Introducción a la vida digital
¿Cuál es la esencia de la vida digital? La vida digital es vida artificial, no vida natural formada a partir de carbohidratos. Es un sistema artificial con características o comportamiento de vida natural. El estudio de la vida digital es el uso de medios informáticos no biológicos para crear nuevas formas de vida y descomponer la vida en la naturaleza en varias unidades. Se necesita un enfoque sintético más que reduccionista. Los pioneros de la vida digital consideraban la vida en la Tierra sólo como una forma de vida específica en un soporte específico. Creen que otras sustancias (como las computadoras) pueden usarse como portadoras para construir nuevas formas de vida, dándoles características de vida y permitiéndoles tener funciones como evolución, herencia y reproducción. La investigación sobre la vida digital no se trata de “clonar” la vida. Es simplemente el uso de medios informáticos para construir o sintetizar vida. En resumen, la llamada investigación de la vida digital se refiere a la investigación sobre la vida artificial que utiliza las computadoras como medio y los programas de computadora como vidas individuales. Se dice que el nacimiento de la idea de vida digital está relacionado con un accidente. En el verano de 1975, C.G. Langton resultó gravemente herido y casi muere en un accidente de planeo en Mount Fashill en Carolina del Norte, Estados Unidos. Pero como decían los antiguos filósofos chinos, la desgracia es una bendición. El accidente dio origen a una nueva disciplina que Langdon más tarde denominó vida artificial. Durante su recuperación devoró libros sobre biología, filosofía, genética, números e incluso ciencia ficción. En el proceso de lectura, Langton se convenció cada vez más de que en el "semillero" de las computadoras no hay formas de vida que no puedan recrearse. Después de ser dado de alta del hospital, se fijó un objetivo para toda la vida: crear una "vida digital" que corresponda a la vida natural en la Tierra, a la que llamó "vida de silicio". En 1987, Langton organizó el primer seminario sobre vida artificial y propuso el concepto de vida artificial. Desde entonces, la vida artificial como disciplina y campo de investigación se ha establecido y desarrollado gradualmente ([1], p. 41).
Un campo de investigación importante en la investigación de la vida artificial es el estudio de la vida digital. En la actualidad, la investigación sobre la vida digital ha logrado muchos resultados importantes. Por ejemplo, el modelo de autómata celular propuesto por von Neumann y otros, el programa de juego "Life" escrito por J. Conwey de la Universidad de Cambridge, etc. Sin embargo, el logro más importante puede ser la creación de la vida digital por parte de Thomas S. Ray.
Thomas Ray es profesor, naturalista y botánico tropical en la Universidad de Delaware. Buscaba respuestas a la pregunta de qué creó la vida en la Tierra. Debido a que toda la vida en la Tierra tiene el mismo origen, y el tamaño de la muestra es 1, y no se encontró vida extraterrestre para comparar en ese momento, es difícil distinguir los atributos inevitables y accidentales de la vida en la Tierra. La investigación de viajes interestelares no fue posible. al menos en ese momento. Por ello, Thomas Ray propuso la idea de crear una vida digital en la computadora que sea diferente a la vida natural.
El 9 de octubre de 1990 65438+, nació la primera vida digital del mundo en el ordenador de Thomas Ray [2]. El experimento informático que diseñó es así: introduce el concepto de evolución de la vida en el campo de la informática, utilizando los recursos (unidades de RAM, tiempo de CPU y sistema operativo) proporcionados por las computadoras digitales para proporcionar un entorno vivo para la vida digital. La vida digital que diseñó utiliza números como vehículo para explorar diversos fenómenos, leyes y comportamientos emergentes de sistemas complejos en la evolución de la vida. Por un lado, la vida digital existe en forma de programa informático en un entorno de memoria de acceso aleatorio (RAM) y, por otro, utiliza el tiempo de la unidad central de procesamiento (CPU) para organizar su comportamiento en el almacenamiento. unidad. Con las correspondientes estrategias competitivas, las criaturas digitales compiten por el tiempo de funcionamiento y el espacio de almacenamiento de la unidad central de procesamiento (CPU). Thomas Ray creía que esta vida digital debía programarse con códigos digitales adecuados para vivir en ese entorno.
Este programa puede replicarse a sí mismo y ser ejecutado directamente por la unidad central de procesamiento (CPU). No solo eso, también puede activar directamente el sistema de instrucciones de la unidad central de procesamiento (CPU) y el programa de servicio del sistema operativo, mostrando sus ventajas en el proceso de evolución al ocupar recursos.
