Wednesday, 30 November 2011

Intelligent Design: pro et contra

Recently I have been closely following the debate on I just thought it would be a good idea for me to come up with my summary of it. I hope it could be useful to others.

That blog is one of very few outlets for a fair debate between  evolutionists and those who are for various reasons not happy with evolutionism, in particular supporters of Intelligent Design. I must say there are some commenters from both sides whose reasoning is particularly strong. This is why I think this blog is interesting.

The debate is around a new theory, the theory of Intelligent Design, which maintains that under some conditions it is in principle possible to infer to purposeful design via intelligent agency just by analysing the structure of a given object (regardless of any particulars of the design process). 

What follows is my own interpretation of the debate on the blog. I will try and present it from two different points, the religious/philosophical (because I am Orthodox Christian, I will naturally found my position on Christian thinking), and the scientific.

    Philosophical/Religious Arguments in Favour of ID

    So Intelligent Design. One can only welcome the presence of theories alternative to the ubiquitous evolutionism. Due to the nature of scientific investigation, science per se should be blind towards the motivations of particular scientists. The only important criterion is, in the end of the day, the quality of theories proposed to explain experimental data. The fair pursuit of scientific truth can never be adversely affected by the presence of competing theories. Theories that are flawed or those lacking generality will eventually go away themselves. However, in official science and education today there is a strong prejudice against anything that goes contrary to the naturalistic mainstream thought which is understood in a utilitarian way as a means not to "let a divine foot in the door of science". This bias reaches the point of ideological censorship, which, in my opinion, violates the  freedom of scientific thought. Hidden ideological agendas are capable of hindering science. This situation brings back memories of the Soviet years when every scientist in the USSR was obliged to do science in agreement with "the only true" Marxist-Leninist teaching whatever the field of their professional interests, even mathematics or chemistry. Of course, today there is hardly anyone who speaks about this teaching in earnest. However, one has to think hard about how to avoid such ideological bias in future. Perhaps those scientists who live and work in countries which never experienced harsh ideological censorship as yet, should take this warning seriously.

    As far as I am concerned, I can see nothing wrong in evolution per se. Obviously, we can speak about the evolution of a system over time meaning its dynamic behaviour. But not only that. I think  that it can still be legitimate  scientifically to speak about evolution in a more precise sense as about the development or manifestation of some hidden properties or properties that were present in the system only potentially up to a certain moment. I can see here nothing that goes against traditional Orthodox Christian thought. One can think that the Creator has imparted  the property of spontaneous self-ordering to matter. As an aside remark, I would wish to avoid using the word self-organisation in this context. I will explain why in a minute. Examples of self-ordering are crystallisation, the chemical clock, formation of stable wave interference patterns such as standing waves and so on.

    However, the acceptance of evolution in principle comes with a few important reservations. First, the question about the limits of self-organisation of matter is open. Indeed, self-organisation understood as spontaneous emergence of formal semiotic relationships between components of complex systems has never been observed to date (in contrast to emergence of redundant low-information regularity of structure which I will refer to as self-ordering following David Abel). ID makes this distinction clear. It introduces a threshold, a measure of specific information content which allows the determination of whether purposeful intelligent agency has been involved in the creation of an object or in the fine-tuning of its parameters. Spontaneous (i.e. without purposeful intelligent agency) generation of specific information content in quantities beyond the threshold value (> 1000 bits) is, according to ID, impossible.

    Secondly, the possibility of self-ordering (spontaneous emergence of regularity in matter) leads us to the question of parameter tuning: is it a mere coincidence that the parameters of our universe allow for the existence of matter in the forms we know,  as well as of C-chemistry or von Neuman replicators?

    There are two very important aspects of Orthodox Christian theology that have a bearing on evolution (in particular, common descent). These are the ecclesiastical teachings (a) about the Person of Jesus Christ and (b) about death. In the Orthodox Christian perspective, the authority of Divine Revelation expressed in Holy Scripture and Sacred Tradition is higher than that of any philosophy or rational thinking including scientific theories. We must not forget that (a) the scientific method itself is necessarily limited: scientific knowledge in the form of theories is constantly being corrected and sometimes partly reconsidered in accordance with the internal logic of scientific investigations; and (b) the scope of rational thinking is also limited as contemporary science itself maintains (cf. e.g. non-computability results by Gregory Chaitin).

    I will not discuss here the validity of revelation in general as a source of knowledge. The only thing I will mention is that science itself can be thought of as a form of revelation. I will also assume for the purposes of this discussion that genuine Revelation exists in principle and is accessible to man. I will leave out the very important question of how we can test what claims to be Divine Revelation for authenticity.

    Whenever we have (perhaps, temporary) contradictions between the revealed religious truth that is not susceptible to change and the constantly corrected scientific big picture, I believe the former should be preferred at the price of having to live with problems for a while.

    Revelation maintains that before the fall man did not know death. But in what sense were we immortal? Was the initial immortality a property of human nature or a state supported by uncreated divine energies  i.e. by grace? There is no apparent consensus between the fathers of the Church on it: some saints have it that man was created immortal by nature, others argue that this immortality was maintained by grace supposing that, in the true sense, immortality belonged exclusively to God. So the first group of the Church fathers were of the opinion that sin was followed by the removal of graceful immortality and, as a result, we became naturally necessarily mortal. The others however thought that death was foreign to human nature. However, all fathers in unison taught that sin was the cause of death entering the universe through man. This is in fact accepted by the Orthodox Church as an axiom of religious experience.

