Modularitas Generatif dan Mengapa Inovasi Alami - Bagian 1

Foto oleh Skye Studios di Unsplash
”Abu alkimia bintang telah muncul dalam kesadaran” - Carl Sagan

Bagi mereka yang cenderung, kita semua mencari narasi holistik dan lengkap yang menjelaskan sifat. Kebutuhan akan interpretasi gestalt terhadap lingkungan kita adalah pendorong kecerdasan umum kita sendiri. Ini adalah tautan yang hilang dalam sistem AI hari ini. Sistem AI paling canggih (yaitu Deep Learning) tidak dapat membangun lapisan abstraksi yang lebih tinggi. Ini meskipun dibangun dari beberapa lapisan yang dimaksudkan untuk menggabungkan representasi dari satu lapisan ke lapisan lainnya.

Di sini saya mengajukan narasi tentang mengapa kehidupan yang kompleks muncul dan mengapa itu adalah narasi yang sama dengan mengapa kognisi umum muncul. Saya akan mencoba narasi yang dimulai juga dengan alam semesta awal dan membangun prinsip-prinsip modularitas sebagaimana diungkapkan oleh alam semesta yang berkembang. Saya telah membahas gagasan ini sebelumnya dalam “Kerja Sama, Persaingan, dan Munculnya Modularitas”, tetapi ada daya tarik yang memikat dari narasi yang dimulai dari awal waktu dan bekerja hingga ke alam semesta yang sadar diri saat ini.

Ini narasi saya.

Di awal alam semesta kita, semuanya terikat bersama dan kemudian dalam satu ledakan besar, semuanya langsung tidak terikat. Kondisi awal tidak diketahui oleh fisika saat ini. Alam semesta kemudian berevolusi menjadi partikel yang berbeda (yaitu fermion). Selain itu, kurir (yaitu boson) akan mengikat mereka bersama tetapi mempertahankan perbedaan mereka.

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

Di alam semesta ini ada cahaya, memanifestasikan dirinya sebagai foton pembawa kekuatan elektromagnetik. Ada utusan lain, seperti gluon, utusan kekuatan yang kuat. Gluon mengikat Baryon (yaitu proton dan neutron) dalam inti atom bersama-sama. Foton mengikat inti dengan lepton bermuatan (yaitu elektron). Ada kekuatan di alam semesta ini yang mengikat semuanya (boson) dan ada hal-hal yang harus diikat (fermion). Demikianlah jenis modularitas primitif selalu ada. Prinsip pertama modularitas: Ada sesuatu yang mengikat dan sesuatu yang terikat. Mengikat menciptakan identitas dan interaksi.

Alam semesta yang tidak terikat ini menghasilkan waktu. Alam semesta, yang semula terikat, selalu tetap terhubung setelah Big Bang. Prinsip Holografik dan keterikatan kuantum mengungkapkan hubungan ini. Melalui belitan inilah gaya gravitasi entropik muncul. Gravitasi memberi lengkungan ruangwaktu dan dengan demikian bentuk, keseragaman yang tidak ada, waktu menjadi dapat diamati. Waktu adalah konsekuensi dari entropi dan entropi adalah bagaimana kita dibuat sadar akan waktu. Prinsip modularitas kedua: Alam semesta berevolusi ke arah entropi yang lebih tinggi.

Gravitasi adalah gaya yang selalu mengikat partikel dengan massa bersama (diperkirakan bahwa massa terikat oleh boson Higgs). Melalui kekuatan ini, bintang-bintang dilahirkan dan galaksi terbentuk. Bintang-bintang bergabung melalui gravitasi dan terbakar dengan energi sebagai hasil dari gaya nuklir yang kuat. Ini menciptakan plasma yang merupakan katalisator untuk penciptaan elemen yang lebih berat. Prinsip modularitas ketiga: Media dengan karakteristik fluida mendorong eksperimen dan inovasi.

Akhirnya beberapa bintang dengan keruntuhan massa yang cukup dan meledak menjadi supernova. Ini adalah hasil dari persaingan antara gravitasi dan kekuatan nuklir. Ledakan supernova ini lebih jauh memadukan atom yang lebih berat dan semua elemen baru ini tersebar ke kosmos dengan kehancuran bintang. Produk sampingan dari supernova adalah elemen dari tabel periodik. Inilah yang membentuk planet-planet dan bumi tempat kita hidup. Semua kehidupan adalah konsekuensi dari bintang-bintang yang mati. Kami adalah 'bintang' menurut Carl Sagan. Penghancuran mengarah ke penciptaan. Prinsip keempat modularitas: Kekuatan kompetitif mengarah pada kehancuran yang kemudian mengarah pada kreasi komposit baru.