El mundo vivo digital diseñado por Thomas Ray se llama Tierra. En español, Tierra significa "Tierra". ([3], PP 115-123) Se puede ver que es un mundo de vida digital similar al mundo de vida real de las personas en la Tierra. Durante el funcionamiento de la Tierra, a medida que avanza la evolución, aparecen cada vez más tipos de vida digital. Las "células individuales" evolucionan gradualmente hacia "multicélulas", formando su propio entorno ecológico digital. a la gran explosión en la naturaleza fenómeno de explosión de especies. Además, Tierra puede producir organismos específicos que son inmunes a los parásitos. Después de un período de evolución, surgirá una sociedad digital. Este mundo de vida digital es similar al mundo real en que la vida utiliza el sol para obtener la materia y la energía que necesita. Estas formas de vida naturales nacen en el entorno natural de la tierra y luego continúan evolucionando. En Tierra, la vida digital (en forma de programas informáticos autorreplicantes) utiliza el tiempo de CPU de la computadora para organizar el espacio de almacenamiento de la máquina. En la naturaleza, la vida evoluciona paso a paso, compitiendo por alimento, refugio y pareja. Los genotipos que dejan más descendencia aumentan con el tiempo, y el número de descendientes con baja aptitud física en la población disminuye gradualmente hasta extinguirse. En Tierra, el mismo proceso pasa por seres digitales (que son programas autorreplicantes) que compiten por el tiempo de CPU y la memoria. Cambian constantemente sus estrategias para explotarse unos a otros, y aquellos programas que ganan más tiempo y espacio de almacenamiento dejan más copias (descendientes). En la naturaleza, la supervivencia y la evolución de la vida dependen del entorno natural; en la Tierra, el procesador central y la memoria de la computadora constituyen el entorno físico (es decir, el estadio) del que depende el proceso evolutivo. En la naturaleza, la vida se sintetiza orgánicamente a partir de carbohidratos; la vida digital de la Tierra consiste en programas autorreplicantes escritos en el lenguaje ensamblador de la máquina. Por lo tanto, la vida en la Tierra es una versión digital de las formas de vida en el mundo real de las personas. En otras palabras, en la Tierra pueden aparecer todo tipo de comportamientos similares a la vida real en la Tierra, todas características de la evolución natural.
Sin embargo, la evolución de la vida digital de la Tierra también es diferente de la evolución natural de la vida real. Es decir, la estructura de esta vida digital no sólo contiene información genética, sino que también realiza las actividades metabólicas de la vida. En el mundo real, estas dos funciones las realizan dos estructuras diferentes (es decir, ADN/ARN y proteína).
Para evitar que estos seres digitales pirateen el hardware real de las máquinas que habitan, Thomas Ray configuró el sistema informático de modo que todo el sistema Tierra se ejecutara en una llamada "computadora virtual". Esto significa simular una computadora en forma de software y almacenar Tierra en una computadora real. En otras palabras, Thomas Ray creó una serie de instrucciones de software para simular el funcionamiento de una máquina de hardware física. Mientras haya computadoras del mundo real involucradas, la vida digital de la Tierra son datos, no diferentes a los datos en procesadores de texto o paquetes gráficos.
El sistema operativo Tierra determina la comunicación entre organismos, la asignación de tiempo de CPU, la asignación de espacio de memoria y otros factores que constituyen el entorno operativo de la vida digital. Por eso es necesario discutir aquí sus ingredientes principales: ([3], pp. 118-121).
1. Asignación de almacenamiento - celularización
El bloque de memoria en la computadora real ocupado por la máquina virtual Tierra se llama "sopa". Cada "habitante" de la Tierra ocupa un determinado trozo de memoria en esta sopa. Para evitar que las actividades de una vida digital interfieran fácilmente con las actividades de otra vida, es necesario dotar a la vida digital de un cuerpo heterogéneo con una membrana celular real para lograr la celularización. La Tierra sólo permite a los propios seres el privilegio de escribir en sus bloques de memoria. En otras palabras, otras formas de vida pueden examinar la estructura de cualquier otra forma de vida e incluso ejecutar el código de esa forma de vida, pero sólo esa forma de vida puede modificar su propia estructura.
2. Tiempo compartido - Dispositivo de tiempo compartido
Para que cada miembro del grupo Tierra pueda realizar actividades Tangli al mismo tiempo, el sistema operativo Tierra debe ejecutarse en paralelo. Pero el sistema operativo asigna tiempo de CPU a cada vida en la Tierra, simulando con éxito un entorno multitarea. Siempre que la duración del intervalo de tiempo sea menor que el tiempo que le toma a Tierra generar la próxima generación, este modelo de tiempo compartido puede simular bien la verdadera computación paralela.
3. Mecanismo de muerte - Cosechador
En la Tierra, si no hay algún tipo de mecanismo de muerte para eliminar la vida más antigua de la sopa, el enjambre de vida digital autorreplicante eventualmente se llenará. espacio limitado. Entonces debe haber un mecanismo de muerte, y quien implementa este mecanismo es el recolector. Cuando la sopa se llena hasta un nivel específico (por ejemplo, 80%), el recolector comienza a eliminar los organismos. Es decir, el espacio de almacenamiento asignado se recupera y se borra no solo del recopilador sino también de la cola de tiempo compartido.
