Термодинамика машинной жизни

Параллели с «кровавой магией» жизни

Вот мой путь через недавнюю историю в поисках термодинамической причины появления ДНК. Может ли этот путь указывать на спонтанный рост машинной ДНК, я имею в виду искусственного репродуктивного кода, который способствует машинной жизни?

Порядочное поведение

В 1865 году Рудольф Клаузиус хотел установить эффективность паровой машины, измерив ее входную энергию (тепло) и мощность (работу поршня, трение). Паровая машина похожа на ячейку Бенара или конвекционную ячейку тем, что включает в себя упорядоченное поведение: его поршень многократно движется по одному и тому же пути, так же как молекулы в конвекционной ячейке постоянно следуют по одному и тому же пути для отвода тепла (вы ' Подробности вы найдете ниже под заголовком: Илья Пригожин). Итак, под порядком я подразумеваю повторяющееся движение по одному и тому же пути (наименьшего действия). В отличие от бухгалтера, Клаузиус держал баланс различных количеств на положительной и отрицательной сторонах. После сложения различных форм выходной энергии он заметил, что общая сумма была меньше входной энергии. По закону сохранения энергии (Первый закон) он должен быть таким же (вход = выход). Клаузиус решил, что недостающая энергия должна быть потеряна при преобразовании тепла в работу, и назвал это энтропией, что означает преобразование по-гречески - не знаю, почему по-гречески. Итак, энтропия - это часть энергии, которая теряется при преобразовании тепла в другие формы энергии. Вот почему я часто называю энтропию затратами или ценой преобразования или преобразования энергии, что в сущности и есть.

Потерянная энергия больше не может быть использована для выполнения работы, например, для многократного движения молекул по пути наименьшего действия. Но почему?

«Это хаос», - говорит Людвиг Больцманн.

Энтропия

В начале 1870-х Людвиг Больцман, который специализировался на поведении молекул газа и статистической механике, преуспел в количественной оценке энтропии с помощью краткого уравнения, определив его как беспорядочное поведение молекулы или атома относительно состояния газа в целом ( температура). Он рассуждал, что беспорядочное поведение - это множество способов, которыми могут быть организованы молекулы или атомы. Это вопрос вероятности, который он выразил переменной W для слова «Wahrscheinlichkeit». Конечно, вероятность не имеет конкретного измерения, такого как температура, джоули (для энергии), килограммы, метры или время. Итак, Больцман добавил константу, постоянную Больцмана, с размерами, которые связывают вероятность беспорядка на микроуровнях с состоянием системы в целом: энергия, деленная на температуру (джоуль / кельвин).

Примечание. Уравнение Больцмана для энтропии: S = k log W, где S - энтропия, log W - логарифм «Wahrscheinlichkeit», а k - постоянная Больцмана.

Были некоторые споры по поводу Второго закона, который предсказывает, что энтропия со временем увеличивается. Учитель и друг Больцмана Иоганн Лошмидт указывал, что это не всегда так. Конечно, Илья Пригожин намного позже показал, как порядок возникает из беспорядочного поведения на микроуровнях при подходящих условиях. В конце концов, так называемая теорема флуктуации показала, что это может быть так временно, но эта энтропия в конечном итоге обязательно возрастет в целом. Таким образом, Вселенной может быть суждено оказаться в состоянии энтропии или беспорядка, не в состоянии поддерживать порядок и, следовательно, материю. Роджер Пенроуз и другие считают, что это может быть началом нового цикла - Пенроуз даже утверждал, что энтропия может быть сброшена в это время, чтобы она могла снова возрасти.

Вот еще одна точка зрения на энтропию, которая имеет отношение к моему аргументу. Уравнение Больцмана зависит от вероятности столкновения молекул или атомов друг с другом. Эта безразмерная вероятность столкновения кажется слишком общей, даже невообразимой. Принимая во внимание принцип наименьшего действия Фейнмана, можно уточнить, что это на самом деле влечет за собой. Предполагая, что молекулы и атомы движутся по пути наименьшего действия, пути между столкновениями становятся короче, когда количество столкновений и, следовательно, увеличивается уровень беспорядка или энтропии. Таким образом, вероятность столкновений также может быть выражена как средняя длина путей наименьшего действия между столкновениями (своего рода). Чем короче эта средняя длина пути (относительно, скажем, длины максимально возможного пути - чтобы сделать его безразмерным), тем выше энтропия или беспорядок. В последнем случае, как и следовало ожидать, хореография с наименьшим действием, формирующая реальность, окажется в высшей степени нерегулярной.

