Modularità generativa e perché innovazione naturale - Parte 1

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"La cenere dell'alchimia stellare era emersa nella coscienza" - Carl Sagan

Per coloro che sono inclini, cerchiamo tutti una narrazione olistica e completa che spieghi la natura. Questa necessità di un'interpretazione gestaltica del nostro ambiente è il motore della nostra stessa intelligenza generale. Questo è l'anello mancante nei sistemi di IA di oggi. I sistemi di intelligenza artificiale più avanzati (ovvero Deep Learning) non sono in grado di costruire strati di astrazioni più elevate. Questo nonostante sia costruito da più livelli che hanno lo scopo di consolidare la rappresentazione da uno strato all'altro.

Qui propongo una narrazione del perché emerge la vita complessa e perché è la stessa narrativa del perché emerge la cognizione generale. Proverò una narrazione che inizia anche con l'universo primordiale e costruisce i principi della modularità rivelati dall'universo in evoluzione. Ho discusso questa idea in precedenza in "Cooperazione, concorrenza ed emergenza della modularità", ma c'è un fascino seducente di una narrazione che inizia dall'inizio dei tempi e si fa strada nell'universo autocosciente attuale.

Ecco la mia narrativa.

All'inizio del nostro universo tutto era legato insieme e poi in un unico big bang, tutto era istantaneamente illimitato. Le condizioni iniziali sono sconosciute alla fisica attuale. L'universo successivamente si è evoluto in particelle distinte (cioè fermioni). Inoltre, i messaggeri (cioè i bosoni) li legerebbero insieme, ma preserverebbero la loro distinzione.

Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier

In questo universo c'era la luce, manifestandosi come il fotone il messaggero della forza elettromagnetica. C'erano altri messaggeri, come il gluone, il messaggero della forza forte. I gluoni legavano insieme i barioni (cioè protoni e neutroni) nel nucleo degli atomi. I fotoni legano il nucleo con un leptone carico (cioè elettroni). C'erano forze in questo universo che legavano tutto insieme (bosoni) e c'erano cose da legare (fermioni). Quindi è sempre esistito un tipo primitivo di modularità. Il primo principio di modularità: c'è qualcosa che si lega e qualcosa da vincolare. Il legame crea identità e interazione.

Questo universo non legato ha generato il tempo. L'universo, che era originariamente legato, è sempre rimasto connesso dopo il Big Bang. Il principio olografico e l'entanglement quantistico rivelano questa connessione. È attraverso questo intreccio che nasce la forza entropica della gravità. La gravità dà allo spaziotempo la sua curvatura e quindi qualsiasi forma, assenza di uniformità, il tempo diventa osservabile. Il tempo è una conseguenza dell'entropia e l'entropia è il modo in cui siamo resi consapevoli del tempo. Il secondo principio di modularità: l'universo si evolve nella direzione dell'entropia superiore.

La gravità è la forza che lega sempre le particelle con la massa (si ipotizza che la massa sia legata dal bosone di Higgs). Attraverso questa forza nascono le stelle e si formano le galassie. Le stelle si consolidano attraverso la gravità e si accendono con energia a causa della forte forza nucleare. Questo crea il plasma che è un catalizzatore per la creazione di elementi più pesanti. Il terzo principio di modularità: un mezzo con caratteristiche fluide guida la sperimentazione e quindi l'innovazione.

Alla fine alcune stelle con sufficiente collasso di massa ed esplodono in una supernova. Questo è il risultato della competizione tra gravità e forze nucleari. Questa esplosione di supernova fonde ulteriormente altri atomi più pesanti e tutti questi elementi più recenti sono sparsi nel cosmo con la distruzione della stella. I sottoprodotti di una supernova sono gli elementi della tavola periodica. È ciò che forma i pianeti e la terra in cui viviamo. Tutta la vita è una conseguenza delle stelle che muoiono. Siamo "cose ​​da star" secondo Carl Sagan. La distruzione porta alla creazione. Il quarto principio di modularità: le forze competitive portano alla distruzione che poi porta a nuove creazioni composite.

