнеться вперед у часі. Парадокс був ілюзією, яка виникла тільки тому, що ми подумки «сплющили» час до однієї миті.

Філософ Патрік Грім показав це на прикладі того самого речення «це речення хибне». Якщо дозволити йому мати не тільки значення «правда» чи «хибність», а й щось проміжне, і розглядати це в часі, речення перетворюється на маятник, що коливається між правдою й хибністю, — цілком передбачувану, хоч і нескінченну послідовність, а не глухий кут.

Той самий трюк, за словами дослідників, працює й для живих істот. Клітина, що описує сама себе сьогодні, — уже трохи інша клітина, ніж та, яка описувала себе секунду тому. Тому коло «я описую себе» насправді ніколи не замикається: воно щоразу зсувається на крок у майбутнє.

Еволюція — це чернетка, яку без кінця переписують

Дарвінівська еволюція, за словами авторів, по суті — простий цикл: створи варіанти, перевір їх у ділі, залиш найкращі, повтори.

У кожному поколінні з’являються нові варіанти — через мутації ДНК чи інші механізми. Найгірші варіанти зникають, найкращі лишаються й дають потомство. Наступне покоління стартує вже з кращої «чернетки», ніж попереднє.

Важлива деталь: цей процес не можна проскочити. Не можна взяти й одразу обчислити, якою стане популяція через мільйон поколінь, — потрібно фактично прожити кожне покоління, бо кожен наступний крок залежить від непередбачуваних деталей попереднього. Автори порівнюють це з грою, у якій наступний хід залежить не тільки від правил, а й від того, як склалася попередня партія: короткого шляху немає.

Той самий принцип, за спостереженнями дослідників, працює й у розвитку зародка: тіло не «розраховується» наперед, а щоразу заново будується крок за кроком, виправляючи власні помилки на ходу — як скульптор, що безперервно підправляє глину, дивлячись на результат.

Програми, що переписують самі себе

А що, як комп’ютерну програму навчити змінювати не лише дані, а й власний код — так само, як еволюція змінює гени?

Саме це роблять дослідники в галузі «генетичного програмування». Вони запускають популяцію комп’ютерних програм, дозволяють їм схрещуватися й мутувати, а потім залишають найвдаліші. У деяких експериментах правила самого мутування теж підлягають еволюції — тобто програма може випадково змінити спосіб, у який вона сама змінюється.

Існують навіть цифрові «організми» на кшталт Tierra та Avida — програми, які живуть у власному штучному «акваріумі» в пам’яті комп’ютера, конкурують за обчислювальні ресурси й еволюціонують мільйони поколінь, поки дослідник спостерігає.

Автори згадують і настільну гру Nomic, у якій змінювати правила гри — офіційно дозволений хід. Перше правило гри звучить просто: «дотримуйся правил». Але й це правило можна проголосувати й скасувати — тоді, як зауважують автори, гравці «отримують те, на що заслуговують».

Дослідники виділяють три «поверхи» новизни:

• зміна стану системи — наприклад, клітина рухається;
• зміна моделі поведінки системи — з’являється нова звичка;
• зміна самих правил, за якими будуються моделі.

Найскладніше — і найменш вивчене — саме третє: системи, здатні переписувати правила зміни власних правил.

Навіщо це знати

Це не суто філософська забавка. Розуміння того, як тіло зберігає «себе» попри повне оновлення клітин, лежить в основі досліджень регенерації і навіть терапій раку — там, де клітини «розучуються» бути частиною цілого.

Ідеї про самозмінні системи важливі й для штучного інтелекту: якщо колись з’являться програми, здатні по-справжньому переписувати власні правила роботи, а не лише свої дані, доведеться по-новому думати про те, як їх контролювати й передбачати їхню поведінку.

Схожі моделі вже пробують застосовувати навіть в економіці — щоб описати, як з’являються й зникають фірми на ринку, адаптуючись одна до одної в реальному часі.

Що далі

Автори чесно визнають: багато питань лишаються відкритими. Досі немає жодного працюючого способу змоделювати систему, що змінює правила зміни власних правил, — а саме це, на їхню думку, потрібно, щоб по-справжньому зрозуміти творчість еволюції чи стрімкі зміни в суспільстві.

Математики вже пропонують кілька спеціальних інструментів для опису таких систем. Один із них — так звана коалгебра, розділ математики, який вивчає не те, як будувати ціле з частин, а навпаки — як щось нескінченне розгортається крок за кроком, ніби нескінченна стрічка, кожен наступний метр якої можна передбачити з попереднього.

Біолог-математик Роберт Розен, чиї ідеї часто згадують автори статті, колись сказав коротко й категорично: «life is not an algorithm» — «життя не є алгоритмом». Він мав на увазі, що звичайний комп’ютер за визначенням не здатен повністю змоделювати живу систему.

Автори з цим частково не погоджуються: на їхню думку, проблема не в комп’ютерах самих собою, а в тому, що людство поки не вигадало достатньо гнучкої математики й достатньо гнучких мов програмування, які вміли б, як і саме життя, постійно переписувати самі себе.

Раніше ми писали:

• Мозок «суперсеньйорів» активніше генерує нейрони — дослідження Nature
• Nature: як мозок контролює свідомість? Вчені знайшли ключову роль таламуса