    So death in Christianity follows the fall, a catastrophic event in the beginning of the history of the world, whose  consequences we face even today every moment of our lives and which reflects itself everywhere in the universe (dissipation of energy, local imperfections in bodies as it were superimposed on structure bearing signs of what was then perfect order, e.g. dislocations in crystal lattice). In contrast, evolutionism posits that death is natural in the world and is merely a termination of physico-chemical processes in the organism). Furthermore, death in evolutionism is even necessary. By the relentless logic of Darwinian evolution, less fit life forms must go to leave room for better adapted species. In other words, we have a contradiction in the interpretation of death between mainstream modern scientific thought and Divine Revelation.

    Classical Darwinism also maintains descent of all known life forms from one or several common ancestors. This is also in contradiction with the traditional ecclesiastical perspective, in particular with the teaching about  the Person of Christ. Revelation has it that God put on human flesh and does not say anything positive on whether it follows that God through his incarnation in the Person of Jesus Christ has also put on animal flesh. On the contrary, even though the building blocks of human and animal flesh are the same, human and animal natures are different. In Judeo-Christian revelation there are pointers to a striking difference between the creation of man and the creation of other life. Of course, we do not know how exactly it was done, but while man came into being by some kind of direct mysterious act of creation the other forms of life that preceded him were created indirectly (cf. "Let Us make man in Our image" (Gen. 1:26), and "let the land produce leaving creatures" (Gen.1:24)).

    If we look further, not only Christianity but all known religions have it in common that man bears in himself something divine. I think this commonality alone deserves serious consideration.

    Finally, ID posits that biological systems bear a signature of intelligent agency  and consequently they are not a result of some spontaneous undirected processes. For this reason, in contrast to evolutionism, ID is not in conflict with Orthodox Christian theology.

    Philosophical arguments against ID

    The only philosophical argument I can think of that may appear to be against Intelligent Design theory is its central claim itself, i.e. the scientific inference to design as the cause of life. Strictly speaking, ID does not infer to the existence of God because it does not claim it can say anything definite about the properties of the intelligent designer (or designers) nor about any characteristics of the design process. It seems that it logically follows that if our designer is in fact the Creator of the universe, we have a scientific means to prove that God exists. This apparently contradicts the basic principle of freedom of religious faith: why am I to be judged if I had a smaller chance to believe than somebody else? To believe or not to believe should be a free choice unbiased by scientific or any other consideration by way of reasoning and consequently it should be an act of our heart rather than mind. If we develop this consideration a bit further, we will see that a scientist proficient in ID has a fairer chance to believe than someone blissfully unaware of the intricacies of this theory, which may appear to be a violation of the principle of fairness. But on the other hand, we all live in different conditions, some of us are richer than others, some better educated or may have been less exposed to various sorts of evil in childhood, etc. And all this does not free us from the final judgement in principle.  

    Scientific arguments in favour of ID

    1. Irreducible Complexity

    Scientific advances over the entire 20-th century have lead to a better understanding of what is going on at the ground - biochemical - level of life. Biochemical evidence suggests the legitimacy of what is known as irreducible complexity of life, a holistic view that life is only explicable as a combination of many tightly integrated components (which is in a sense to say that the whole is greater than the sum of its parts). In contrast, classical evolutionism is reductionistic, although there exist holistic evolutionist paradigms. Consider DNA for example.

    It is known that DNA is a code for protein synthesis. Protein domain functionality is discrete in principle notwithstanding the possibility of functional exaptation (e.g. through gene duplication). Empirical evidence suggests that the feasibility of such functional switches is tightly limited (see the works of D. Axe, A. Gauger, M. Behe and others). In other words, in order to be subjected to natural selection protein must be functional a priori.  These considerations of course remain valid not only in relation to DNA. So irreducible complexity is one of the key characteristics of biological systems.

    Evolutionists keep trying to disprove the generality of this principal point. One of the recent attempts to refute it was by Prof. Ken Miller in relation to the flagellum of E. coli (the archetypal example of an irreducibly complex system). In essence, all such attempts claim that between two different functional states of a  biological system there always is or was in the past a path in its state space. In other words, evolutionism posits that the graph of functional states is by necessity connected. However it may not be the case in general and this claim in its generality is unsupported. On the contrary, control theory suggests that, in the general case, the sets of functional states form isolated islands in the configuration space. It is important to realise that homeostasis is made possible through multiple dynamic equilibrium adjustment and regulation mechanisms which necessitate parameter tuning and control. The notion of irreducible complexity in algorithmic complexity theory is conceptually the same as the biological one (see the works by Gregory Chaitin on the halting probability of a random program of a given length). It also has analogies in engineering denoting phenomena brought about by a compound action of several factors such as resonance, and in set theory (see maximal sets), to name a few.

    On another point, evolution presents an explanation of modification of existing functionality rather than of emergence thereof. The central point of debate is therefore whether evolution can generate large amounts of biological information. Evidence suggests that large quantities of information can be generated by organising and controlling processes aimed at achieving a goal. In contrast to this, evolution does not have a goal and it claims that all biological diversity is a result of an unguided process and is a side effect of adaptation.