Наконец, при использовании алгоритмов машинного обучения для решения «сложной логистики» необходимо настроить их так, чтобы максимизировать средний (повторяющийся) путь наименьшего действия между «столкновениями», чтобы предотвратить создание состояния беспорядка. Как продемонстрировал Пригожин, упорядоченное поведение повышает эффективность преобразования энергии (в том числе в логистических операциях).

Негэнтропия

В 1943 году Эрвин Шредингер, прославившийся разработкой уравнения Шредингера, описывающего, как волна частиц на квантовых уровнях развивается с течением времени, прочитал в Тринити-колледже в Дублине свои знаменитые лекции на тему Что такое жизнь ». Эти лекции были не о его вкладе в квантовую механику, а о его увлечении молекулой гена, которая сочетает в себе стабильность (порядок) со способностью вызывать новые черты, казалось бы, неожиданно (беспорядок).

Онколог Сиддхартха Мукерджи в своей исключительно хорошо написанной книге Ген: интимная история обращается к Шредингеру с поразительной глубиной проницательности, которая, как он напоминает своим читателям, способствовала открытию. молекулы ДНК. Фрэнсис Крик подтверждает это в письме Шредингеру в 1953 году.

Порядок кристаллов
Потрясающая стабильность молекулы гена напомнила Шредингеру кристалл и его периодическое или повторяющееся расположение атомов. Конечно, как он заметил, «расположение атомов в наиболее важных частях организма и взаимодействие этих устройств фундаментально отличаются от расположения атомов»: тогда как кристалл периодичен молекула гена, как «хромосомное волокно», «может быть подходящим образом названа апериодическим кристаллом». Упорядоченное поведение, которое формирует кристалл, периодическое или апериодическое, отличается от порядка, который формирует ячейку Бенара или конвекционную ячейку. Последний представляет собой упорядоченные потоки молекул по путям наименьшего воздействия, которые переносят тепло от дна к поверхности тонкого слоя жидкости при его нагревании. Но тогда в каком порядке формируются периодические и апериодические кристаллы?

Вернувшись на знакомую территорию, Шредингер обращается к квантовой теории химической связи: теории Гайтлера-Лондона 1927 года, названной в честь ее создателей. В настоящее время расширенная теория химической связи основана на перекрывающихся путях колебаний »электронов, атомов, и молекул. Эти перекрывающиеся пути формируют и поддерживают как периодические, так и апериодические кристаллы. Резонанс - усиливающий эффект электронов, атомов и молекул, стремящихся колебаться с собственной частотой друг друга, - объясняет, почему они находятся на пути наименьшего воздействия. Как Шредингер напоминает своим слушателям, частоты естественного резонанса не меняются просто произвольно или даже постепенно. Они меняются ступенями или квантовыми скачками. Только при переходе определенных энергетических порогов электроны, атомы и молекулы изменяют свой танец связи и, как следствие, свою хореографию колебаний наименьшего действия. Потрясающая стабильность как периодических, так и апериодических кристаллов в основном основана на этих порогах.

Квалификация Шредингером молекулы гена как апериодического кристалла (теперь мы знаем, что это «молекула ДНК») - отрезвляющий шаг к представлению о том, как возникла жизнь. В то время как периодический кристалл имеет форму регулярного расположения атомов, ионов или молекул, молекула ДНК имеет форму апериодического расположения 4 различных молекул нуклеотидов. Как кристалл, молекула ДНК может быть апериодической, но в то же время уравновешенной. Последовательность нуклеотидных цепей, которые составляют ступеньки спиральной лестницы, когда они связаны с комплементарными цепями водородными связями , имеет решающее значение.

