Modularidad generativa y por qué innovación natural - Parte 1

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"La ceniza de la alquimia estelar había emergido a la conciencia" - Carl Sagan

Para aquellos inclinados, todos buscamos una narrativa holística y completa que explique la naturaleza. Esta necesidad de una interpretación gestalt de nuestro entorno es el motor de nuestra propia inteligencia general. Este es el eslabón perdido en los sistemas de IA de hoy. Los sistemas de IA más avanzados (es decir, Deep Learning) no pueden construir capas de abstracciones superiores. Esto a pesar de estar construido con múltiples capas que están destinadas a consolidar la representación de una capa a otra.

Aquí presento una narración de por qué emerge la vida compleja y por qué es la misma narrativa de por qué surge la cognición general. Voy a intentar una narrativa que comience también con el universo primitivo y desarrolle los principios de modularidad revelados por el universo en evolución. He discutido esta idea anteriormente en "Cooperación, competencia y el surgimiento de la modularidad", pero existe un atractivo atractivo de una narrativa que comienza desde el principio de los tiempos y se extiende hasta el presente universo consciente de sí mismo.

Aquí está mi narrativa.

Al comienzo de nuestro universo, todo estaba unido y luego, en un solo big bang, todo se desataba instantáneamente. Las condiciones iniciales son desconocidas para la física actual. El universo posteriormente evolucionó en partículas que eran distintas (es decir, fermiones). Además, los mensajeros (es decir, los bosones) los unirían pero preservarían su distinción.

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

En este universo había luz, manifestándose como el fotón el mensajero de la fuerza electromagnética. Había otros mensajeros, como el gluón, el mensajero de la fuerza fuerte. Los gluones unen a los bariones (es decir, protones y neutrones) en el núcleo de los átomos. Los fotones unen el núcleo con un leptón cargado (es decir, electrones). Había fuerzas en este universo que lo unían a todos (bosones) y había cosas que unir (fermiones). Por lo tanto, siempre ha existido un tipo primitivo de modularidad. El primer principio de modularidad: hay algo que se une y algo que se debe unir. El enlace crea identidad e interacción.

Este universo desatado engendró el tiempo. El universo, que originalmente estaba vinculado, siempre ha permanecido conectado después del Big Bang. El principio holográfico y el entrelazamiento cuántico revelan esta conexión. Es a través de este enredo que surge la fuerza entrópica de la gravedad. La gravedad le da al espacio-tiempo su curvatura y, por lo tanto, cualquier forma, ausencia de uniformidad, el tiempo se vuelve observable. El tiempo es una consecuencia de la entropía y la entropía es cómo nos hacemos conscientes del tiempo. El segundo principio de modularidad: el universo evoluciona en la dirección de una entropía superior.

La gravedad es la fuerza que siempre une las partículas con la masa (se conjetura que la masa está unida por el bosón de Higgs). A través de esta fuerza, nacen estrellas y se forman galaxias. Las estrellas se consolidan a través de la gravedad y se encienden con energía como resultado de la fuerte fuerza nuclear. Esto crea el plasma que es un catalizador para la creación de elementos más pesados. El tercer principio de modularidad: un medio con características fluidas impulsa la experimentación y, por lo tanto, la innovación.

Finalmente, algunas estrellas con suficiente masa colapsan y explotan en una supernova. Este es el resultado de la competencia entre la gravedad y las fuerzas nucleares. Esta explosión de supernova fusiona aún más átomos más pesados ​​y todos estos elementos más nuevos se dispersan en el cosmos con la destrucción de la estrella. Los subproductos de una supernova son los elementos de la tabla periódica. Es lo que forma los planetas y la tierra en la que vivimos. Toda la vida es consecuencia de las estrellas que mueren. Somos "cosas estrella" según Carl Sagan. La destrucción conduce a la creación. El cuarto principio de modularidad: las fuerzas competitivas conducen a la destrucción que luego conduce a nuevas creaciones compuestas.