    Irreducible complexity in biology suggests that life can (and I believe should) be considered as a given. It is very likely that it cannot be 'mechanically' reduced to physics and chemistry as was noted by Niels Bohr decades ago. I am not advocating here for something like vitalism. The origin of life may well present a case where there cannot be an all-encompassing mathematical theory whereby every true fact is true for a reason (see the works of Gregory Chaitin here he argues about the existence of an infinite number of mathematical truths that cannot be logically proven).

    2. Discrete Nature of Information Transfer and Processing Systems

    It is symptomatic that some evolutionist commenters on the blog refuse to consider information transfer/processing systems as discrete and semiotic. Evidence suggests however that in any such system including living organisms there are three different components that are always represented by different material entities:
    • input signal from the source; recorded information is actualised in the form of specific patterns of matter;
    • output signal out of the receiver;
    • the encoding/decoding protocol that materialises the relationship between the material object the information is about and its informational representation. 
    Commenters on the blog present a nice example of recorded information, the music box, a device producing musical sounds by the use of pins placed on a revolving cylinder/disc which pluck the tuned teeth of a steel comb. Information comes in the system as a pattern of pins on the cylinder. The protocol sets the physical correspondence between the positions of various pins and the teeth. The output signal is the sequence of sounds of different frequencies. Clearly, the protocol should exist a priori to enable proper functioning of the music box. Similarly, in a conversation the participants' common language acts as the protocol for information exchange. In the same way, the alphabet and the dictionary constitute the protocol for information exchange between the reader and the author of a text.

    Again, these three components are always present and are always different in any information processing system.

    In my opinion, the strongest argument against spontaneous abiogenesis as it stands today and, at the same time, the strongest argument in favour of ID is the absence of any evidence of spontaneous emergence of control as opposed to mere low-information redundant regularity of structure.

    3. Specification + incredibly small probability = signature of purposeful intelligent agency

    In my opinion, this criterion due to William Dembski is a sound scientific method of inference to purposeful intelligence agency in the design of an object (creation or parameter tuning). An archetypal example of design inference is perhaps the bas-relief of Mt Rushmore memorial near Keystone, South Dakota, USA. It complies with the necessary requirements for design inference: (a) a very small probability of the curvatures of the cliff representing the portraits of four US Presidents and (b) the patterns/pictures of the faces of G. Washington, T. Jefferson, A. Lincoln and T. Roosevelt given independently of the bas-relief. For comparison, the neighbouring parts of the same cliff do not have an independently given pattern/specification even though the probability to encounter their geometric form is also very small.

    Mt Rushmore Memorial (USA)
    It is worth noting that the probability of the observed event should be sufficiently small to qualify for design inference and to exclude factors of chance contingency and (or) law-like necessity. This is done by comparing the said probability against what are called universal plausibility bounds (see the works of David Abel) that are obtained by calculating the maximum number of Planck quantum states in the reference system of interest  since the beginning of its existence. E.g. the threshold plausibility in the gamut of the entire universe is 1 out of 10^140 supposing the commonly accepted estimate of the age of the universe since the Big Bang, 14 billion years.

    We often use explanatory filters in practice even without realising it. An explanatory filter is an algorithm that helps filter out certain possibilities in a stepwise manner (see for example the Turing test, coma scales or forensics). The full set of possibilities is {chance contingency, choice contingency, law-like necessity}. A priori filtering out of choice contingency is scientifically illegitimate.

    4. Design is sometimes the best explanation

    Abductively, choice contingency under certain circumstances is the best explanation (in the sense of Occam's Razor). An example can be the existence of fine-tuned complex systems; as well as the existence of high-information content multi-part systems with control that allow for formal descriptions of interactions between the components. Spontaneous emergence of such systems has never been observed to date in contrast to emergence of redundant low-information regular structure such as chemical clocks, crystallisation and other spontaneous transitions to order from chaos, which we mentioned earlier.

    5. In the wide sense, ID does not contradict evolution as a principle

    This can be  easily demonstrated by the  existence of artificial systems capable of evolving within varying limits (e.g. expert systems, self-learning algorithms, etc.). However, based on the principles of weak Artificial Intelligence, ID posits that the scope for evolution in such systems is limited by the amount of information initially injected in them . In other  words, such systems are designed to evolve within known limits. Spontaneous generation of sufficient quantities of specific information (500-1000 bits),  according to ID is not possible. This claim presents the theoretic possibility to falsify ID. 

    Scientific Arguments Against ID

    I will mention two arguments that are in my opinion the strongest. The first is the universality of genetic code interpreted as evidence of common descent. The commonly accepted metric of proximity of two given species in terms of common descent is based on genome universality: the higher the common percentage of their genome is, the closer the two species are related to each other. While I do not preclude the possibility of speciation in principle, I believe the combinatorial nature of the above parameter feasibility issues preclude Darwinian formation of high enough taxonomic entities.