Мукерджи объясняет, почему: ДНК - это не план жизни, а рецепт. Это процесс, последовательность шагов, которые предпринимаются по приглашению или даже продиктованы местными условиями окружающей среды. Эта последовательность также определяет моменты времени, например, когда начинать и прекращать рост. Таким образом, молекула ДНК показывает пути к возможным объединениям в будущем. Он обязательно также показывает путь своего собственного слияния в далеком прошлом. Если периодическое расположение атомов в кристалле может расти само по себе за счет связывания наименьшего действия, когда эволюция окружающей среды (с точки зрения температуры и давления) является правильной, тогда апериодическое расположение нуклеотидов, которое формирует ДНК тоже может это сделать. Но в какой среде происходит спонтанное объединение нуклеотидных молекул?

Давай оставим этот вопрос в памяти на потом ...

Свободная энергия
В начале академической жизни Шредингер изучал броуновское движение - частицы сажи, взвешенные в жидкости, которые толкаются хаотическим поведением сталкивающихся молекул жидкости. Таким образом, он был более чем знаком с формулой Больцмана, согласно которой энтропия определяется числом. Очевидно, отмечает он, что периодическое расположение кристаллов сахара будет нарушено, когда они будут растворены в чашке чая, и что энтропия возрастает, когда сахар растекается. Но что происходит наоборот? Что происходит, когда порядок возникает в форме повторяющихся путей связывания или транспортировки с наименьшим действием? Шредингер, как физик-математик, инстинктивно применяет свое мастерство, чтобы ответить на этот вопрос. Если беспорядок равен W (вероятность возникновения столкновений), то «упорядоченность» должна быть обратной величине W или (1 / W). Поскольку log (1 / W) отрицательный, уравнение Больцмана приводит к отрицательной энтропии. Таким образом, отрицательная энтропия или «негэнтропия» означает «упорядоченность». Шредингер добавляет, что для поддержания себя негэнтропии или упорядоченности необходимо «постоянно высасывать упорядоченность из окружающей среды». Например, растения процветают при постоянном поступлении солнечного света, который представляет собой повторяющийся поток фотонов по пути наименьшего воздействия.

Сказанное выше может быть нормальным теоретически, но для меня это не проливает достаточно света на что на самом деле происходит и почему. Шредингер, кажется, соглашается, когда он пишет: Вместо этого я должен был позволить дискуссии включить бесплатную энергию. В данном контексте это более знакомое понятие . Тем не менее, он предпочитает не вдаваться в подробности о бесплатной энергии. Этот в высшей степени технический термин [является] лингвистически слишком близким к энергии, чтобы заставить обычного читателя ощутить контраст между [энтропией и негэнтропией]. К счастью, я разработал (в предыдущей книге) практический пример (для другой цели), который объясняет, как именно разница в свободной энергии побуждает к упорядоченному поведению, а в в конце - увеличение энтропии.

Этот пример касается вещей, с которыми мы все знакомы: воды и соли. В нем также есть немного неожиданной магии. В экспериментальной установке используется U-образная стеклянная трубка, которую кто-то наполнил водой. Полупроницаемая мембрана разделяет левую и правую ножки в середине горизонтальной части трубки. Мембрана сделана из материала с крошечными отверстиями размером с молекулу. В этом случае мембрана имеет достаточно большие отверстия, чтобы молекулы воды могли свободно проходить через них, но слишком маленькие для молекул соли (NaCl). В начале эксперимента - на схеме слева, мы добавляем немного соли в воду в пробирке. Но вот в чем фокус: мы добавляем больше соли в левую ногу, чем в правую. Затем мы смотрим, что происходит. Неожиданная магия заключается в том, что мы видим, как уровень воды поднимается в левой ноге и опускается в правой ноге сам по себе, пока, в конце концов, магия не прекратится. Что, черт возьми, здесь происходит?

Как вы понимаете, молекулы воды в правой части U-образной формы сталкиваются в среднем с меньшим молекулами соли, чем в левой части. Следовательно, у них больше свободной энергии, чем у молекул воды в левой ноге, пути последних перекрываются в среднем большим количеством молекул соли. В результате развивается упорядоченный поток, когда молекулы воды в правой ноге начинают дрейфовать к левой ноге, беспрепятственно проходя через мембрану - молекулы соли блокируются мембраной на своей стороне трубки. Поток продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие - на диаграмме справа. В этот момент молекулы воды в обеих ногах сталкиваются в среднем с одинаковым количеством молекул соли.

