复杂的引擎——进化计算

大伟
2018-05-06 11:36:15

首先说这是一本很启发人的书。

本书作者约翰.E.梅菲尔德是一位来自生命科学领域的大咖,而他的兴趣又不限于生命科学,还包括数学,物理以及社会文化等,平时呢就喜欢用广义进化论的视角研究各个层次的复杂现象。本书所讲核心就是如何从进化计算的角度去理解复杂。作者从对信息和复杂的理解探讨开始,又有进一步在物理,计算机,分子生物学以及人类学习与文化等不同层次上阐述了进化计算对引入复杂性的重要作用。全书采用了问答的模式,提出一个问题,然后去寻求探讨答案,思路清晰。而且本书的翻译也不错,读起来很流畅。唯一有些门槛的是由于本书作者的生物学背景,书中有很多来自生物学的例子,对非生物专业的读者来讲需要熟悉的概念会比较多,读起来可能稍显吃力。不过如果你对信息和复杂系统感兴趣,这确实是本很值得读的书,相当有启发。

以下是读书过程中思考最多的三点,可能有点偏哲学了,在这里跟大家分享

1.信息是源自时间吗?

其实这个问题已经困扰我很久了,始终没找到答案。在看这本书的过程中,越发觉得时间真是一个很神奇的物理量,可能与信息有着相同的本源。我的推想如下:

a.首先因为你会发现大多复杂的事物都需要时间去演化,从一个简单的结构,根据某些规则,在时间的加持下变成一个复杂的结构。那么中间积累的信息是来源于时间么?

b.复杂其实是相对的概念,我们认为一个事物很复杂是因为需要花很多时间才能形成或者花很多时间才能理解,而如果我们从更长的时间尺度来看,复杂的事物也会变简单。时间是不是可以衡量复杂性?

c.假设万物静止,时间也就是失去了意义,而此时信息不变。所以可不可以说没有时间,也不会有信息的改变?

d.热力学第二定律熵增,信息在总体上流失,而时间也是单向流失。

其实信息和时间都是我们头脑中的一个概念,在现实中有着不同的应用场景,但如果换个角度,会不会它们都有着相同的本源呢?

2. 通过自然算力可以实现蛋白质结构预测吗?

之前由于课题研究的需要用核磁的方法解析过两个蛋白质结构域的结构,劳心劳力,所以很希望有一天可以实现蛋白的结构预测。但现在的预测总是差强人意,尤其对长序列,能有50%以上的准确率就很不错了。从理论的角度来讲,蛋白质的结构是由它的一级序列决定的,用书中作者的话来说,对一段已定的序列,形成的是免费的结构。按理说预测它的结构不应该是 a piece of cake 嘛。 但实际上就目前来说这还是一项不可能的任务。这个不可能来源于两点:一是无法获悉各种氨基酸准确的物理学参数,而蛋白质折叠对初始条件是很敏感的;二是即便知道了相当精确的参数,搜索蛋白质可能的空间状态数也是大的吓人,远不是现在的计算机可以做到的。 所以现在比较主流的预测方法是采用机器学习的方法,从已有的数据出发,来训练模型,可是现在的数据库还不能涵盖足够的pattern ,所以预测的结果通常不那么令人满意。

其实从书中讲到的广义的进化计算,我们可以发现很多物理的过程其实可以看做是一种计算,那我们也可以把蛋白质折叠过程看成是一种计算,我们姑且把它叫做自然算力。在自然状态下蛋白质折叠速度其实是很迅速的,那它是如何快速找到到自己正确的空间状态的呢?有没有我们可以学习借鉴用于改进目前计算方式的地方呢?

我想到可能的原因有两个,一是自然算力本身拥有强大的并行计算能力,所有的原子都可以同时根据各种物理规则计算自己的平衡点,而且在分子尺度上的时间可能也要快很多,所以蛋白质可以迅速完成全空间状态的搜索,折叠成合适的空间结构。二是自然状态的折叠根本没有完成蛋白质全空间状态的搜索,而是采用了完全不同的算法,或许类似于动态规划的算法,可以大大节省了计算的成本,迅速完成折叠。

其实不只蛋白质折叠预测,很多计算机对现实世界的模拟都是类似的情况。我们现在的人工算力(目前的计算机)还远远比不上自然算力,如果有一天可以充分的认识和利用自然算力,造出分子计算机,也许会有一场计算上的革命,实现很多事情。

3.世界是分层的吗?

从《异次元骇客》,到《黑客帝国》,再到《创战记》,《盗梦空间》这些经典的科幻电影,还有刚刚读到的《复杂的引擎》这本书,都让我越发觉得这个世界是分层的。

从大的层次来说,我们现在的科学实际就是:找规律,验证规律,然后利用规律。但是我们有没有想过,为什么这些这些规律只可以被发现和利用,却不能改变呢,这些规律又是从哪里来的呢,是谁限制了我们的编辑权限呢?在我们的世界之外会不会还有另一个和我们类似的世界,是他们创造了这个世界,定义了各种规则,并开启了我们的进化计算,更或许我们的世界本来就是他们的分子计算机中的一个?而有一天,当我们的计算达到某个阈值,我们也可以创造下一层的其他世界,如此不断循环,每个层次的世界都自相似,但又不完全相同。

从小的层次来说,这个世界本身就是分层的。从物理学化学研究的夸克,电子,原子,分子,到生物学研究的大分子复合物,细胞器,细胞,组织,器官和个体,再到生态学研究的种群,生态系统或者社会学,经济学研究的社会文化,经济发展等等,都表现出了明显的层次,都是从上一层次的结构中涌现出来的。

虽然我们现在还不能理解这样的层级结构有什么目的和意义,但这真是一个很神奇的世界啊!

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