4. Genes de mutación
Si la vida digital quiere evolucionar, debe haber alguna manera de mutar su genoma, y debe haber alguna manera de transmitir esta mutación a las generaciones futuras. Esto se puede hacer en las dos situaciones siguientes. Primero, a través de las mutaciones aleatorias de la vida misma. Los bits de la cadena binaria que representa el programa de vida cambian aleatoriamente de 0 a 1 o de 1 a 0 a una velocidad fija. El resultado del cambio de bits es evitar que cualquier ser vivo se vuelva inmortal. A medida que algunos de los códigos de la vida misma se invierten, la vida gradualmente muta y avanza hacia la decadencia de la vida. En segundo lugar, durante el proceso de copia, la ejecución imperfecta de instrucciones también puede provocar mutaciones aleatorias. El comportamiento de la vida en la Tierra aún no se ha determinado completamente en este momento, por lo que esta mutación aleatoria es impredecible.
Ahora el sistema Tierra tiene entorno espacial (memoria), energía (tiempo de CPU), algoritmo de asignación de recursos (divisor de tiempo) y un mecanismo de muerte para mantener un número limitado de criaturas en un espacio limitado (cosechador). y mecanismos evolutivos (mutantes). Todo está listo, sólo necesitamos el viento del este. Lo que falta es una criatura ancestral.
Para crear un antepasado de la Tierra, Thomas Ray escribió un programa en lenguaje ensamblador. Es un programa autorreplicante con una duración de 80 instrucciones. Un día de junio de 1990, puso a este antepasado en la sopa y, al día siguiente, la Tierra realmente dio a luz a muchas formas de vida. Thomas Ray quedó gratamente sorprendido al descubrir que después de miles de actualizaciones informáticas, las especies a menudo mostraban diversidad, con diferentes tamaños y especificaciones, diferentes esperanzas de vida, diferentes relaciones ecológicas (independientes, parásitas, saludables, etc.). Evolucionan más rápido en presencia de depredadores porque los depredadores tienen que competir ferozmente por la "solución" relativamente óptima o la posición máxima local en lugar de por la presa, lo que los impulsa a evolucionar más rápido.
En el proceso de síntesis de vida digital, el "salto" evolutivo en la Tierra es muy interesante. Después de muchas generaciones de lenta evolución o inactividad, la vida digital puede cambiar repentinamente, recordando a la gente el debate entre evolución y mutación. Este "salto" evolutivo es también como la vida de un soldado, una vida larga y monótona, a veces con emergencias emocionantes. Thomas Ray demostró a través de experimentos informáticos que el silencio (quietud) es sólo un fenómeno superficial, y que las mutaciones genéticas invisibles al exterior se acumulan gradualmente y que alcanzar una "masa crítica" conducirá inevitablemente a mutaciones fenotípicas.
Aunque el objetivo final de Thomas Ray es crear nueva vida. Pero prefiere llamar al estudio de la vida digital "biología sintética". No tenía intención de sintetizar nuevos organismos basados en carbono ni de considerar una nueva bioquímica. En su opinión, el metabolismo bioquímico es sólo una condición necesaria para la existencia de la vida, no el atributo esencial de la vida. Un sistema vivo debe definirse como un sistema que "se autorreplica y evoluciona continuamente". La vida que describió en su artículo "Métodos sintéticos de vida artificial" y la vida difundida en línea como arraigada en "reservas digitales" cumplen estos criterios de vida ([3], págs. 111-145). Por lo tanto, Thomas Ray afirma que estas especies informáticas pueden considerarse vivas, e incluso los virus informáticos están vivos (si pueden evolucionar). Sin embargo, dado que los virus en la naturaleza dependen de células no virales para reproducirse, muchos biólogos niegan que vivan vida orgánica, por lo que no creen que los virus informáticos estén vivos.