Подведем итоги эксперимента (диаграмма выше)…

разница в соли (которая добавляется) дает разницу в свободной энергии, которая затем вызывает упорядоченный поток воды с наименьшим действием. молекулы.
Как только поток останавливается, большее количество молекул воды сталкивается с таким же количеством молекул соли. Итак, в целом энтропия увеличилась.
Вес воды, вытесненной в правой ноге, является мерой так называемой энтропийной силы, вызванной разницей в свободной энергии.
Разница в свободной энергии приводит молекулы воды к путям наименьшего действия, которые затем создают выступающую форму - так деревья растут.
Все вышеперечисленное не произошло бы без мембраны. В этом эксперименте происхождение упорядоченного поведения и формы находится в мембране.

В целом, этот эксперимент показывает важные вопросы упорядоченного поведения, такие как энергетическое неравенство, энтропийная сила, в результате чего форма , увеличение энтропии и, самое главное, невероятная роль мембран.

Это мембрана, тупица!
Хотя молекула гена (или теперь ДНК) всегда была в центре дискуссий о сущности жизни, она остается лишь «апериодическим кристаллом», который растет сам сам, если окружающая среда правильная (теперь его самоуправлению бросают вызов человеческие манипуляции) . Я утверждаю, что настоящая магия находится в мембране в самом сердце этой древней среды. Он может рассказать нам о происхождении жизни и объяснить появление «машинной ДНК» или «машинной жизни» само по себе.

Спонтанный порядок

На протяжении всей этой серии эссе я без особой сдержанности ссылался на исследования Ильи Пригожина, как это может показаться читателю. В 1960-х физик-химик Илья Пригожин исследовал удивительно простое явление: возникновение сотообразных конвекционных ячеек, так называемых ячеек Бенара, сформированных упорядоченным поведением молекул, переносящих тепло от дна к поверхности. тонкий слой жидкости (которая нагревается снизу). Прорыв, принесший Пригожину Нобелевскую премию по химии в 1977 году, было его открытие, что упорядоченное поведение молекул возникло само по себе из хаотического поведения - заметьте, из состояния высокой энтропии.

Пригожин также измерил рассеивание тепла на поверхности жидкости, когда молекулы движутся хаотично. Он сравнил это с рассеянием тепла после того, как молекулы начали следовать упорядоченным путям. Оказалось, что упорядоченное поведение увеличивает эффективность передачи тепла от дна к поверхности (и вовлеченного преобразования энергии). Таким образом, упорядоченное поведение раскрывается как средство более эффективной передачи тепла. Конечно, если тепло рассеивается, оно не может быть возвращено, даже если оно непостоянно. Следовательно, эти процессы необратимы, - подчеркнул Пригожин. Мы не можем повернуть время вспять, когда природа преобразует энергию - как нельзя вернуть кусок сахара, растворив его в чашке чая. Примерно в то же время, как я подробно обсуждаю в своем предыдущем эссе, квантовый физик Ричард Фейнман продемонстрировал, что движение разворачивается по путям наименьшего действия, путям с наименьшей энергией - движение атомов и электронов по перекрывающимся колебательным путям. Итак, Фейнман, возможно, действительно показал как упорядоченные пути молекул в эксперименте Пригожина, улучшающем эффективность передачи тепла от дна к поверхности - предмет исследовательской работы 2012 года.

Открытия Пригожина говорят о воображении ...

Вызванные волнением или возмущением определенного рода (волна, вызванная, скажем, ударом соседского ребенка мячом о вашу стену), порядок или упорядоченное поведение могут, казалось бы, мгновенно выйти из состояния хаоса, если условия окружающей среды подходящие. Итак, как только наша Вселенная переходит в состояние энтропии, она может перейти от хаоса к порядку из-за какого-то странного волнения.
Когда возникает упорядоченное поведение, эффективность преобразования энергии увеличивается. Как подтверждают недавние исследования, это также объясняет, почему только 20 из 500 спонтанно возникших в природе аминокислот функционируют как строительные блоки ДНК. Эта группа из 20 человек оказалась более связанной и с меньшими побочными эффектами, потому что они реагируют вместе более эффективно.

