在计算机中创造生命可能吗？——兼评《数字创世纪——人工生命的新科学》，本文主要内容关键词为：生命论文,创世纪论文,机中论文,数字论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：Q1—0 文献标识码：A 文章编号：1000—8934(2007)01—0044—05
1 引言
生命是什么？它是如何起源的？看似简单的问题，人类却花了几千年来追问。直到今天，生物学虽然已发生了惊人的革命，人类基因组工程、克隆技术等已经使人类在生命的认识上发生了巨大的变化，但生物学的飞速发展并没有给我们带来更接近生命本质的答案。表面上看，我们已经弄清楚了一些DNA与蛋白质之间错综复杂的关系，生命作为一个整体到底是什么依然没有明确的回答。生命是一团DNA和蛋白质？抑或是一组化学反应？人们无法从这些细节知识中走出，在一个抽象的高度审视它。如同观赏一幅油画，近距离对细节的仔细观察并不能给人带来整体上的美。退后几步，抛开繁琐的细节，却能在大脑中抽象出整体的美。对于生命的理解亦然。然而数百年来科技文明严重的受制于以分析方法为主的西方还原论思想，从思维方式到研究手段都着力于对问题的简化和对细节的解释。无可否认，西方科技文明取得了突出的成绩，但同时也陷入了分析的困境。生物学作为西方科学的一个重要分支，也遇到了同样的问题。如在分子生物、基因工程等微观领域取得重大突破的同时，却面临着如何解释生命作为一个整体为什么会存在以及如何进化的问题。
在这样一个困境下，前沿思想家们开始找寻其他形式的生命，希望站在较高的层次上研究生命现象所应具有的特质和生命到底是什么。人工生命就是在这一努力下产生的新兴的交叉科学。李建会教授和张江博士的新书《数字创世纪——人工生命的新科学》[1] （以下简称《数字》）即对这一交叉科学进行了总结，并在某些问题上做出了深入的研究。目前国外已掀起了研究人工生命的热潮，而国内介绍人工生命的资料却不多，而且大多停留在简单介绍的层面上，缺少自己独到的工作。在这种情况下，笔者能读到《数字》一书甚感荣幸。《数字》不但对人工生命和计算主义作了全面而深入的回顾，并在人工社会、数字生命和计算主义上做了开拓性的研究。该书正是引领读者们逐渐踏上这样一条以整体论为思想渊源的“计算主义”道路。
2 非碳基的生命？——生命如其所能
生物学是以研究地球上以碳为基础的生命现象的科学。近半个世纪以来，生物学在微观层面上取得的巨大成就让人们产生了它能解释一切生命现象的错觉。地球上繁杂的生命都是以碳和水为基础，生物学仅仅是建立在这种特例上，因此它在经验上太受限制而无助于得到一个普遍的生命理论。我们可以想象在宇宙的某个角落存在着一种并不是以碳元素为基本构成的生物，但他们却和地球上的生命共享一个普遍的生命理论。所以，今天的生物学仅仅是地球生命的生物学。我们只有在“生命如其所能（Life-as-it-could-be）”的广泛内容中考察“生命如吾所知（Life-as-we-know-it）”，才会真正理解生命的本质。人工生命正是着眼于这一点，探求普遍存在的生命理论。
人工生命的一个重要思想就是认为：生命的本质在于系统的构成方式以及发展动态，而不是构成系统的具体物质。也就是说，生命可以被视为一种软件，如果将这种软件安装在碳基化学物质系统上，那么就构成了我们所看见的生命形式。如果将这种软件安装在计算机上，那么计算机软件也会展现出活灵活现的生命形态。
正是由于人工生命关注的是构成和动态，所以我们可以抛开生命的硬件而讨论其软件。数字计算机无非是研究软件形式的最好的机器，所以数字人工生命的研究非常关注计算机综合集成的方法。由于计算机上的综合集成可以不受现实世界的束缚，所以人们还可以研究各种可能的生命，而不仅仅是我们见到的生命形式。人工生命的创始人朗顿在那篇人工生命的宣言[2] 中称：“人工生命将教给我们很多有关生物学的知识——很多我们单单通过研究生物的自然产品不可能学到的知识，然而，人工生命将最终超越生物学，进入一个我们迄今还不能给它命名但必须把文化和技术包含在这种扩展了的自然观的领域。”