    The other serious scientific argument against ID is the apparent absence of implications for further research, i.e. for formulation and testing of further hypotheses and theories based on ID. Therefore I would call ID a methodology rather than a theory at this moment. On the other hand, I believe it is likely that the question of the origin of life, which is where ID and evolutionism are in principal disagreement, we will eventually hit against the wall of mathematical non-computability (see Chaitin's work on the omega, the halting probability of a random program). 

    However, when we think of this carefully, evolutionism does no longer provide any real impetus or entailments as far as actual biological research is concerned. Rather, it provides an ideological background for interpretation of research findings. As such, ID may in the same manner provide an alternative framework and I am sure is capable of injecting enough vigour in research activity. E.g. bioengineering can well be interpreted as ID proof of concept. Indeed, intelligence agency ultimately amounts to heuristic guidance when searching for optimality/feasibility in vast configuration spaces. In addition, intelligence is much more creative as a factor of biological novelty generation than passive adaptation is.

    This post has been published at on December 1, 2011.

    Tuesday, 22 November 2011

    Теория разумного замысла Intelligent Design: за и против

    Первоначальный вариант записки подвергся переработке в результате ее обсуждения в интернете в английском переводе. Автор благодарен модераторам форума за публикацию статьи, а также участникам обсуждения.

    После нескольких месяцев пребывания на форуме мне захотелось немного систематизировать все, что я вынес оттуда на сегодня. Надеюсь, это окажется кому-нибудь полезным.

    Форум этот - едва ли не единственная серьезная отдушина для тех, кого по каким-либо причинам не удовлетворяет эволюционизм. Среди участников форума есть как приверженцы ID, так и эволюционисты. Надо сказать, что несколько комментаторов, как с той, так и с другой стороны, выделяются особенно сильной научной аргументацией. Этим-то данный блог и интересен.

    Ниже я попытаюсь рассмотреть вопрос с точки зрения религиозно-философской (для меня как для православного христианина естественно будет опираться в этом вопросе на Христианство), так и с научной.

    Философско-религиозные "за"

    Итак, разумный замысел. С точки зрения философской и религиозной существование теорий, альтернативных всепроникающему эволюционизму, не может не радовать. Тем более, что в науке и в образовании сегодня повсеместно наблюдаются нездоровые тенденции цензурирования на предмет соответствия любых теорий научному натурализму, понимаемому утилитарно в смысле "не пущать божественной ноги на порог науки". При этом нарушается сам принцип внутренней свободы научных исследований. Мне это напоминает наше недавнее прошлое с его "единственно верным" марксистско-ленинским учением, о котором  теперь мало кто в науке говорит всерьез. Это наводит на серьезные размышления, только в другой плоскости: как не допустить, чтобы что-либо подобное повторилось. И вот теперь эволюционизм.

    Для меня нет ничего неприемлемого в эволюции как таковой. Можно, разумеется, говорить о эволюции определенной системы как о ее поведении во времени. Но не только. Думается, вполне возможно говорить об эволюции и в более точном смысле как о развитии, раскрытии качеств, до определенного момента имевшихся в системе лишь потенциально. Здесь я также не вижу ничего противоречащего  святоотеческому Православию. Можно полагать, что материя наделена Творцом возможностью спонтанно самоупорядочиваться. Замечу, что мне бы не хотелось употреблять в этом контексте слово "самоорганизация". Позднее я скажу почему. Примерами самоупорядочивания являются: кристаллизация, химические часы, образование устойчивой интерференционной картины (стоячих волн) и т.д.

    Однако справедливости ради необходимо тут же сделать несколько важных оговорок на счет эволюции. Во-первых, вопрос о границах возможности самоорганизации материи является открытым. Действительно, самоорганизация материи, понимаемая как спонтанное установление формальных семиотических связей между компонентами достаточно сложных систем нигде до сих пор не наблюдалась (в отличие от простого самоупорядочивания). ID делает это различие введением некоего порогового значения, меры информационной специфичности объекта, по которой можно заключить о том, принимал ли участие интеллект в его создании или настройке его параметров. Спонтанная (без участия интеллектуального агента) генерация достаточно большого количества специфической информации (> 1 Kбит), согласно ID, не может иметь места.

    Во-вторых, осмысление самого феномена спонтанного упорядочивания неизбежно приводит к вопросу о тонких настройках: о возможности возникновения C-химии, репликаторов фон Неймана и пр.

    С точки зрения православного богословия главными вопросами, которые необходимо осмыслить в приложении к возможности эволюции (общего происхождения) являются вопросы христологии (церковного учения о Личности Иисуса Христа) и о смерти. Для православного христианина авторитет Откровения, выраженного Священным Писанием и Священным Преданием, безусловно выше, чем авторитет какой бы то ни было иной философии, в том числе рационалистических научных построений. К тому же, научные представления необходимо являются ограниченными: они систематически уточняются, подвергаясь корректировке или пересмотру в соответствии с внутренней логикой научного метода.

    Таким образом, при возникновении (временных) противоречий между откровенной религиозной истиной, не подверженной изменениям, и постоянно уточняющейся научной картиной мира, предпочтение должно быть отдано первой в ущерб второй.