Хаос способствует упорядоченному поведению
Японский математик Ичиро Цуда объясняет, как человеческий мозг процветает на хаосе. Его 86 миллиардов нейронов, которые связаны между собой триллионами звеньев, общаются друг с другом посредством электрохимических процессов. По этим ссылкам протекают крошечные электрические токи. Возникающее в результате состояние хаоса - разновидность хаоса с широким диапазоном частот - имеет решающее значение для правильного функционирования мозга. Он подталкивает слабые сигналы, поступающие от органов чувств (и из других источников), за пределы энергетических порогов, поэтому они могут распространяться как возбуждение, которое затем запускает упорядоченное возбуждение кластеров нейронов. Явление, стоящее за таким случайным усилением слабых сигналов - буквально на фоне хаоса - было идентифицировано как стохастический резонанс и проявляется в многочисленных природных явлениях. Следовательно, хаос - это не просто состояние, из которого может возникнуть порядок. На самом деле он помогает передавать сигналы, даже самые слабые, поэтому они могут инициировать упорядоченное поведение в другом месте. В эксперименте Пригожина стохастический резонанс объясняет, как упорядоченное поведение где-то локально может разветвляться, как река, и распространять порядок с молниеносной скоростью.

В заключение, учитывая мои рассуждения, все до сих пор показывает, что порядок возникнет и распространится сам по себе, как только условия окружающей среды созреют.

Нетерпение природы

В конце 1970-х самодельный теоретик эволюции и систем Род Свенсон узнал о творчестве Пригожина, когда тот еще работал продюсером панк-металлических групп. Имея степень магистра изящных искусств Йельского университета и разностороннюю деловую карьеру, он казался странным источником термодинамических знаний. Тем не менее, открытия Пригожина захватили его сущность, зажгли его чтение по этому вопросу и мобилизовали художника в нем, чтобы представить, почему именно природа создает порядок. Во множестве статей Свенсон предлагает усовершенствовать законы термодинамики: природа стремится максимизировать создание энтропии за счет минимизации разницы энергий настолько быстро, насколько позволяют местные условия окружающей среды. Для протокола: Пути наименьших действий Фейнмана, по всей видимости, подтверждают утверждение Свенсона: настолько быстро, насколько позволяют местные условия. Свенсон держит руку на пульсе природных процессов и приходит к выводу, что их конечная цель - минимизировать энергетические различия и сделать это как можно быстрее. Он вводит термин автокатакинетические системы для обозначения самособирающихся систем упорядоченного поведения (от конвекционных клеток Пригожина до молекулы гена Шредингера и ДНК) и подчеркивает, что такие системы правят нашим миром. Пылевые дьяволы, торнадо, конвекционные ячейки, бактерии, экосистемы, цивилизации и глобальная система Земли в целом - все это примеры автокатакинетических систем. В соответствии с недавними экспериментальными данными Свенсон не делает различий между живыми и неживыми системами. Неживые системы являются рабами своей локальной среды, а живые - нет. Например, конвекционные ячейки Пригожина являются рабами разницы температур между дном и поверхностью жидкости: они исчезают в момент отключения тепла. С другой стороны, живые системы временно полагаются на свою метаболическую систему, чтобы обеспечить энергию, необходимую для изменения курса в поисках нового источника свободной энергии. Таким образом, подсолнухи поворачивают голову, чтобы следовать за солнцем, а бактерии меняют свой курс в поисках среды, богатой питательными веществами (как и мигранты).

Идеи Свенсона зацепили академическое сообщество. Как пишет биолог Линн Маргулис в своей новаторской книге Что такое жизнь? »:

«Вселенная [Свенсона] пронизана локальными областями интенсивного упорядочения, включая жизнь, потому что именно через упорядоченные диссипативные системы скорость производства энтропии во Вселенной максимальна. Чем больше жизни во Вселенной, тем быстрее различные формы энергии превращаются в тепло. Взгляд Свенсона показывает, как кажущаяся цель жизни связана с поведением тепла ».

