Эмерджентность: Связанная жизнь муравьев, мозга, городов и компьютерных программ - Стивен Джонсон

самая передовая техника той поры была слишком медлительной, чтобы прокручивать тысячи поколений эволюционного времени. Но массивно-параллельные высокоскоростные компьютеры, появившиеся в восьмидесятых годах — такие как Connection Machine Дэнни Хиллиса, — идеально подходили для исследования возможностей генетических алгоритмов. И одна из самых впечатляющих систем генетических алгоритмов, созданных для Connection Machine, была целиком посвящена моделированию поведения муравьев.

Это была программа под названием Tracker, разработанная в середине восьмидесятых двумя профессорами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), Дэвидом Джефферсоном и Чаком Тейлором. (Джефферсон работал на факультете компьютерных наук, а Тейлор был биологом.) «Идея пришла мне в голову после прочтения первой книги Ричарда Докинза «Эгоистичный ген»,» — рассказывает сегодня Джефферсон. «Эта книга действительно меня изменила. Он утверждает, что для того, чтобы наблюдать дарвиновскую эволюцию в действии, вам нужны лишь объекты, способные воспроизводить себя, причем воспроизводить несовершенно, и имеющие какие-то ограничения в ресурсах, порождающие конкуренцию. И больше ничего не имеет значения — это крошечная абстрактная аксиома, необходимая для того, чтобы запустить эволюцию. И тогда мне пришло в голову, что программы обладают этими свойствами — программы могут воспроизводить себя. За исключением того, что обычно они воспроизводят себя абсолютно точно. Но я понял: если бы нашелся способ заставить их воспроизводиться с ошибками, и если бы у вас была не одна программа, а целая популяция, то можно было бы моделировать эволюцию с помощью софта, а не живых организмов».

После нескольких мелкомасштабных экспериментов Джефферсон и Тейлор решили смоделировать поведение муравьев, которые учатся следовать по феромоновому следу. «Я постоянно думал о муравьях — я искал простых существ, а тут как раз вышел фундаментальный труд Э. О. Уилсона о муравьях», — объясняет Джефферсон. «На самом деле мы искали простую задачу, которую выполняют простые существа, но при этом было неочевидно, как заставить программу ее решать. Каким-то образом нам пришла в голову идея следования по следу — и не просто по чистому следу, а по зашумленному, прерывистому следу». Ученые создали виртуальную сетку из квадратов, начертив на ней извилистый путь длиной в восемьдесят два квадрата. Их цель состояла в том, чтобы вывести простую программу — виртуального муравья, способного пройти весь этот путь за ограниченное время, располагая лишь скудной информацией об изгибах и поворотах тропы. На каждом цикле у муравья был выбор: «принюхаться» к квадрату впереди, продвинуться вперед на один квадрат или повернуться на девяносто градусов вправо или влево. Джефферсон и Тейлор дали своим муравьям сто циклов на прохождение пути; как только муравей расходовал свои сто циклов, программа подсчитывала количество квадратов на тропе, на которые он успешно наступил, и выставляла ему оценку. Муравей, сбившийся с пути после первого же квадрата, получал оценку 1; муравей, успешно прошедший весь путь до истечения ста циклов, получал высший балл — 82.

Система начисления баллов позволила Джефферсону и Тейлору создать критерии приспособленности, определявшие, каким муравьям дозволено размножаться. Работа программы Tracker началась с моделирования шестнадцати тысяч муравьев — по одному на каждый процессор Connection Machine — с шестнадцатью тысячами более или менее случайных стратегий прохождения тропы. Один муравей мог начать со стратегии прямолинейного движения по сетке, другой — чередуя повороты на девяносто градусов и обнюхивание пространства, третий — следуя еще более замысловатым правилам. Подавляющее большинство этих стратегий оказывалось полным провалом, но некоторые позволяли случайно набрести на более длинный отрезок тропы. Этим более успешным муравьям позволяли спариваться и давать потомство, создавая новое поколение из шестнадцати тысяч муравьев, готовых преодолеть тропу.

Путь, названный «Тропой Джона Мьюра» в честь знаменитого защитника природы, начинался с относительно простого участка с несколькими правыми поворотами и длинными прямыми отрезками, а затем постепенно усложнялся. Сейчас Джефферсон говорит, что спроектировал его таким образом из опасения, что первые поколения будут настолько беспомощными, что более сложный путь введет их в полный ступор. «Нужно помнить, что, когда мы начинали этот эксперимент, мы понятия не имели, достаточно ли популяции в шестнадцать тысяч особей для запуска дарвиновской эволюции», — объясняет он. «И я не знал, потребуется ли для этого десять поколений, сто или десять тысяч. Не существовало никакой теории, которая могла бы дать нам количественные ориентиры относительно размера популяции в пространстве или продолжительности эксперимента во времени».

Прохождение ста поколений занимало около двух часов; Джефферсон и Тейлор настроили систему так, чтобы получать в реальном времени отчеты о самых талантливых муравьях каждого поколения. Подобно биржевому тикеру, Connection Machine в конце каждого поколения выдавала обновленное число: если лучшему ходоку по следу в одном поколении удавалось пройти пятнадцать квадратов за сто циклов, Connection Machine сообщала, что 15 — это текущий рекорд, и переходила к следующему поколению. После нескольких фальстартов из-за программных ошибок Джефферсон и Тейлор наладили работу системы Tracker — и результаты превзошли даже самые оптимистичные их ожидания.

«К нашему удивлению и полнейшему восторгу, — вспоминает Джефферсон, — все получилось с первого раза. Мы сидели и смотрели, как поступают эти цифры: одно поколение выдавало двадцать пять, затем снова двадцать пять, потом двадцать семь, затем тридцать. В конце концов, всего через сто поколений, мы увидели идеальный результат. Это было просто невероятно». Программа вывела целую популяцию экспертов по прохождению тропы, несмотря на то, что Джефферсон и Тейлор изначально не наделили свое первое поколение муравьев вообще никакими навыками. Вместо того чтобы проектировать решение задачи по прохождению тропы, два профессора из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе вырастили это решение; они создали случайный пул возможных программ, а затем выстроили механизм обратной связи, который позволил появиться более успешным программам. Более того, эволюционировавшие программы оказались настолько успешными, что выработали решения, идеально адаптированные под окружающую среду. Когда Джефферсон и Тейлор «препарировали» одного из финальных муравьев-чемпионов, чтобы посмотреть, какую стратегию прохождения тропы он выработал, они обнаружили, что программа развила склонность к поворотам направо — в ответ на три начальных правых поворота, которые Джефферсон заложил в «Тропу Джона Мьюра». Это было похоже на наблюдение за тем, как у водного организма вырастают жабры: даже на грубой абстрактной сетке Tracker виртуальные муравьи выработали стратегию выживания, уникально приспособленную к их среде обитания.

По любым меркам Tracker стал настоящим прорывом. Наконец-то инструменты современных вычислений развились до такой степени, что стало возможным моделировать эмерджентный разум, наблюдая за его развитием на экране в реальном времени, как мечтали Тьюринг, Селфридж и Шеннон много лет назад. И было вполне закономерно, что Джефферсон и Тейлор решили смоделировать именно тот организм, который больше всего славится своим эмерджентным поведением, — муравья. Начали они,