    Откровение свидетельствует о том, что человек до грехопадения пребывал в состоянии бессмертия. Но в каком смысле следует понимать это бессмертное состояние: было ли первоначальное бессмертие свойством человеческой природы или даром, поддерживавшимся нетварной божественной энергией (то есть благодатью)? В этом вопросе у свв. отцов нет согласия (заметим, что этот вопрос и не догматизируется): одни святые отцы говорят о бессмертии человека по природе, другие - по благодати, полагая что бессмертным по природе является лишь Сам Бог. Таким образом, одни отцы считали, что грех повлек за собой отъятие благодатного дара бессмертия и человек стал по необходимости смертным, другие утверждали, что смерть оказалась привнесенной в человеческую природу грехом. Однако и те, и другие согласно учили о том, что именно с грехом смерть вошла во вселенную. И именно это принимается Православной Церковью как догмат (аксиома религиозного опыта).

    Таким образом, смерть в Христианстве есть следствие грехопадения, гигантской нравственной катастрофы, произошедшей на заре мира, последствия которой мы вынуждены преодолевать с каждым мгновением жизни и отражающейся на всем мироздании и по сей день (диссипация энергии, локальные несовершенства в строении тел, как бы наложенные на структуру, несущую в себе и сегодня отпечаток былого абсолютного порядка - например, дислокации в кристаллической решетке). Эволюционизм же утверждает, что смерть естественна и является лишь закономерным прекращением физико-химических процессов в теле. Более того, смерть в эволюционизме даже необходима: менее приспособленные к среде виды животных и растений должны по неумолимой логике дарвинизма освобождать место более приспособленным. То есть по вопросу о смерти мы имеем принципиальное противоречие между современным состоянием научной мысли и Откровением.

    Далее, эволюционизм утверждает, что имело место всеобщее происхождение живых организмов от одного или нескольких общих предков, что с точки зрения христологии  неприемлемо. Откровение говорит о вочеловечении Бога, но ничего не говорит о принятии Богом в Свою Личность природы остальной твари: между человеком и остальной тварью лежит пропасть иноприродности. Хотя составные части тела человека и животных одни и те же (атомы-молекулы-белки), в иудео-христианском откровении есть указания на непосредственное создание тела человека Богом (как это происходило, конечно, мы не можем сказать), тогда как животные и растения были созданы опосредованно (ср. "сотворим человека по образу Нашему..." и "да произведет земля...").

    Утверждение о том, что человек в себе несет нечто божественное, обще всем без исключения религиям мира. И даже с чисто научной точки зрения пренебрегать этой всеобщностью было бы неосмотрительно. К тому же наука не может проникнуть в область Откровения и чуда: слишком уж груб аппарат науки и, к тому же, требует систематичности наблюдаемого. 

    Утверждение ID о том, что живые организмы так или иначе несут на себе сигнатуру интеллектуального воздействия, а не появились в результате спонтанных процессов, представляется приемлемым с религиозной точки зрения именно вследствие отстутствия принципиальных противоречий между ID и православным богословием по двум указанным вопросам.

    Философско-религиозные "против"

    Единственным спорным моментом теории ID мне кажется сама декларируемая принципиальная возможность научным методом установить, является ли жизнь продуктом интеллекта, хотя, строго говоря, ID ничего не может сказать о том, чей интеллект был задействован в данном случае, а также как это происходило. Получается, что я имею научное доказательство бытия Творца, что, на мой взгляд, входит в противоречие с основным принципом веры: с ее независимостью от научных построений и духовной свободой выбора между верой и неверием. Если идти далее, получим принципиально разные условия для принятия веры ученым и неспециалистом в данной теории. Но если вникнуть в проблему глубже, мы заметим, что и в жизни разные люди находятся в совершенно разных обстоятельствах: одни из нас умнее других, другие, может быть, получили лучшее образование, у третьих здоровье лучше, чем у многих. И все это различие обстоятельств, конечно же, не уничтожает справедливости суда над нами.

    Научные аргументы в пользу ID

    1. Нередуцируемая сложность

    Развитие биохимии в течение всего 20 века уточнило представления о том, что происходит на самом основном уровне жизни - биохимическом. Оказалось, что в биохимии ярко проявляется так называемый эффект нередуцируемой сложности, соответствующий холистскому взгляду, рассматривающему целое как нечто большее суммы его составных частей. Эволюционизм же в принципе является редукционистским. Проиллюстрируем это на примере ДНК.

    Как известно, ДНК представляет собой код для синтеза белковых молекул. При этом функциональность домена белковых молекул либо присутствует, либо отсутствует (ведет себя в принципе дискретно), несмотря на возможность преадаптационных переключений с одной функции на другую (например, с помощью дублирования генов). Опытно установлено, что существуют достаточно жесткие ограничения по возможности преадаптационных переключений белковой функциональности (см., например, работы Дугласа Экса (Douglas Axe), Энн Гейджер (Anne Gauger), Майкла Бихи (Michael Behe) и др.). То есть, для того, чтобы подпасть под действие отбора, белку необходимо изначально иметь функциональность. Данные рассуждения, разумеется, справедливы не только в отношении ДНК. Таким образом, нередуцируемая сложность - одно из характеристических свойств живых организмов.