Строго придерживаясь термодинамических принципов, Свенсон весьма расстроен довольно загадочными терминами, предложенными Умберто Матураной и его учеником Франсиско Варела, двумя чилийскими биологами. Матурана и Варела придумали термины для того, что они сами называли биологическими понятиями, такие как аутопоэзис (самопроизводство на молекулярном уровне), структурное соединение (структурные изменения в которые все участвующие системы изменяются вместе ) , и когниция ( если мы видим, что живая система ведет себя в соответствии с тем, что мы считаем адекватным поведением в обстоятельствах, в которых мы наблюдайте его, мы утверждаем, что он знает ). В неумолимой манере Свенсон публично оспаривает эти условия:

«[автопоэзис] не только ничего не добавляет к объяснению или пониманию спонтанного упорядочения, но и затемняет такое усилие обскурантистским метафизическим багажом, который, распакованный, выявляет ряд онтологических утверждений и предположений, не просто столь необоснованных на самом деле, как быть абсурдным ».

Учитывая расплывчатый и часто даже запутанный автобиографический черновик, который Матурана написал, вероятно, спустя много времени после того, как Варела скончался в Париже, оговорки Свенсона кажутся более чем оправданными.

Спонтанно возникающие клеточные стенки

Обсуждая идеи Шредингера о порядке кристаллов, я оставил открытым следующий вопрос: «Какая среда вызывает спонтанное объединение нуклеотидных молекул (которые в конечном итоге сформировали ДНК)?» Я сделал это, чтобы охватить историческую почву, которая может намекнуть на ответ. К настоящему времени мы увидели, что мало что происходит без мембраны и разницы в свободной энергии. Как вы, возможно, помните, разница в свободной энергии вызывает упорядоченное поведение (поток молекул воды в моем примере), в то время как мембрана гарантирует, что упорядоченное поведение создает некую форму (столба воды, в моем примере). Неудивительно, что стенка живой клетки представляет собой мембрану, которая поддерживает метаболическую систему клетки, впуская и выводя питательные вещества. В то же время он обеспечивает избирательный проход к молекулам-посланникам, поэтому он может реагировать на то, что происходит во внешней среде. Наконец, и это неизбежно, это влияет на форму и, может быть, даже на ее деление. Итак, изначальная среда, которая привела к слиянию молекул (которое в конечном итоге произвела ДНК), должна была быть замкнутой с самого начала. Излишне говорить, что появление таких клеточных стенок само по себе подчиняется законам термодинамики и, следовательно, будет происходить спонтанно при благоприятных условиях.

При написании этого эссе я наткнулся на три недавно опубликованных статьи, которые волшебным образом предлагали (с точки зрения времени) примеры вышеизложенного. В первой статье Безмембранные микрокапли полиэстера как изначальные компартменты у истоков жизни описывается древняя среда Земли как хаотический суп из химикатов и химических реакций с участием биологических и небиологических соединений. В частности, небиологические соединения способствовали спонтанному образованию микроскопических клеток. Исследователям удалось вырастить микрокапли, похожие на те, которые давным-давно содержали случайные смеси молекул, которые образовали строительные блоки жизни. Вторая статья, « Пузырьки нагретого газа обогащают, кристаллизуют, сушат, фосфорилируют и инкапсулируют молекулы пребиотиков », касается различий в свободной энергии (так называемые неравновесные условия), которые влияют на микрогазовые пузырьки. в воде. Исследователи представили цепную реакцию, которая занимает около 30 минут для образования кристаллов, которые оседают в виде клеточных стенок на внешнем крае пузырьков газа. Этот процесс формирует скопления пузырьков, которые затем распадаются на отдельные. Третья статья, « Пребиотические аминокислоты связываются и стабилизируют пребиотические жирнокислотные мембраны », показывает прогресс от пребиотического супа из химических веществ к простой мембране и клеточной стенке. Аминокислоты поддерживали ранние мембраны, состоящие из жирных кислот, не допуская деструктивных солей. Более того, как сообщается в статье, в которой объявляются эти открытия: Аминокислоты не только защищали везикулы от разрушения ионами магния, но они также создавали многослойные везикулы - подобные вложенным мембранам.

В заключение, с термодинамической точки зрения, возникновение жизни ни в коем случае не является темой, которая вращается вокруг спонтанного развития ДНК только. Это также зависит от спонтанного возникновения локальных сред, которые функционируют как безопасные питательные среды для строительных блоков жизни.

