უნივერსალური კონსტრუქტორი და უჯრედული ავტომატები
განმარტება
უნივერსალური კონსტრუქტორი არის მანქანა, რომელსაც, თუ მის აღწერას მიაწვდი, ნებისმიერი სხვა მანქანის აგება შეუძლია — მათ შორის საკუთარი თავისაც. ფონ ნეიმანმა ის მოიფიქრა, რომ ერთ კითხვაზე ლოგიკური პასუხი გაეცა: შეიძლება თუ არა, ავტომატმა საკუთარი თავის ასლი შექმნას ისე, რომ ასლი არ გამარტივდეს?
წყარო: თვითრეპროდუცირებადი ავტომატების თეორია (წიგნი).
პარადოქსი
იყო ძველი ინტუიცია, რომ თვითრეპროდუქცია შეუძლებელია. მსჯელობა ასეთი იყო:
- იმისთვის, რომ მანქანამ თავისი ასლი ააგოს, მას თავისი სრული აღწერა სჭირდება
- აღწერა მანქანის ნაწილია, ამიტომ აღწერა საკუთარი თავის აღწერასაც უნდა შეიცავდეს
- ეს აღწერის აღწერის აღწერაა… — უსასრულო რეგრესი
ან სხვა ფორმით: შემოქმედი ყოველთვის ქმნილებაზე რთულია. მესაათე საათზე რთულია. ქარხანა თავის პროდუქტზე რთულია. მაშასადამე, ასლი ყოველთვის ორიგინალზე მარტივი უნდა იყოს.
გადაწყვეტა — ოთხი ნაწილი
| კომპონენტი | ფუნქცია | |
|---|---|---|
| A | კონსტრუქტორი | კითხულობს აღწერას და აგებს მანქანას |
| B | ასლის გადამღები | აკოპირებს აღწერას ისე, რომ არ კითხულობს |
| C | მმართველი | ჯერ A-ს ამუშავებს, მერე B-ს, ბოლოს ასლს ახალ მანქანას მიაბამს |
| φ | აღწერა | ინსტრუქციების „ფირი” |
ნაბიჯ-ნაბიჯ:
- მანქანას (A+B+C) ეძლევა საკუთარი აღწერა: φ(A+B+C)
- C რთავს A-ს → A კითხულობს φ-ს და აგებს ახალ A+B+C-ს
- C რთავს B-ს → B აკეთებს φ-ის ზუსტ ასლს
- C ასლს ახალ მანქანას მიაბამს და გამოყოფს
შედეგი: ორი იდენტური მანქანა, თითოეული თავისი აღწერით. რეგრესი ქრება, რადგან აღწერა საკუთარ თავს აღარ აღწერს — ის უბრალოდ კოპირდება.
გენიალური დეტალი — აღწერის ორი გამოყენება
ერთი და იგივე ფირი ორჯერ გამოიყენება ორი სრულიად განსხვავებული გზით:
- ინსტრუქციად — A მას „კითხულობს” და ასრულებს
- მონაცემად — B მას „ბრმად” აკოპირებს, მნიშვნელობის გაგების გარეშე
ესაა ის, რაც სიცოცხლეს შესაძლებელს ხდის.
ცოცხალი უჯრედი — იგივე სქემა
1953 წელს უოტსონმა და კრიკმა დნმ-ის სტრუქტურა აღმოაჩინეს. მომდევნო ათწლეულში მოლეკულურმა ბიოლოგიამ გაარკვია, როგორ მუშაობს უჯრედი — და ის ფონ ნეიმანის სქემას ზუსტად დაემთხვა:
| ფონ ნეიმანის მოდელი (1948–1953) | ცოცხალი უჯრედი |
|---|---|
| აღწერა φ | დნმ — გენომი |
| A — კონსტრუქტორი, რომელიც აღწერას კითხულობს და აგებს | რიბოსომა: კითხულობს გენეტიკურ კოდს (რნმ-ის გავლით) და ცილებს აგებს — ტრანსლაცია |
| B — ასლის გადამღები, რომელიც „ბრმად” აკოპირებს | დნმ-პოლიმერაზა: დნმ-ს აორმაგებს უჯრედის გაყოფამდე — რეპლიკაცია |
| C — მმართველი | უჯრედის ციკლის რეგულაცია |
| მუტაცია: „ერთი ელემენტის შემთხვევითი ცვლილება” | წერტილოვანი მუტაცია |
სიდნი ბრენერი, ნობელის ლაურეატი და მოლეკულური ბიოლოგიის ერთ-ერთი ფუძემდებელი, მოგვიანებით წერდა, რომ ფონ ნეიმანმა ეს ლოგიკა სწორად ჩამოაყალიბა, თუმცა ბიოლოგთა უმეტესობამ მისი ნაშრომი მაშინ არ იცოდა.