    Эволюционисты пытаются оспорить это принципиальное положение, утверждая, что между двумя функциональными состояниями сложной белковой системы всегда находится (или находился в прошлом) путь в фазовом пространстве состояний (то есть, что граф функциональных состояний необходимо является связным). Однако это ниоткуда не следует. Напротив, теория управления говорит о в общем случае изолированных областях функциональности в фазовых пространствах. Общим также является вывод о переходе произвольной настроенной системы в состояние хаоса при достаточно больших перемещениях (Hamming distance) в конфигурационном пространстве. Более того, понятие нередуцируемой сложности введено совершенно независимо в алгоритмической теории сложности (см. работы Грегори Шатена (Gregory Chaitin) по вычислению вероятности останова произвольных программ заданной длины), а также имеет аналогии в технике (явления, имеющие место при совместном действии ряда факторов, например, резонанс), а также в математике (maximal sets в теории множеств).

    Таким образом, жизнь вообще может (и, по-моему, должна) рассматриваться как данность, которая не может быть сведена только лишь к физике и химии (о чем говорил еще Нильс Бор). Дело не в том, что мы утверждаем что-то подобное античному витализму. Тут имеется в виду совсем иное. Вопрос о происхождении жизни с точки зрения науки вполне может вообще оказаться математически неразрешимым (non-computability, см. те же работы Chaitin'а, где обосновывается вывод о существовании бесконечного множества математически невыводимых истин).

    2. Дискретный характер систем передачи и обработки информации

    Симптоматичным представляется отказ некоторых эволюционистски мыслящих форумных комментаторов рассматривать процесс передачи и обработки информации в клетке дискретным и семиотическим в своей основе. Действительное же положение вещей требует признать тот факт, что в живых организмах, как и в любой другой системе передачи и обработки информации (СПОИ), раздельно существуют три принципиально важных компонента, всегда представленные материальными объектами/процессами и являющиеся дискретными:

    • сигнал от источника информации, подаваемый на вход (при этом информация представляется в виде особой организации материи, являющейся представлением информации на материальном носителе);
    • сигнал на выходе приемника;
    • а также протокол кодирования/декодирования, осуществляющий отображение между входящим и выходящим сигналом (между поступающей в систему информацией и откликом системы). 
    Один из сторонников ID на форуме для иллюстрации справедливости приведенных рассуждений привел яркий пример записи и считывания записанной информации: музыкальную шкатулку, которая станет бесполезным хламом при рассогласовании расположения иголочек на барабане и пластинок, за которые цепляются иголки, издавая при этом звуки определенных частот. Точно так же, человек, находящийся в Англии и не владеющий английским языком, лишен возможности получать информацию именно из-за отсутствия общего с народом этой страны протокола, т.е. языка. Таким образом, для функционирования СПОИ наличие указанного протокола  является обязательным.

    Самоорганизация предполагает спонтанное возникновение в некоторой системе алгоритма управления, а это уже допускает формальное описание, то есть существование протокола: как работает алгоритм, что поступает на вход, что - на выход. Именно поэтому исследования по возможности абиогенеза представляются мне направленными в никуда. Действительно, гипотеза абиогенеза есть собственно гипотеза о том, что материя может спонтанно порождать не только регулярную структуру, но и управление, что абсолютно нигде и никем не наблюдалось. Поэтому и исследования, ставящие своей целью экспериментальное подтверждение этого предположения, не имеют под собой серьезных оснований.

    Несомненно, материя наделена мощными свойствами, большую часть которых мы, наверное, еще и не знаем, но утверждать, как это делает эволюционизм, что все существующие явления могут выводиться лишь из свойств материи, на мой взгляд, неверно: нужен еще интеллект для настройки параметров и организации управления.

    3. Спецификация + чрезвычайно малая вероятность - сигнатура интеллекта

    На наш взгляд, этот критерий, впервые введенный Уильямом Дембским (William Dembski), представляет собой вполне научный метод определения вероятного участия интеллекта в создании или настройке параметров системы. Хрестоматийный пример: барельеф четырех президентов США, вырубленный в скале (национальный мемориал Mount Rushmore в местечке Кистоун, Южная Дакота). Он обладает указанными характеристиками: чрезвычайно малой вероятностью именно таких, а не иных изгибов скалы, а также отвечает независимо заданным спецификациям (паттернам, шаблонам) - внешностям/портретам  Дж. Вашингтона, Т. Джефферсона, А. Линкольна и Т. Рузвельта. Для сравнения, соседние скалы также характеризуются малой вероятностью именно такой формы, однако не соответствуют каким-либо независимо заданным  шаблонам.

    Мемориал в Южной Дакоте (США)
    Важно отметить, что вероятность заданного шаблона должна быть достаточно мала, чтобы исключить случайность и(или) необходимость (то есть действие какой-либо закономерности) при его генерации. Это делается с помощью сравнения вероятности данного события с так называемыми универсальными порогами правдоподобия (universal plausibility bounds, см. работы Дэвида Абеля (David Abel)), полученными с учетом максимально возможного числа планковских квантовых состояний рассматриваемой системы с момента начала ее существования). Например, пороговое значение вероятности в рамках вселенной составляет 1 из 10^140.