Finora, ho scritto solo sulle forze che vincolano. Questa è la gravità, la forza forte e metà della forza elettromagnetica. Ci sono forze che si respingono, diverse cariche si respingono e la forza debole porta al decadimento radioattivo degli atomi. Si può sostenere che un universo come il nostro può esistere senza la forza debole. Tuttavia, l'effetto di simili cariche di repulsione è essenziale per la ricchezza dell'interazione nell'universo. Non tutto si lega insieme, esistono vincoli che impediscono l'associazione. Gli elementi più pesanti sono limitati alle combinazioni possibili nella meccanica quantistica. Il quinto principio di modularità: il legame è selettivo e guida l'idoneità di un contesto.

La materia delle stelle, membri della tavola periodica degli elementi, crea nuovi modi di interazione tra diversi elementi. La combinazione di elementi in molecole è una conseguenza della meccanica quantistica. La tavola periodica degli elementi è strutturata per riflettere il guscio di valenza più esterno dell'atomo che influenza i legami chimici. Il sesto principio di modularità: i componenti compositi portano a interazioni più ricche e maggiori possibilità.

La chimica porta a composti più complessi. Acqua, H2O è un esempio di un composto che ha la proprietà emergente che a una certa temperatura si presenta come un liquido. I liquidi formano l'ambiente che facilita la ricombinazione. Qui la natura ha riscoperto il liquido che si trova nei nuclei delle stelle. La fluidità è il substrato della sperimentazione e quindi dell'innovazione. La fluidità dell'acqua crea le condizioni per un mercato di scambi e interazioni tra composti complessi

Gli elementi pesanti che presentano maggiori opportunità di interazione, partecipano più spesso come componente di composti complessi. Il carbonio e infine il silicio, entrambi elementi del gruppo 6 nella tavola periodica, mostrano una intrinseca adattività che incoraggia la costruzione di composti più complessi. Tutta la chimica organica è una conseguenza del carbonio. Il carbonio può formare quattro diversi legami con altri elementi, consentendo più interazioni con altri elementi e esso stesso a formare una matrice più ricca di composti. Le cose intrinsecamente adattive si ritrovano più prevalenti semplicemente a causa della probabilità (vedi: adattamento dissipativo). Il settimo principio di modularità: l'adattività intrinseca porta all'utilità che porta all'ubiquità.

La chimica organica è costituita da molecole che possono reagire in modi ancora più diversi rispetto ai composti. Nelle infografiche sottostanti, ogni gruppo funzionale dovrebbe reagire in modo simile. Le molecole più complesse possono essere costituite da più di uno di questi gruppi e possono quindi interagire in modo tale da costituire un'esplosione combinatoria di questi gruppi. La natura, sotto forma di chimica organica, ha nuovamente ricreato nuovi modi di interagire e legare i componenti.

Credito: https://www.compoundchem.com/2014/07/31/heterocycles/

Questa ricca diversità nella chimica organica non ti porta ancora agli esseri viventi. Apparentemente, la base della vita organica sulla terra richiede aminoacidi, i mattoni di tutti gli organismi viventi. L'esatta origine di come la chimica organica porta agli aminoacidi è ancora oggetto di indagine. Inseriamo una recente teoria di come la vita è nata dall'esistenza della materia organica. Jeremy England ha una proposta nota come "adattamento dissipativo", in sostanza spiega come le regolarità dell'energia nell'ambiente causino la formazione di strutture che sono in armonia con queste regolarità. Come aveva proposto Ilya Prigogine, un sistema è tutt'altro che auto-organizzato dall'equilibrio e sviluppa l'ordine dal caos. Emerge una forma di memoria più dinamica e più ricca (ovvero la memorizzazione di informazioni). L'ottavo principio di modularità: i componenti adattivi riducono l'entropia imparando le regolarità dell'ambiente.

https://www.compoundchem.com/2014/09/16/aminoacids/

Esistono 20 di questi aminoacidi con una lunghezza media di una proteina di 200 aminoacidi. Pertanto, queste proteine ​​possono essere interpretate come un linguaggio con combinazioni differenti di 20 ² (cioè 1,6x10 ²). L'età dell'universo in nanosecondi è 4,34x10²⁶, quindi è ovvio che non sono state esplorate tutte le combinazioni di aminoacidi. Non è necessario cercare l'intero spazio di possibilità per trovare una configurazione ottimale. Il nono principio di modularità: l'evoluzione richiede solo ciò che è adiacente possibile.