Hasta ahora, solo he escrito sobre fuerzas que se unen. Esa es la gravedad, la fuerza fuerte y la mitad de la fuerza electromagnética. Hay fuerzas que también repelen, diferentes cargas repelen y la fuerza débil conduce a la desintegración radiactiva de los átomos. Se puede argumentar que un universo como el nuestro puede existir sin la fuerza débil. Sin embargo, el efecto de repeler cargas similares es esencial para la riqueza de la interacción en el universo. No todo se une, existen restricciones que impiden la unión. Los elementos más pesados ​​están restringidos a las combinaciones posibles en la mecánica cuántica. El quinto principio de modularidad: la vinculación es selectiva e impulsa la adecuación de un contexto.

El material de las estrellas, miembros de la tabla periódica de elementos, crea nuevas formas de interacción entre diferentes elementos. La combinación de elementos en moléculas es una consecuencia de la mecánica cuántica. La tabla periódica de elementos está estructurada para reflejar la capa de valencia más externa del átomo que influye en los enlaces químicos. El sexto principio de modularidad: los componentes compuestos conducen a interacciones más ricas y mayores posibilidades.

La química conduce a compuestos más complejos. Agua, H2O es un ejemplo de un compuesto que tiene la propiedad emergente de que a cierta temperatura se exhibe como un líquido. Los líquidos forman el ambiente que facilita la recombinación. Aquí la naturaleza ha redescubierto el líquido que se encuentra en los núcleos de las estrellas. La fluidez es el sustrato de la experimentación y, por lo tanto, de la innovación. La fluidez del agua crea las condiciones para un mercado de comercio e interacción entre compuestos complejos.

Los elementos pesados ​​que exhiben oportunidades más ricas para la interacción, participan más a menudo como constituyentes de compuestos complejos. El carbono y finalmente el silicio, ambos elementos del grupo 6 en la tabla periódica, exhiben una adaptabilidad intrínseca que fomenta la construcción de compuestos más complejos. Toda la química orgánica es una consecuencia del carbono. El carbono puede formar cuatro enlaces diferentes con otros elementos, lo que permite más interacciones con otros elementos y consigo mismo para formar una gama más rica de compuestos. Las cosas que son intrínsecamente adaptativas se vuelven más prevalentes simplemente debido a la probabilidad (ver: Adaptación disipativa). El séptimo principio de modularidad: la adaptabilidad intrínseca conduce a la utilidad que conduce a la ubicuidad.

La química orgánica consiste en moléculas que pueden reaccionar de formas aún más diferentes que los compuestos. En la siguiente infografía, se espera que cada grupo funcional reaccione de manera similar. Las moléculas más complejas pueden consistir en más de uno de estos grupos y, por lo tanto, pueden interactuar de una manera que es una explosión combinatoria de estos grupos. La naturaleza, en forma de química orgánica, ha recreado nuevamente nuevas formas de interactuar y unir componentes.

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

Esta rica diversidad en la química orgánica todavía no te lleva hasta los seres vivos. Aparentemente, la base de la vida orgánica en la tierra requiere aminoácidos, los componentes básicos de todos los organismos vivos. El origen exacto de cómo la química orgánica conduce a los aminoácidos aún está sujeto a investigación. Conectemos una teoría reciente de cómo la vida surgió de la materia orgánica. Jeremy England tiene una propuesta conocida como "Adaptación Disipativa", básicamente explica cómo las regularidades de la energía en el medio ambiente hacen que se formen estructuras que estén en armonía con estas regularidades. Como Ilya Prigogine había propuesto, un sistema está lejos del equilibrio, se autoorganiza y desarrolla el orden a partir del caos. Surge una forma de memoria más dinámica y rica (es decir, almacenamiento de información). El octavo principio de modularidad: los componentes adaptativos reducen la entropía al aprender las regularidades del entorno.