სიზუსტისთვის: ფონ ნეიმანს დნმ არ უწინასწარმეტყველებია. მას არაფერი უთქვამს ქიმიაზე, ორმაგ სპირალზე ან ოთხ ნუკლეოტიდზე. მან აჩვენა, თუ რა ლოგიკური არქიტექტურა სჭირდება ნებისმიერ სისტემას, რომელიც თავს იმეორებს და რომელსაც ევოლუციის უნარი აქვს. დნმ ამ არქიტექტურის ბიოლოგიური განხორციელება აღმოჩნდა.
უჯრედული ავტომატი
კინემატიკური მოდელი — ტბაში მოტივტივე ნაწილები, რომლებსაც მანქანა კრეფს და ადუღებს — ზედმეტად „ფიზიკური” იყო. მეგობარმა, მათემატიკოსმა სტანისლავ ულამმა ფონ ნეიმანს ურჩია, ფიზიკა საერთოდ ამოეღო.
უჯრედული ავტომატი ასე მუშაობს:
- წარმოიდგინე უსასრულო უჯრიანი ფურცელი
- ყოველ უჯრას ერთ-ერთი მდგომარეობა აქვს (ფონ ნეიმანთან — 29-დან ერთ-ერთი)
- ყოველ „ტაქტზე” ყოველი უჯრა ერთდროულად იცვლება — ერთი და იმავე წესით, საკუთარი და მეზობლების მდგომარეობის მიხედვით
სულ ესაა. ფიზიკა არ არის, მხოლოდ წესი. ამ ბადეში ფონ ნეიმანმა ააგო უზარმაზარი კონფიგურაცია — მკლავით, ორობითი ფირით და მართვის ბლოკით — რომელიც ბადეში საკუთარ ასლს „ხატავს”.
„სიცოცხლის თამაში” — ფონ ნეიმანის ყველაზე ცნობილი შვილიშვილი
1970 წელს ბრიტანელმა მათემატიკოსმა ჯონ კონვეიმ ფონ ნეიმანის 29 მდგომარეობა ორამდე დაიყვანა: უჯრა ან „ცოცხალია”, ან „მკვდარი”. წესები:
- ცოცხალი უჯრა, რომელსაც 2 ან 3 ცოცხალი მეზობელი ჰყავს, ცოცხალი რჩება
- მკვდარი უჯრა, რომელსაც ზუსტად 3 ცოცხალი მეზობელი ჰყავს, „იბადება”
- ყველა სხვა შემთხვევაში უჯრა კვდება ან მკვდარი რჩება
ამ სამი წესიდან წარმოიქმნება „მფრინავები” (gliders), რომლებიც ბადეზე დაცურავენ, „თოფები”, რომლებიც მფრინავებს ისვრიან, და ბოლოს — დამტკიცდა, რომ ამ თამაშში ნებისმიერი კომპიუტერის აგება შეიძლება. სამი წესი უნივერსალური გამოთვლისთვის საკმარისია.
ეს არის ემერჯენტულობის (emergence) ყველაზე სუფთა მაგალითი: სირთულე, რომელიც არც ერთ ცალკეულ წესში არ არის ჩადებული.
სირთულის ზღურბლი
ფონ ნეიმანის ყველაზე ღრმა იდეა: არსებობს ორგანიზაციის კრიტიკული ზღვარი. ქვემოთ ყოველი „შთამომავალი” მშობელზე მარტივია. ზემოთ — თანაბარი ან უფრო რთული შეიძლება იყოს, და პროცესი შეიძლება „ფეთქებადი” გახდეს.