Thomas Ray cree que el uso de tecnología de software para crear vida digital en computadoras se puede dividir en dos tipos: uno es la simulación del proceso de vida; el otro es la instanciación del proceso de vida. Las creaciones correspondientes pueden denominarse vida simulada y vida sintética ([4], págs. 29-60). La simulación por computadora de los procesos de la vida debe primero establecer un modelo computacional de la estructura o evolución de la vida que se está estudiando, convertirlo en un programa para ejecutar en la computadora y luego comparar los resultados obtenidos con los obtenidos mediante observación o experimento para realizar el prototipo. —— Se estudia la vida. Los primeros estudios de los fenómenos de la vida mediante simulación por computadora a menudo se lograban estableciendo ecuaciones diferenciales que gobernaban el ecosistema o la comunidad biológica bajo estudio. Los nuevos métodos de simulación ascendente crean un conjunto de estructuras de datos en las que cada instancia de la estructura de datos corresponde a una sola entidad; Estas estructuras contienen las variables del estado de un individuo, las reglas que determinan la interacción entre un individuo y su entorno. Una vez que se implementa una simulación, grupos de estas estructuras de datos interactúan de acuerdo con reglas locales y, como resultado, el comportamiento general del sistema surge de estas interacciones. La segunda forma es la ilustración del proceso de la vida. En la simulación, la estructura de datos creada contiene variables que representan el estado de la entidad que se simula, tratando así los datos en la computadora como una representación de algo real. En la ilustración, los datos de la computadora no representan nada más, es decir, el patrón de datos en la ilustración se trata como una forma de vida con carácter propio, en lugar de como un modelo de cualquier forma de vida natural. Por lo tanto, uno de los objetivos básicos de la ilustración de la vida digital es introducir las formas y procesos naturales de la vida en medios artificiales como las computadoras, y así surgieron formas de vida digitales no basadas en carbono. Sin embargo, para hacerlo se necesitan las ideas y los medios técnicos adquiridos mediante el estudio de la evolución de la vida orgánica, pero esto no obliga a los medios digitales a crear una simulación antinatural del mundo orgánico. Lo que hay que recordar es que un nuevo paradigma no es orgánico, sino que difiere de la vida orgánica en muchos aspectos fundamentales. Por ejemplo, la vida orgánica reside en el espacio euclidiano, mientras que la vida digital reside en el espacio lógico de la memoria de la computadora [5].
Las opiniones de Thomas Ray sobre la vida digital y el mundo de la vida digital han causado una gran controversia. Algunos vieron su trabajo como un ejercicio útil de biología teórica, pero no aceptaron su fuerte interpretación filosófica de la vida digital. Tomando prestado el argumento de Searle sobre la inteligencia artificial ([6], 3:417-57), dicen que incluso si la vida artificial débil es científicamente valiosa, la vida artificial fuerte es imposible. Sin embargo, se cree que, después de todo, el modelo de vida digital de Thomas Ray es un intento audaz de explorar esta posibilidad.
Las dudas sobre la síntesis de nuevas formas de vida se basan en el supuesto de que el origen de la vida es casi imposible si no un milagro. Parece que hay muchos detalles intrincados que deben resolverse para que aparezca la vida. La posibilidad de vida es una posibilidad astronómica, y la vida puede incluso ser un evento accidental en el universo que sólo aparece en la tierra. Sin embargo, algunos estudiosos de la vida artificial señalaron ([7], pp.146-172.) que esta visión escéptica es insostenible. En su opinión, el surgimiento de estados ordenados, o incluso el surgimiento de la reproducción, no es fundamentalmente único e impredecible, sino algo que seguramente ocurrirá en sistemas complejos. Para estudiar los orígenes espontáneos de los estados ordenados, Kaufman consideró sistemas de procesamiento de información compuestos por muchas unidades que interactúan y explicó estos sistemas definidos de manera abstracta con diferentes niveles de vitalidad. El modelo matemático de Kauffman demostró que la formación de estos patrones estables es inevitable sin importar en qué estado desordenado parta un sistema de procesamiento de información. Es la interacción entre genes lo que obliga a los genes de una célula a organizarse espontáneamente en un patrón estable que pueda sobrevivir en su entorno. En segundo lugar, las personas no sólo deberían considerar su propio ecosistema natural como la realidad real; si miramos el mundo virtual compuesto de computadoras y redes desde otro ángulo, ¿se puede decir que el ecosistema digital en el que vive la vida digital es real? El surgimiento de la vida digital y del mundo de la vida digital parece plantear desafíos a las ciencias de la vida, la ecología, la filosofía y la ética tradicionales. La importancia teórica y práctica de la creación de vida digital es: primero, la vida digital sigue las leyes de la herencia y la evolución como la vida natural, proporcionando nuevos medios experimentales para el estudio en profundidad de la evolución biológica y los sistemas de vida complejos; segundo, el estudio de la vida digital; de hecho, se basa en computadoras. Muchas características de la vida se muestran en la pantalla, lo que proporciona nuevas ideas y nuevos métodos de investigación para que las personas revelen profundamente la naturaleza de la vida. En tercer lugar, el estudio de la vida digital puede proporcionar modelos informáticos y soporte de redes informáticas para estudiar el crecimiento; Desarrollo y evolución del entorno natural.
Con la ayuda de métodos de investigación de la vida digital, la exploración de los mecanismos de reproducción, herencia y evolución humanas ayudará a la investigación e implementación de la planificación familiar humana y la eugenesia, lo que a su vez ayudará a resolver una serie de problemas prácticos como la explosión de especies y la explosión demográfica. y la contaminación ambiental.