Многоуровневое обучение как основа теории эволюции

Появились препринты двух статей, в которых биологическая эволюция связывается с многоуровневым обучением (среди авторов биолог Евгений Кунин и физик Михаил Кацнельсон). Учитывая, что в апреле появился препринт статьи о самообучающейся вселенной (среди авторов физик Ли Смолин), можно сказать, что наблюдается тренд — ученые похоже постепенно приходят к выводу, что в основе мира лежит обучение.

Конечно, следует помнить, что обучение, про которое говорят ученые, по сути дела не имеет ничего общего с общепринятым значением слова. Речь идет исключительно про машинное обучение с использованием искусственных нейронных сетей. Последнее представляется механическим процессом, в котором что-то само по себе чему-то учится, что в свою очередь создает впечатление о натурализации обучения. Как следствие у ученых возникает соблазн применить эту концепция для объяснения того, как устроен мир.

Интересно отметить, что Джерри Фодор в свое время отмечал, что теория оперантного научения Б. Ф. Скиннера по структуре идентична теории естественного отбора. Поскольку идея оперантного научения была отброшена, то Фодор делал вывод, что точно также следует поступить с естественным отбором. В рассматриваемых статьях похожим образом говорится о связи естественного отбора и теории машинного обучения. Разница в том, что обучение объявляется более базовой концепций и его предполагается использовать для объяснения естественного отбора.

В первой статье ‘На пути к теории эволюции как многоуровневого обучения‘ идея изложена на качественном уровне. Отмечается неэргодичность биологических процессов — говорится, что в этом случае точкой отсчета можно считать спиновые стекла, в которых процессы протекают аналогичным образом. Интересно отметить, что в статье историчность, присущая организмам, сопоставляется с таковой в спиновых стеклах.

Вводятся уровни организации при рассмотрении организмов, а далее на каждом уровне организации находятся блоки обработки информации. Отмечается противоречивость требований на разных уровнях организации — что хорошо для одного уровня организации требует непопулярных решений на другом уровне организации. Это приводит к фрустрации, что опять же сравнивается с аналогичными явлениями в спиновых стеклах.

Далее в статье сформулированы семь основополагающих принципов, которые должны быть положены в основу теории эволюции. Затем показывается, что эти принципы вполне объясняют известные факты о биологической эволюции. Проводится аналогия с перенормировками в физике конденсированных сред. Предполагается, что соответствующий математический аппарат может быть перенесен на теорию эволюции. Разбирается пример использовании идеологии трехуровневых нейронных сетей при рассмотрении взаимодействия в природе: окружение — фенотипы — генотипы.

Во второй статье ‘Термодинамика эволюции и происхождения жизни‘ математический формализм более проработан, при этом за точку отсчета берется статистическая термодинамика. Утверждается, что на феноменологическом уровне формализм статистической термодинамики может быть перенесен на машинное обучение и на биологическую эволюцию (энтропия связана с информацией). В ансамбле организмов находится аналоги температуры и химического потенциала, а также формулируются первый и второй закон обучения. Затем рассматриваются основные эволюционные события (major transitions in evolution), включая возникновение жизни. Говорится, что в рамах сформулированного формализма эти события можно рассматривать как фазовые переходы.

При чтении статей возникает много вопросов, но следует сказать, что авторы говорят только о первом шаге и о том, что озвученные идеи требуют дальнейшей проработки. Поэтому самое разумное подождать и посмотреть, что из этого получится в будущем. Крайне интересно, удастся ли авторам получить грант на предполагаемые исследования.

Упомяну только главный когнитивный диссонанс, возникший у меня при чтении статей. Приведу рисунок из книги Шона Кэрролла, который показывает типичное отношение физиков к законам физики:

http://blog.rudnyi.ru/ru/wp-content/uploads/2018/09/laws_of_physics.png
На рисунке показаны два состояния системы (мира) и утверждается, что последующее состояние получается из предыдущего по законам физики. Вопрос в том, как связано обучение с этим процессом. Следует ли нам поменять эту картинку (обучение как дополнительный закон физики) или предполагается, что рассматриваемый процесс обучения совместим с этой картинкой? В статьях я не увидел четкого ответа на этот вопрос. С одной стороны, говорилось, что процессы обучения изначально присутствовали во вселенной (обучение не ограничено живым), с другой, можно было встретить рассуждения про возникаемость.

Информация

Vanchurin, V., Wolf, Y. I., Katsnelson, M. I., & Koonin, E. V. Towards a Theory of Evolution as Multilevel Learning. arXiv preprint arXiv:2110.14602, submitted 27 Oct 2021.

Vanchurin, V., Wolf, Y. I., Koonin, E. V., & Katsnelson, M. I. Thermodynamics of Evolution and the Origin of Life. arXiv preprint arXiv:2110.15066., submitted 28 Oct 2021.

См. также: Самообучающаяся вселенная

Оперантное научение и естественный отбор

Обсуждение

См. обсуждение у Марка Свиткина (именно он обратил мое внимание на статьи):

https://www.facebook.com/mark.svitkin/posts/4488035924594999

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/268837.html


Comments are closed.