ეს არის ევოლუციის ლოგიკური შესაძლებლობის დამტკიცება. სიცოცხლე არ არღვევს ენტროპიის კანონს და არ საჭიროებს „სასიცოცხლო ძალას” (élan vital). მას სჭირდება ორგანიზაცია, რომელმაც ზღურბლი გადალახა.
ბნელი მემკვიდრეობა — ვირუსი
კომპიუტერული ვირუსი ფონ ნეიმანის კონსტრუქტორის მინიმალური ვერსიაა: პროგრამა, რომელიც საკუთარ კოდს აკოპირებს. 1983 წელს ფრედ კოენმა თვითრეპროდუცირებადი პროგრამების ექსპერიმენტები ჩაატარა და „კომპიუტერული ვირუსის” ცნება ფორმალურად განსაზღვრა — ეს ფონ ნეიმანის იდეების პირდაპირი მემკვიდრეობაა. იგივე ლოგიკა, რომელიც სიცოცხლეს ხსნის, სიცოცხლის პარაზიტულ ფორმასაც ხსნის.
ფილოსოფიური ბირთვი
ფორმა მატერიის გარეშე
არისტოტელესთვის ცოცხალი არსება ფორმისა და მატერიის ერთობაა. ფონ ნეიმანი ფორმას — აღწერას, φ-ს — მატერიისგან ლოგიკურად აცალკევებს. ის გადაიცემა, კოპირდება, მუტაციას განიცდის. სიცოცხლე მატერიის თვისება კი არ არის, არამედ ინფორმაციის ორგანიზაციისა.
შემოქმედის დეკონსტრუქცია
თუ რთული სისტემა საკუთარ თავს აგებს და ევოლუციის გზით კიდევ უფრო რთულდება, „შემოქმედის” არგუმენტი — საათი მესაათეს მოითხოვს (უილიამ პეილი, 1802) — თავის ლოგიკურ საფუძველს კარგავს. ფონ ნეიმანი ამ დასკვნას ღიად არ აკეთებს. ის ლოგიკის ფარგლებში რჩება, მაგრამ მისი სქემა დარვინისეული ევოლუციის ზუსტად ის ლოგიკური „ჩონჩხია”, რომელიც მას მანამდე აკლდა.
ჰორიზონტალური კავშირები
- ფაუსტი (წიგნი) — ჰომუნკულუსი: ვაგნერის რეტორტაში შექმნილი ხელოვნური სიცოცხლე
- საოცარი ახალი სამყარო (წიგნი) — ადამიანის რეპროდუქცია როგორც ინდუსტრიული პროცესი
- ფრიდრიხ ნიცშე — მარადიული დაბრუნება: განმეორება, რომელსაც ფონ ნეიმანთან მუტაცია ახლავს
- ხორხე ლუის ბორხესი — ბაბილონის ბიბლიოთეკა: ყველა შესაძლო ტექსტი, ყველა შესაძლო აღწერა
- „2001: კოსმოსური ოდისეა” — მონოლითები, როგორც თვითრეპროდუცირებადი, სიცოცხლის „დამთესავი” ზონდები
- ორეულობა (Doppelgänger) — ასლი, რომელიც ორიგინალისგან ვეღარ გაირჩევა: რა ემართება იდენტობას, როცა „მე” კოპირდება?
ვერტიკალური ჯაჭვი
- წინამორბედები: არისტოტელე (ფორმა და მატერია) → დეკარტი (ცხოველი როგორც ავტომატი) → დარვინი (1859) → ტიურინგი (1936) → შრედინგერი („რა არის სიცოცხლე?”, 1944)
- ეს იდეა (1948–1953): ჯონ ფონ ნეიმანი — კინემატიკური და უჯრედული თვითრეპროდუქცია
- მემკვიდრეები: უოტსონი და კრიკი (1953) → ედგარ კოდი (8 მდგომარეობა, 1968) → ჯონ კონვეი („სიცოცხლის თამაში”, 1970) → ფრედ კოენი (კომპიუტერული ვირუსი, 1983) → კრისტოფერ ლენგტონი (ხელოვნური სიცოცხლე) → პესავენტო (კონსტრუქტორის იმპლემენტაცია, 1995) → სინთეზური ბიოლოგია