Sejauh ini, saya hanya menulis tentang kekuatan yang mengikat. Itu adalah gravitasi, gaya kuat dan setengah dari gaya elektromagnetik. Ada kekuatan yang juga mengusir, berbagai muatan mengusir dan gaya lemah menyebabkan peluruhan atom radioaktif. Dapat dikatakan bahwa alam semesta seperti kita dapat hidup tanpa kekuatan lemah. Namun, efek dari penolakan biaya seperti itu penting untuk kekayaan interaksi di alam semesta. Tidak semuanya mengikat bersama, ada kendala yang mencegah ikatan. Elemen yang lebih berat terbatas pada kombinasi yang dimungkinkan dalam mekanika kuantum. Prinsip kelima modularitas: Mengikat selektif dan mendorong kesesuaian konteks.

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/18/astrophysics-reveals-the-origin-of-the-human-body/#106d9d3b30a5

Benda-benda bintang, anggota dari tabel unsur periodik, menciptakan cara-cara baru interaksi di antara berbagai unsur. Kombinasi elemen menjadi molekul adalah konsekuensi dari mekanika kuantum. Tabel periodik unsur disusun untuk mencerminkan kulit valensi terluar atom yang memengaruhi ikatan kimia (lihat: Prinsip Pengecualian Pauli). Prinsip keenam modularitas: Komponen komposit mengarah pada interaksi yang lebih kaya dan kemungkinan yang lebih besar.

Kimia mengarah ke senyawa yang lebih kompleks. Air, H2O adalah contoh senyawa yang memiliki sifat muncul yang pada suhu tertentu menunjukkan dirinya sebagai cairan. Cairan membentuk lingkungan yang memfasilitasi rekombinasi. Di sini alam telah menemukan kembali cairan yang ditemukan di inti bintang. Fluiditas adalah substrat eksperimen dan inovasi. Fluiditas air menciptakan kondisi untuk pasar perdagangan dan interaksi antara senyawa kompleks

Unsur-unsur berat yang menunjukkan kesempatan lebih kaya untuk berinteraksi, lebih sering berpartisipasi sebagai konstituen senyawa kompleks. Karbon dan akhirnya Silikon, keduanya unsur grup 6 dalam tabel periodik, menunjukkan adaptasi intrinsik yang mendorong pembangunan senyawa yang lebih kompleks. Semua kimia organik merupakan konsekuensi dari Karbon. Karbon dapat membentuk empat ikatan berbeda dengan unsur lain, memungkinkan lebih banyak interaksi dengan unsur lain dan dengan sendirinya membentuk susunan senyawa yang lebih kaya. Hal-hal yang secara intrinsik adaptif hanya mendapati dirinya lebih lazim hanya karena probabilitas (lihat: Adaptasi Disipatif). Prinsip ketujuh dari modularitas: Adaptasi intrinsik mengarah pada utilitas yang mengarah ke mana-mana.

Kimia organik terdiri dari molekul yang dapat bereaksi dengan cara yang jauh lebih berbeda daripada senyawa. Dalam infografis di bawah ini, masing-masing kelompok fungsional diharapkan bereaksi serupa. Molekul yang lebih kompleks dapat terdiri dari lebih dari satu kelompok ini dan dengan demikian dapat berinteraksi dengan cara yang merupakan ledakan kombinatorial kelompok-kelompok ini. Alam, dalam bentuk kimia organik, telah kembali menciptakan cara baru untuk berinteraksi dan mengikat komponen.

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

Keragaman yang kaya dalam kimia organik ini masih belum membawa Anda ke semua makhluk hidup. Rupanya, dasar kehidupan organik di bumi membutuhkan asam amino, bahan pembangun semua organisme hidup. Asal tepat bagaimana kimia organik mengarah ke asam amino masih harus diselidiki. Mari kita sertakan teori baru tentang bagaimana kehidupan muncul dari bahan organik. Jeremy England memiliki proposal yang dikenal sebagai "Adaptasi Disipatif", pada dasarnya ini menjelaskan bagaimana keteraturan energi di lingkungan menyebabkan struktur terbentuk yang selaras dengan keteraturan ini. Seperti yang Ilya Prigogine usulkan, sebuah sistem jauh dari keseimbangan yang diatur sendiri dan mengembangkan keteraturan dari kekacauan. Bentuk memori yang lebih dinamis dan lebih kaya (yaitu penyimpanan informasi) muncul. Delapan prinsip Modularitas: Komponen adaptif mengurangi entropi dengan mempelajari keteraturan lingkungan.