Ma cosa rende così preziosi gli aminoacidi nella creazione della vita? Si scopre che le proteine ​​hanno una capacità scoperta di recente. Le proteine ​​sono in grado di agire in forma aggregata come i liquidi. Gli atomi hanno richiesto plasma ad alta energia per guidare l'innovazione. I composti complessi richiedono acqua per stimolare l'innovazione. Le proteine ​​creano in modo equivalente il proprio ambiente fluido necessario per stimolare lo scambio e quindi l'innovazione.

Gli altri due tipi di biomolecole che si trovano nella vita sono lipidi e acido nucleico. Lipidi grassi che formano le membrane delle cellule. Questa è un'estensione del primo principio. C'è sempre qualcosa che incapsula e isola un'entità dal suo ambiente. Le istruzioni per la creazione di proteine ​​(catene di aminoacidi) sono codificate in acido nucleico sotto forma di DNA. L'evoluzione scopre un meccanismo per codificare un set di istruzioni che trascende la durata di vita di ogni singola forma di vita. Il decimo principio di modularità: una codifica resistente agli errori preserva l'apprendimento per tutta la durata dei componenti.

Prima dell'evoluzione del DNA, la permanenza era una conseguenza della disponibilità e dell'adattabilità. Cioè, ciò che era più pervasivo erano entità semplicemente meno complesse e intrinsecamente adattabili. La codifica solida replica macchine più complesse e macchine potenzialmente più adattive. Più una macchina è complessa, meno è probabile che possa essere preservata a causa dell'entropia. Nel corso del tempo, le parti che richiedono energia per essere sostenute si deterioreranno. Più complesso è il sistema, più è probabile che una chiave inglese nella macchina renda inutilizzabile l'intera macchina. La vita complessa è improbabile senza la codifica del DNA.

La natura favorirà sempre macchine più semplici e robuste, ma il DNA consente un percorso alternativo che trascende i meccanismi probabilistici per creare una vita complessa altamente improbabile. Questo rimane un vero e proprio trionfo oggi, anche se nella nostra vita quotidiana vediamo solo la vita e la tecnologia per lo più complesse. I microrganismi superano le forme di vita complesse sulla terra. Il corpo umano contiene microrganismi che superano di 10 a 1 le cellule umane. Un essere umano di 200 libbre trasporta circa 2-6 libbre di batteri essenziali per la sua salute.

Quindi con aminoacidi, lipidi e DNA arriviamo a una nuova serie di meccanismi per fluidità, incapsulamento e conservazione che esistevano nelle fasi precedenti. Gli atomi combinati nel plasma, si incapsulano tramite forze elettromagnetiche e si preservano attraverso la forza forte. Le molecole si combinano in acqua, si incapsulano attraverso i legami di carbonio e si preservano attraverso la dissipazione adattativa (cioè forze motrici esterne). Ad ogni livello di complessità evolutiva, esiste un mezzo per l'interazione, un confine che media l'interazione e un meccanismo che preserva l'identità. Queste tre capacità portano a un sistema generativo che io definisco Modularità generativa.

Uno dei grandi enigmi dello studio della vita è come sono nati gli aminoacidi, il DNA e i lipidi quando ciascuno dipende l'uno dall'altro. È un problema di "pollo e uovo". La chiave per svelare questo enigma circolare sta nel fatto che un meccanismo equivalente più primitivo esisteva prima e che alla fine è stato reso obsoleto. L'evoluzione non ha più bisogno di tenere in giro le parti che richiedono più.