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

Hay 20 de estos aminoácidos con una longitud promedio de una proteína de 200 aminoácidos de longitud. Por lo tanto, estas proteínas pueden interpretarse como un lenguaje con combinaciones diferentes de 20²⁰⁰ (es decir, 1.6x10²⁶⁰). La edad del universo en nanosegundos es 4.34x10²⁶, por lo que es obvio que no se han explorado todas las combinaciones de aminoácidos. No es necesario buscar en todo el espacio de posibilidades para encontrar una configuración óptima. El noveno principio de modularidad: la evolución requiere solo lo que es adyacente posible.

Pero, ¿qué hace que los aminoácidos sean tan valiosos en la creación de la vida? Resulta que las proteínas tienen una capacidad descubierta recientemente. Las proteínas pueden actuar en conjunto como los líquidos. Los átomos requerían plasma de alta energía para impulsar la innovación. Los compuestos complejos requieren agua para impulsar la innovación. Las proteínas crean de manera equivalente su propio entorno fluido necesario para impulsar el intercambio y, por lo tanto, la innovación.

Los otros dos tipos de biomoléculas que se encuentran en la vida son los lípidos y el ácido nucleico. Lípidos grasos que forman las membranas de las células. Esta es una extensión del primer principio. Siempre hay algo que encapsula y aísla a una entidad de su entorno. Las instrucciones para crear proteínas (cadenas de aminoácidos) están codificadas en ácido nucleico en forma de ADN. Evolution descubre un mecanismo para codificar un conjunto de instrucciones que trasciende la vida útil de cada forma de vida individual. El décimo principio de la modularidad: la codificación robusta resistente a errores preserva el aprendizaje a lo largo de la vida útil de los componentes.

Antes de la evolución del ADN, la permanencia era consecuencia de la disponibilidad y la adaptabilidad. Es decir, lo que era más generalizado eran entidades que eran simplemente menos complejas e intrínsecamente adaptables. La codificación robusta replica máquinas más complejas y máquinas potencialmente más adaptativas. Cuanto más compleja sea una máquina, es menos probable que pueda conservarse debido a la entropía. Con el tiempo, las piezas que requieren energía para mantenerse eventualmente se deteriorarán. Cuanto más complejo es el sistema, más probable es que una llave inglesa en la maquinaria deje inoperable toda la maquinaria. La vida compleja es poco probable sin la codificación del ADN.

La naturaleza siempre favorecerá a las máquinas más simples y robustas, pero el ADN permite un camino alternativo que trasciende los mecanismos probabilísticos para crear una vida compleja que es altamente improbable. Esto sigue siendo una verdad obvia a pesar de que solo vemos una vida y tecnología en su mayoría complejas en nuestra vida cotidiana. Los microorganismos superan en número a formas de vida complejas en la tierra. El cuerpo humano contiene microorganismos que superan en número a las células humanas en 10 a 1. Un ser humano de 200 libras transporta alrededor de 2 a 6 libras de bacterias que son esenciales para su salud.

Por lo tanto, con aminoácidos, lípidos y ADN, llegamos a un nuevo conjunto de mecanismos de fluidez, encapsulación y preservación que existían en etapas anteriores. Los átomos combinados en plasma, se encapsulan mediante fuerzas electromagnéticas y se preservan mediante la fuerza fuerte. Las moléculas se combinan en el agua, se encapsulan mediante enlaces de carbono y se preservan mediante disipación adaptativa (es decir, fuerzas impulsoras externas). En cada nivel de complejidad evolutiva, hay un medio para la interacción, un límite que media la interacción y un mecanismo que preserva la identidad. Estas tres capacidades conducen a un sistema generativo que denomino Modularidad Generativa.

Uno de los grandes enigmas del estudio de la vida es cómo surgieron los aminoácidos, el ADN y los lípidos cuando cada uno depende del otro. Es un problema de "pollo y huevo". La clave para desentrañar este enigma circular es que antes existía un mecanismo equivalente de mecanismo más primitivo y que finalmente se volvió obsoleto. La evolución ya no necesita mantenerse cerca de las partes que sí requieren.