    Мы часто пользуемся экспланационным фильтром на практике, даже не задумываясь над этим (см. например, Тьюринг тест, методику определения степени комы Glasgow coma scale, а также криминалистику), отсеивая шаг за шагом причины наблюдаемых явлений, почему-либо оказавшиеся невозможными. Причины эти берутся из множества: {случай, необходимость, замысел}. Отбрасывание замысла  a priori не легитимно с точки зрения науки.

    4. Замысел - в ряде случаев лучшее из возможных объяснений

    С точки зрения абдуктивной логики, замысел в целом ряде случаев является наилучшим (простейшим по Оккаму) объяснением наблюдаемого. Примеры: тонкая настройка параметров сложных систем, существование систем с иерархической структурой, допускающих формальное описание взаимодействия компонентов. Спонтанное появление таких систем нигде не наблюдалось (в отличие, например, от кристаллизации, химических часов и других примеров спонтанного перехода из хаоса к порядку). Именно поэтому, на мой взгляд, следует терминологически различать самоорганизацию в строгом смысле слова (то есть спонтанное появление иерархической структуры компонентов и такого характера взаимодействия между ними, который в принципе может быть поставлен в соответствие некоторой спецификации) от простого самоупорядочивания. Об этом мы говорили выше.

    5. В широком смысле ID не противоречит возможности эволюции

    Справедливость этого утверждения достаточно проиллюстрировать фактом существования искусственных систем, способных эволюционировать в той или иной мере (например, экспертные системы, самообучающиеся алгоритмы и пр.). Однако, согласно теории ID,  основанной на позициях слабого искусственного интеллекта (weak Artificial Intelligence), возможности развития таких систем всегда ограничены тем количеством информации, которое сообщено им при их создании (настройка на развитие). Спонтанная генерация достаточно больших количеств специфической информации, по ID, не возможна (порог 500-1000 бит) и представляет собой теоретическую возможность фальсификации ID. Приведите конкретный пример системы, в которой бы спонтанно генерировалось как минимум 1 Кбит информации, удовлетворяющей независимо заданной спецификации/шаблону, и Вы, по существу, опровергли ID.

    Научные аргументы против ID

    Не вдаваясь в многочисленные подробности, хотел бы привести лишь два аргумента. Первый является доводом не против ID как такового, но в пользу классической теории эволюции. Я имею в виду существующие научные данные в пользу предположения об общем происхождении всех живых организмов от одного или нескольких предков. Универсальность генетического кода - серьезнейший аргумент в пользу предположения о родственности живых организмов. Действительно, то, что различные организмы обладают общей генетической информацией, может быть поставлено в соответствие с тем, как в предположении теории эволюции происходило образование различных таксономических единиц. По общепринятым на сегодня представлениям, относительно большая общность двух отдельно взятых генотипов  интерпретируется как более близкое родство (более позднее существование общего между ними предка). Тем не менее этот аргумент, строго говоря, нельзя считать аргументом против ID, поскольку теория разумного замысла не противоречит теории общего происхождения, которую нельзя смешивать с классической теорией Дарвина. При этом, на мой взгляд, нельзя недооценивать то, что предположение об общем происхождении (о существовании т.наз. древа жизни) должно быть подкреплено присутствием в отложениях множества переходных форм, причем так, что переходные формы были бы в подавляющем большинстве, если учесть число всех существующих сегодня видов. Этого как раз не наблюдается. Картина складывается в общем и целом качественно иная: внезапное в геологическом смысле появление новых форм жизни, которое либо завершается вымиранием, либо продолжается до настоящего времени. А существование переходных форм вместо доминирующего фактора предстает скорее в качестве исключения.

    Единственным, на мой взгляд, серьезным аргументом против ID является утверждение об отсутствии выводов, наводящих на дальнейшие гипотезы и стандартную проверку их научным методом. Вопрос стоит так: можно ли, не выдвигая конкретных гипотез о источнике интеллектуального воздействия, строить научные предположения и подвергать их систематическому анализу относительно подробностей указанного процесса. На первый взгляд, нельзя. Поэтому я бы предпочел пока не именовать ID теорией, а лишь методологией. Однако и здесь мы, по крайней мере, можем изучать когда, что именно подвергалось воздействию и каков был его конкретный результат (например, относительно подробностей формирования новых генов или новых функциональных доменов белковых молекул). Более важным представляется то, что ID играет роль антитезы в отношении классического дарвинизма, что, на мой взгляд, очень полезно с точки зрения научной полемики. Главное же, как нам представляется, состоит в том, что ID предоставляет исследователям возможность совершенно по-иному взглянуть на биологию, химию и физику, то есть на то, что мы привыкли называть наукой о жизни.

    Friday, 11 November 2011

    Метажизнь: модель метабиологии Грегори Шатена

    Hexbug Nano робот. Источник: 

    Недавно через блог я вышел на работы Грегори Шатена (Gregory Chaitin) по развитию математической теории эволюции. Это замечательные статьи: "The evolution of mutating software" и "Life as Evolving Software". Обе доступны в интернете и представляют собой короткие записки: первая легче для прочтения для неподготовленной в математическом смысле аудитории, чем вторая.