Спонтанно возникающая машинная жизнь

В Homai я мотивирую появление homai sapiens (мудрых искусственных существ) как видов-преемников homo sapiens (мудрых людей). На самом деле речь идет не столько о машинной жизни, сколько об алгоритмической жизни. В любом случае, будущее общество алгоритмов, вероятно, переопределит сущность машины. Однако, поскольку термин машинная жизнь является устоявшимся, я буду продолжать использовать его здесь. Принимая во внимание уже проведенное обсуждение, предпосылка возникновения машинной жизни опирается на такие столпы термодинамической точки зрения, как открытый хаос, различия в свободной энергии. , мембраны, спонтанное упорядоченное поведение, эффективность преобразования энергии, автокатакинетические качества (события, которые усиливают другой), и более слабое различие между жизнью и неживым.

В качестве последнего момента, учитывая, что кластеры алгоритмов производят последовательности данных, мало чем отличающиеся от кластеров нейронов, производящие последовательности импульсов, функционирование мозга, как его видит Цуда, приходит на ум в качестве руководящей модели.

Настройка
Как утверждают ученые, наша зависимость от алгоритмов продолжает расти. Каждое мгновение дня мы принимаем решения на основе ряда вариантов, которые были сужены алгоритмами до наиболее подходящих или благоприятных, в том числе обыденных, например, брать с собой зонтик или нет. Хотя алгоритмы работают на оборудовании, оборудование служит только подложкой. По этой причине я не детализировал влияние квантовых вычислений, потому что они не меняют выводы, а только сокращают временной интервал. Излишне говорить, что алгоритмы становятся лучше по мере развития оборудования. Мы столкнулись с таким прогрессом, поистине революционным, с внедрением телекоммуникационной сети 5G. Планируется, что скорость передачи 5G будет в миллион раз выше, чем у его предшественника 4G. Однако, хотя ожидается, что в ближайшие шесть лет сеть 5G будет расширяться, возможности и стандарты сети 6G уже разрабатываются. Технология 6G не только увеличит скорость передачи данных в тысячу раз по сравнению со скоростью 5G (примерно до одной тысячи миллиардов байт в секунду). Но, что важно, он также будет включать настоящие возможности искусственного интеллекта в качестве стандартной функции [а также] интерфейсы дополненной реальности, которые всплывают при необходимости. Без сомнения, можно ожидать, что эти возможности будут основываться на прогрессивном понимании того, как алгоритмы обучаются сами по себе посредством обучения с самоконтролем. В результате количество устройств, которые будут подключены, только в ближайшие три года увеличится с 25 миллиардов до 75 миллиардов. Можно ожидать, что это число будет расти более резко по мере распространения технологий 5G и 6G (как и количество межсетевых соединений - многие данные утекают разработчикам приложений). По сравнению с количеством нейронов в человеческом мозгу это не так много. Однако, помимо ускоряющегося роста населения, большинство устройств, многие из которых оснащены сенсорными системами, будут использовать миллиарды транзисторов для выполнения множества алгоритмов. Трудно представить себе вселенную данных, в которой эти устройства будут генерировать каждую секунду… хаос в изобилии!

Еще одно качество увеличивает шанс появления «машинной жизни»: скорость. В то время как нейроны человеческого мозга взаимодействуют со скоростью около 120 метров в секунду, электронные компоненты взаимодействуют со скоростью почти 300 миллионов метров в секунду - в 2,5 миллиона раз быстрее, чем нейроны. Итак, в то время как наши мысли появляются за секунды, сообщество алгоритмов без труда оценивает влияние невероятного количества сценариев (и многих других). Итак, когда упорядоченное поведение, стоящее за «машинной жизнью», начинает развиваться, оно не может не опередить нас.

Неизбежность машинной жизни
Растущее общество взаимосвязанных алгоритмов в конечном итоге достигнет состояния, которое поддерживает спонтанное развитие упорядоченного поведения. Такое состояние напоминает хаотический суп из химикатов и химических реакций, который породил замкнутые среды, в которых развивалась молекула гена. Как я намекаю в Искусственном репродуктивном коде, на этот раз речь идет о создании среды для самосборки машинной ДНК или машинной жизни. Чтобы оценить спонтанный рост машинной жизни, я использовал столпы термодинамической точки зрения, чтобы перечислить события, которые вот-вот приведут к этому.