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

Ada 20 asam amino ini dengan panjang rata-rata protein menjadi 200 asam amino. Dengan demikian, protein-protein ini dapat diartikan sebagai bahasa dengan kombinasi 20²⁰⁰ (yaitu 1.6x10²⁶⁰) yang berbeda. Usia alam semesta dalam nanodetik adalah 4,34x10²⁶, jadi jelas bahwa tidak semua kombinasi asam amino telah dieksplorasi. Tidak perlu mencari seluruh ruang kemungkinan untuk menemukan konfigurasi yang optimal. Prinsip kesembilan Modularitas: Evolusi hanya membutuhkan apa yang mungkin terjadi.

Tapi apa yang membuat asam amino sangat berharga dalam penciptaan kehidupan? Ternyata protein memiliki kemampuan yang baru ditemukan. Protein mampu bertindak secara agregat seperti cairan. Atom membutuhkan plasma energi tinggi untuk mendorong inovasi. Senyawa kompleks membutuhkan air untuk mendorong inovasi. Protein secara ekivalen menciptakan lingkungan fluida mereka sendiri yang diperlukan untuk mendorong pertukaran dan inovasi.

Dua jenis biomolekul lain yang ditemukan dalam kehidupan ini adalah lipid dan asam nukleat. Lipid lemak yang membentuk selaput sel. Ini merupakan perpanjangan dari prinsip pertama. Selalu ada sesuatu yang merangkum dan mengisolasi suatu entitas dari lingkungannya. Instruksi untuk membuat protein (rantai asam amino) dikodekan dalam asam nukleat dalam bentuk DNA. Evolusi menemukan mekanisme untuk mengkode suatu set instruksi yang melampaui umur setiap bentuk kehidupan individu. Prinsip kesepuluh Modularitas: Pengkodean yang kuat terhadap kesalahan mempertahankan pembelajaran di seluruh masa hidup komponen.

Sebelum evolusi DNA, keabadian adalah konsekuensi dari ketersediaan dan kemampuan beradaptasi. Yaitu, yang lebih meresap adalah entitas yang tidak terlalu kompleks dan secara intrinsik dapat beradaptasi. Pengkodean yang kuat mereplikasi mesin yang lebih kompleks dan mesin yang berpotensi lebih adaptif. Semakin kompleks suatu mesin, semakin kecil kemungkinannya dapat dipertahankan karena entropi. Seiring waktu, bagian-bagian yang membutuhkan energi untuk bertahan pada akhirnya akan memburuk. Semakin kompleks sistem, semakin besar kemungkinan kunci pas di mesin membuat seluruh mesin tidak dapat dioperasikan. Kehidupan yang kompleks tidak mungkin terjadi tanpa pengkodean DNA.

Alam akan selalu menyukai mesin yang lebih sederhana dan kuat, tetapi DNA memungkinkan jalur alternatif yang melampaui mekanisme probabilistik untuk menciptakan kehidupan yang kompleks yang sangat tidak mungkin. Ini tetap disangkal hari ini meskipun kita hanya melihat sebagian besar kehidupan dan teknologi yang kompleks dalam kehidupan kita sehari-hari. Mikroorganisme melebihi jumlah makhluk hidup yang kompleks di bumi. Tubuh manusia mengandung mikroorganisme yang melebihi jumlah sel manusia hingga 10 banding 1. Manusia seberat 200 pon membawa sekitar 2 hingga 6 pon bakteri yang penting bagi kesehatannya.

Dengan demikian dengan asam amino, lipid, dan DNA kami tiba satu set mekanisme baru untuk fluiditas, enkapsulasi, dan pengawetan yang ada pada tahap sebelumnya. Atom yang dikombinasikan dalam plasma, merangkum melalui gaya elektromagnetik dan melestarikannya melalui gaya yang kuat. Molekul bergabung dalam air, merangkum melalui ikatan karbon dan mengawetkannya melalui disipasi adaptif (yaitu kekuatan pendorong eksternal). Di setiap tingkat kompleksitas evolusi, ada media untuk interaksi, batas yang memediasi interaksi dan mekanisme yang menjaga identitas. Ketiga kemampuan ini mengarah pada sistem generatif yang saya beri label Generative Modularity.

Salah satu teka-teki besar studi kehidupan adalah bagaimana asam amino, DNA, dan lipid muncul ketika masing-masing saling bergantung. Ini masalah "ayam dan telur". Kunci untuk mengungkap teka-teki melingkar ini adalah bahwa mekanisme ekuivalen mekanisme yang lebih primitif telah ada sebelumnya dan akhirnya dibuat usang. Evolusi tidak perlu berada di sekitar bagian yang memang membutuhkan lagi.