    Главная мысль работ такова. Жизнь моделируется как совокупность эволюционирующего программного кода (evolving software) не более заданной длины. Отдельный организм в данной метабиологической модели содержит одну программу. Соревнование, моделирующее естественный отбор, состоит в том, что каждая отдельная программа выдает на выход как можно большее целое число. Чем большее целое число может быть названо, тем более приспособлен организм к среде обитания. Из теории вычислимости известно, что функция BB(N), соответствующая решению данной задачи с комичным названием проблемы усердных бобров (англ. the busy beaver problem - вообще-то  выражение busy beaver означает "трудяга"), невычислима, то есть растет быстрее любой вычислимой функции. Иными словами, в выборе конкретной программы нахождения большого целого числа имеются неограниченные возможности для творчества. Сама вычислительная машина достигает максимальной степени загруженности процессом вычисления значения функции BB(N0) для фиксированного N0. Единственное ограничение -  размер программы должен составлять не более N бит для универсальной машины Тьюринга (машина немного отличается от общепринятой тем, что включает оракул останова, о чем говорится ниже).

    Мутации представляют собой изменение программ. Точечные мутации представляют собой инверсию/добавление/удаление одного бита. Эволюция моделируется случайным поиском в пространстве программ. Шаг поиска соответствует  мутации программного кода. Критерий поиска - значение целого числа на выходе программы - является моделью степени приспособленности организма к среде обитания (англ. fitness).

    А теперь главное. Естественно, среди возможных программ будут такие, процесс выполнения которых бесконечен (зацикливание). Опять-таки из теории вычислимости известно, что проблема остановки машины Тьюринга является алгоритмически неразрешимой. То есть невозможно указать такой алгоритм А, который бы получал на входе произвольный алгоритм Б и определял бы за конечное число шагов, закончится ли выполнение Б или нет.

    Именно поэтому Шатену был необходим оракул, предсказывающий, а не вычисляющий, приведет ли данная программа (данный метабиологический огранизм) к останову. При отрицательном ответе оракула организм отбрасывается как полностью нежизнеспособный.

    Выбор задачи об усердных бобрах был обусловлен одной из главных проблем моделирования - необходимостью побороть стагнацию, то есть застревание в локальном максимуме (чем выше уровень приспособленности, тем ниже "желание" организма эволюционировать). На каждом шаге поиска, вероятность выбора очередного организма полагалась обратно пропорциональной числу k мутированных битов между ними, точнее как 1/2^k (так определена метрика в данном пространстве поиска).

    Результаты использования модели Шатена таковы.

    • При поиске простым перебором (самый медленный сценарий): число мутаций, необходимых для того, чтобы результирующий организм вычислял BB(N), составляет порядка 2^N
    • При поиске с оптимальным выбором оракулом мутаций на каждом шаге (самый быстрый из всех возможных режимов эволюционирования) число мутаций составляет порядка N.
    • При использовании кумулятивной эволюционной модели (дарвиновской, состоящей в случайном выборе большого числа мутаций одновременно) верхняя оценка числа мутаций, полученная на упрощенной модели Шатена, составляет порядка N^2.  

    Несмотря на то, что O(N^2) - алгоритмически эффективно, с точки зрения времени жизни Земли (согласно общепринятой модели, 4 с лишним миллиарда лет, или около 10^17 секунд), это слишом долго, как и сам Шатен, кажется, признает в лекции, выложенной в Конечно, это верхняя оценка, а не нижняя. В противном случае, можно было бы распрощаться с классической теорией Дарвина навсегда.

    Важно отметить, что Шатен признает, что эволюция (если она имела место, - добавим мы) не является эргодическим процессом, так как поиск параметров реальных биосистем не мог покрыть все пространство состояний за такой короткий промежуток времени в 10^17 секунд. Отсюда вытекает, что единственной достоверной причиной жизни является интеллектуальное вмешательство с целью первоначальной настройки параметров, по крайней мере. А это стандартное в рамках теории Intelligent Design утверждение о необходимости перевода состояния системы (организма) в относительно малые зоны конфигурационного пространства, соответствующие нормальному режиму функционирования (жизнедеятельности).

    В заключение нужно еще раз подчеркнуть необходимость наличия оракула в модели Шатена (для всех трех сценариев, включая тупой перебор). Это интересная деталь, открывшая целую лавину полемики на (см. комментарии посетителей к статье, посвященной работам Шатена). Хотя сам Шатен полагает, что таким оракулом может выступать естественный отбор, это неочевидно. Дело в том, что ни отбор, ни мутации, по всей видимости, не могут сообщить системе достаточное количество функционально специфической информации (functionally specified complex information in digital form, dFSCI), наблюдаемое лишь в живых организмах и в сложных артефактах (см. David Abel "The First Gene"). По определению dFSCI, основываясь на наблюдениях и выводах из теории вероятности и математической статистики, можно практически исключить случайность и/или необходимость как причины возникновения достаточного количества dFSCI. Слово "практически" означает в данном случае невозможность реализации на практике событий, характеризующихся чрезвычайно малой вероятностью. См. универсальный критерий правдоподобия (David Abel, Universal Plausibility Metric and Principle).

    А может быть, все же наличие оракула в шатеновской модели является скрытым признанием невозможности (макро)-эволюции по Дарвину и, соответственно, возможности или даже необходимости интеллектуального вмешательства в реальный процесс жизнедеятельности биосферы?

    Cм. также заметку K.Durston. Scientific Case for Intelligent Design.