La célula eucariota, la base de toda vida compleja, es una consecuencia de la simbiosis de otras células procariotas. La mitocondria, la planta de energía, en una célula tiene su propio ADN. Este proceso cooperativo (ver: Endosimbiosis) de asimilar formas de vida separadas que tienen su propia funcionalidad adaptativa única es frecuente en biología. El undécimo principio de modularidad: el aprendizaje novedoso se obtiene mediante la simbiosis del comportamiento complejo que se aprende en diferentes contextos.

Esto nos lleva a este modelo general de evolución:

donde se crean niveles más altos de modularidad a través de presiones competitivas que descubren selectivamente la aptitud y consolidan capacidades a través de la simbiosis cooperativa. Esta es una narrativa que es más rica que la narrativa de la competencia que se encuentra en la "selección natural" de Darwin. La evolución requiere selección para la buena forma física y la cooperación. La cooperación es, de hecho, una consecuencia de lo adyacente posible. La cooperación requiere el descubrimiento de capacidades complementarias y sinérgicas para unirse. Es en cooperación que la evolución conduce hacia una vida más compleja.

Hasta ahora en esta narrativa, revelo cómo el universo está evolucionando hacia una mayor complejidad, pero no he revelado ninguna fuerza que conduzca a este universo hacia una mayor complejidad. Hay un actor desaparecido y misterioso en esta narración. El universo actúa siempre según el principio de menor acción. Dado cualquier contexto, la solución natural (y por lo tanto más probable) que satisfará las condiciones de frontera será la que sea menos compleja. Si interpretamos este principio en términos de modelos, esta es la navaja de Occam vigente aquí. Este es el principio de inducción de Solomonoff que exige una longitud descriptiva más baja para cualquier programa y, por lo tanto, menos complejidad. ¿Qué está impulsando la mayor complejidad?

Veamos el universo antes de cualquier supernova. Ese es un universo con solo átomos de hidrógeno. La gravedad como fuerza entrópica crea una estrella que crea helio y, dada la gravedad suficiente, explota para formar elementos más pesados. ¿Cómo existía este nuevo universo que anteriormente no tenía elementos más pesados? Las leyes constructivas del universo no dicen nada sobre la imposibilidad de elementos más pesados, a pesar de que dichos elementos pesados ​​no existían anteriormente. Ciertas configuraciones son estables (es decir, protones con neutrones) y otras más simples no lo son (es decir, solo protones). No existe una ley que indique que más simple es más probable que más complejo en todos los contextos. Más bien, siempre existirán configuraciones que son más complejas y más estables que las configuraciones simples. Esto es solo una consecuencia del material original con el que está dotado. Es decir, la evolución continúa con lo que es adyacente posible y dentro de ese contexto, lo que es más complejo resulta ser lo que es posible y no algo más simple que es imposible. El duodécimo principio de modularidad: la innovación es contextual, las soluciones complejas o simples están impulsadas por lo que es posible y no por lo que es simple u óptimo.

Un tema común en la evolución es esta noción de constructivismo. Es decir, la evolución avanza en etapas y se construye a partir de etapas anteriores. Cada nueva etapa deriva de las capacidades de la etapa anterior. Sin embargo, las capacidades de la nueva etapa son las capacidades emergentes que no existían anteriormente. Sorprendentemente, las nociones abstractas de modularidad se revelan con cada nueva etapa. Hay patrones de modularidad de la información que se repiten en cada nueva etapa. Existen patrones de modularidad de la información que no existen en las etapas anteriores, pero que se vuelven emergentes con cada nueva etapa.

Ahora que hemos llegado a los componentes básicos de la vida, analizaré cómo esta nueva capacidad de autorreplicación conduce a la inteligencia general.

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

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