La cellula eucariotica, base di tutta la vita complessa, è una conseguenza della simbiosi di altre cellule procariotiche. Il mitocondrio, la centrale elettrica, in una cellula ha il proprio DNA. Questo processo cooperativo (vedi: endosimbiosi) di assimilazione di forme di vita separate che hanno la loro unica funzionalità adattativa è prevalente in biologia. L'undicesimo principio di modularità: l'apprendimento dei romanzi si ottiene dalla simbiosi di comportamenti complessi appresi in contesti diversi.

Questo ci conduce a questo modello generale di evoluzione:

dove livelli più alti di modularità sono creati attraverso pressioni competitive che scoprono selettivamente la forma fisica e consolidano le capacità attraverso la simbiosi cooperativa. Questa è una narrazione più ricca della narrativa della concorrenza trovata nella "selezione naturale" di Darwin. L'evoluzione richiede una selezione per il fitness e la cooperazione. La cooperazione è, infatti, una conseguenza del possibile adiacente. La cooperazione richiede la scoperta di capacità complementari e sinergiche con cui legarsi. È in collaborazione che l'evoluzione guida verso una vita più complessa.

Finora in questa narrazione, ho rivelato come l'universo si sta evolvendo verso una maggiore complessità, ma non ho rivelato alcuna forza che spinga questo universo verso una maggiore complessità. C'è un attore mancante e misterioso in questa narrazione. L'universo agisce sempre secondo il principio della minima azione. Dato qualsiasi contesto, la soluzione naturale (e quindi la più probabile) che soddisferà le condizioni al contorno sarà quella meno complessa. Se interpretiamo questo principio in termini di modelli, questo è il Rasoio di Occam in vigore qui. Questo è il principio di induzione di Solomonoff che richiede una lunghezza descrittiva inferiore per qualsiasi programma e quindi una minore complessità. Cosa sta guidando la maggiore complessità?

Diamo un'occhiata all'universo prima di qualsiasi supernova. Questo è un universo con solo atomi di idrogeno. La gravità come forza entropica crea una stella che crea elio e, data la gravità sufficiente, esplode per creare elementi più pesanti. Come è potuto esistere questo nuovo universo che in precedenza non aveva elementi più pesanti? Le leggi costruttive dell'universo non dicono nulla sull'impossibilità di elementi più pesanti, anche se elementi così pesanti non esistevano in precedenza. Alcune configurazioni sono stabili (cioè protoni con neutroni) e alcune più semplici (cioè solo protoni). Non esiste una legge secondo cui più semplice è più probabile che più complesso in ogni contesto. Piuttosto, ci saranno sempre configurazioni più complesse e più stabili delle configurazioni semplici. Questa è solo una conseguenza del materiale originale di cui sei dotato. Cioè, l'evoluzione procede con ciò che è adiacente possibile e in quel contesto, per di più, il complesso sembra essere ciò che è possibile e non qualcosa di più semplice che sia impossibile. Il dodicesimo principio di modularità: l'innovazione è contestuale, le soluzioni complesse o semplici sono guidate da ciò che è possibile e non da ciò che è semplice o ottimale.

Un tema comune nell'evoluzione è questa nozione di costruttivismo. Questa è l'evoluzione procede per fasi ed è costruita dalle fasi precedenti. Ogni nuova fase deriva dalle capacità della fase precedente. Tuttavia, le capacità del nuovo stadio sono le capacità emergenti che non esistevano in precedenza. Sorprendentemente, le nozioni astratte di modularità si rivelano ad ogni nuovo stadio. Esistono schemi di modularità delle informazioni che si ripetono come ogni nuova fase. Esistono modelli di modularità delle informazioni che non esistono nelle fasi precedenti ma che emergono con ogni nuova fase.

Ora che siamo arrivati ​​ai mattoni fondamentali della vita, discuterò di come questa nuova capacità autoreplicante porti all'intelligenza generale.

Parte II: https://medium.com/intuitionmachine/information-modularity-leads-to-general-intelligence-65766bbfa707

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