Sel eukariotik, dasar dari semua kehidupan yang kompleks, adalah konsekuensi dari simbiosis sel prokariotik lainnya. Mitokondria, pembangkit listrik, dalam sel memiliki DNA sendiri. Proses kerja sama ini (lihat: Endosimbiosis) dari berasimilasi bentuk kehidupan terpisah yang memiliki fungsi adaptif unik mereka sendiri lazim dalam biologi. Prinsip kesebelas Modularitas: Pembelajaran baru diperoleh dengan simbiosis perilaku kompleks yang dipelajari dalam konteks yang berbeda.

Ini membawa kita ke model evolusi umum ini:

di mana tingkat modularitas yang lebih tinggi diciptakan melalui tekanan kompetitif yang secara selektif menemukan kebugaran dan menggabungkan kemampuan melalui simbiosis kooperatif. Ini adalah narasi yang lebih kaya daripada narasi kompetisi yang ditemukan dalam 'seleksi alam' Darwin. Evolusi membutuhkan seleksi untuk kebugaran serta kerja sama. Kerja sama, pada kenyataannya, adalah konsekuensi dari kemungkinan yang berdekatan. Kerja sama membutuhkan penemuan kemampuan pelengkap dan sinergis untuk mengikat. Dalam kerja sama inilah evolusi mendorong ke arah kehidupan yang lebih kompleks.

Sejauh ini dalam narasi ini, saya mengungkapkan bagaimana alam semesta berevolusi menuju kompleksitas yang lebih tinggi, tetapi saya belum mengungkapkan kekuatan apa pun yang mendorong alam semesta ini menuju kompleksitas yang lebih tinggi. Ada aktor yang hilang dan misterius dalam narasi ini. Alam semesta selalu bertindak berdasarkan prinsip tindakan paling tidak. Diberikan konteks apa pun, solusi alami (dan karenanya paling mungkin) yang akan memenuhi syarat batas akan menjadi solusi yang kurang kompleks. Jika kita menafsirkan prinsip ini dalam hal model, ini adalah Occam's Razor yang berlaku di sini. Ini adalah prinsip induksi Solomonoff yang menuntut panjang deskriptif yang lebih rendah untuk program apa pun dan dengan demikian kompleksitasnya lebih sedikit. Apa yang mendorong kompleksitas yang lebih tinggi?

Mari kita melihat alam semesta sebelum supernova apa pun. Itu adalah alam semesta hanya dengan atom hidrogen. Gravitasi sebagai gaya entropik menciptakan bintang yang menciptakan helium dan diberi gravitasi yang cukup, meledak untuk membuat elemen lebih berat. Bagaimana alam semesta baru ini ada yang sebelumnya tidak memiliki unsur yang lebih berat? Hukum konstruktif alam semesta tidak mengatakan apa pun tentang ketidakmungkinan elemen yang lebih berat, meskipun elemen berat seperti itu tidak ada sebelumnya. Konfigurasi tertentu stabil (yaitu proton dengan neutron) dan yang lebih sederhana tidak (yaitu hanya proton). Tidak ada hukum yang lebih sederhana lebih mungkin yang lebih kompleks dalam setiap konteks. Sebaliknya, akan selalu ada konfigurasi yang lebih kompleks dan lebih stabil daripada konfigurasi sederhana. Ini hanyalah konsekuensi dari bahan asli yang Anda miliki. Yaitu, evolusi berproses dengan apa yang mungkin terjadi dan dalam konteks itu, apa yang lebih, kompleks terjadi pada apa yang mungkin dan bukan sesuatu yang lebih sederhana yang tidak mungkin. Prinsip kedua belas dari modularitas: Inovasi adalah solusi kontekstual, kompleks atau sederhana didorong oleh apa yang mungkin dan bukan apa yang sederhana atau optimal.

Tema umum dalam evolusi adalah gagasan tentang konstruktivisme ini. Itu adalah evolusi hasil secara bertahap dan dibangun dari tahap sebelumnya. Setiap tahap baru berasal dari kemampuan dari tahap sebelumnya. Namun, kemampuan tahap baru adalah kemampuan muncul yang tidak ada sebelumnya. Anehnya, gagasan abstrak modularitas mengungkapkan diri mereka sendiri dengan setiap tahap baru. Ada pola modularitas informasi yang berulang sebagai setiap tahap baru. Ada pola modularitas informasi yang tidak ada pada tahap sebelumnya tetapi menjadi muncul dengan setiap tahap baru.

Sekarang setelah kita tiba di balok-balok dasar kehidupan, saya akan membahas bagaimana kemampuan mereplikasi diri yang baru ini mengarah pada kecerdasan umum.

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

Jelajahi Pembelajaran Jauh: Intuisi Buatan: Revolusi Pembelajaran Jauh yang Mustahil