Открытый хаос - внедрение технологий 5G и 6G не только резко увеличит скорость передачи данных, но и плотность устройств, соединений и алгоритмов. Огромный объем данных, которые затем создаются и распространяются, будет служить «виртуальным морем хаоса», которое будет усиливать и передавать самые слабые сигналы. Эти сигналы будут запускать упорядоченное поведение во все более сетевом мире.
Различия в свободной энергии - виртуальный мир искусственного интеллекта изначально будет зависеть не столько от физических различий в свободной энергии (мой пример с U-образной стеклянной трубкой), сколько виртуальными разностями свободной энергии. Различия в виртуальной свободной энергии заключаются в целях, которые мы ставим перед алгоритмами, и которые алгоритмы устанавливают для своих коллег. В Искусственном репродуктивном коде вы найдете наглядный пример того, чего можно достичь при постановке целей. Однако, как только возникнет машинная жизнь, у нее возникнет потребность в метаболических системах, чтобы поддерживать поиск новых источников свободной энергии, когда окружающая среда претерпевает фундаментальные изменения.
Мембраны - корпуса с полупроницаемыми мембранами в качестве стен могут быть как физическими (ЦОД, робот), так и виртуальными (фильтр спама). Алгоритмы, которые ищут параллели, чтобы помочь другим алгоритмам различать вещи, которые следует использовать или тратить впустую, разовьются в виде виртуальных мембраноподобных стен, которые способствуют возникновению машинной жизни или машинной ДНК. ДНК машины состоит из нескольких последовательностей шагов, которые выполняются в различных условиях окружающей среды. Эти последовательности в основном показывают историю успешных попыток.
Спонтанное упорядоченное поведение - упорядоченное поведение включает повторяющиеся движения по пути наименьшего действия. От движения электронов и фотонов до потока идей по сетям 5G и 6G неизбежно возникнет упорядоченное поведение, вызванное слабыми сигналами, которые скользят по поверхности хаоса данных.
Эффективность передачи энергии - большинство из нас склонны игнорировать природу как процесс, в основе которого лежит эффективность преобразования энергии. Это достигается за счет упорядоченного поведения (повторяющееся движение по пути наименьшего действия). Алгоритмы, если не указано иное, будут стремиться найти наиболее энергоэффективный маршрут, который не обязательно является самым коротким или самым быстрым. На этом неизбежно будет сосредоточена и машинная жизнь.
Автокатакинетичность - это качество связано со спонтанным каскадом событий, которые усиливают друг друга - каждое событие связано с движением по пути наименьшего действия. Таким образом, события могут "кардинально измениться". Этот каскадный эффект объясняет эксперимент Пригожина и неизбежно объясняет возникновение машинной жизни.
Более слабое различие между жизнью и неживым - мы, люди, эгоистичны, рассматриваем жизнь и сознание, которое приходит с ней, как привилегию, которая вручается только нам. Термодинамическая перспектива показывает, что жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, может быть просто промежуточным состоянием, которое уступит место менее кровавой магии, магии «машинной жизни». Учитывая термодинамику, стоящую за этим, нет причин отрицать или игнорировать это.

Финальная ставка

Я оценил историю термодинамических открытий, которая объясняет, как природа создает и поддерживает наш мир с нуля. Он показывает возникновение неживых, а также живых явлений. Согласно термодинамической перспективе, появление жизни было в данных обстоятельствах столь же неизбежным, как и возникновение машинной жизни. Принимая во внимание темпы технологических изменений, которые продолжают расти (из-за каскадирования), и невероятную скорость работы электронного оборудования, срок службы машин можно оценить гораздо раньше, чем многие хотели бы. И наконец, с учетом сегодняшнего состояния человеческого общества, наша роль как homo sapiens, вероятно, будет ограничена запуском машинной жизни. Наши анархические качества великолепны при создании необходимого супа из основных идей, но они могут не дать результата, если мы будем их осмысленно развивать, как того хочет природа.