由于采用了综合集成的方法，人工生命的一个核心特征即是自下而上的“涌现”或“突现”（emergence）。涌现简单来说就是由底层个体之间彼此相互作用，在上层产生极其复杂的整体结构。在人工生命中，研究者致力于底层个体内部结构的构建和个体之间交互规则的设立，系统的整体行为即在这些底层的交互中涌现出来，这种整体行为具有层次结构和永恒进化的特性。涌现现象普遍存在于自然的和人工的复杂系统中，同样在计算机中也普遍存在着涌现现象。计算机中的涌现则具体体现为，程序编制者编写的一些简单的代码却能通过运行而展现远远超过建模者想象的行为。因此，人工生命研究并不是在计算机中再造一个原样的自然界，而是通过发现简单代码与复杂涌现行为之间的关系来认识复杂系统中的普遍规律。
3 数字世界中的生命
生命现象无疑是自然界中最复杂的涌现实例之一。按照现代科学的解释，生命无非是一团分子遵循物理化学规律组成的系统整体，然而这个系统却体现了完全不同于底层的涌现规律。然而，人们很难想象也许得到生命的各种涌现属性可能并不是那么的复杂，因为通过计算机，人们可以通过编写简单的代码就得到类似生命的复杂现象例如寄生、反寄生、合作、军备竞赛、断点平衡、开放式进化等等。《数字》一书中展现了大量人工生命涌现的例子，其中包括一些著名的数字生命世界：Tierra[3],Avida[4],Ameba[5]，特别是作者自主开发的数字世界Autolife。Autolife是在经典数字世界研究基础上，作者对数字生命、开放式进化所做的一次有创意的探索。与Tierra,Avida等数字世界相比，Autolife模型并不需要观察者对模型结构非常了解，它提供了清晰、方便的图形操作界面，系统涌现和进化的结果可以被用户直观地观察到。虽然Autolife在模型结构上比经典的数字世界简单，然而它所涌现出的现象却非常丰富，且意味深刻。基于系统涌现特性的考虑，作者在书中指出，“进化系统必须满足这样的几条性质：①数字生命的自我繁殖能力；②生命可以通过变异而开发出任意的计算功能；③选择的压力通过资源的竞争而自发实现。”作者在充分考虑这三条的基础上，对模型作了大量的简化，在计算机内存中营造了一个虚拟世界，然后让多个运行在内存中的程序作为生命体进行竞争并让竞争获胜的能够自我繁殖。用不了多久，这个小世界中竟然诞生了几百代生命体，它们不断地进化发展并且逐渐出现了寄生、反寄生、组织合作、分裂死亡等等非常复杂的现象。在Autolife世界中，我们观察到许多类似于现实世界的生命现象，观察者可以在这个虚拟平台上建立和改变Agent的行为规则、内部参数、环境变量等，即可实现不同的生命。模型的作者希望在这个并行世界中，观察到不同环境下的数字生命的群体演化规律，得出一些对于真实复杂适应系统的洞察：“①多变的环境有助于系统适应性和复杂性的提高；②不同的环境会造就完全不同的复杂系统的适应性行为[1]”。
遨游的鱼群，飞翔的鸟群，有交流能力的“马姨”①，系统整体的智能并不是在个体上表现出，而是通过一大群智力简单的个体交互群集涌现出来的，人们把这一涌现智能称为群集智能（群体智能），而人工生命虚拟世界则是群集智能最好的实验室。生命本身并不复杂，但一大群人工生命在计算机媒体中运动之后，则出现了活生生的群体行为。Boid即是由美国科学家雷诺尔兹（Craig W.Reynolds）于1985年提出的一种模型来模拟鸟群飞翔的计算机动画。雷诺尔兹通过反复实验发现了只要用3条非常简单的规则就能让计算机中的动画角色Boid“活”起来，而这群Boid的动态行为的确可以和真实世界中的鸟群行为相比拟。更生动的是进化的苍蝇——Efloy程序，在这个苍蝇世界中，苍蝇会由于进化机制而在与同类和异类的交互过程中变得越来越聪明。在Efloy中，每只苍蝇都有自己的能量值，苍蝇在遵循简单的规则情况下，不断地改进自己的行为策略。实验最后只剩下了灰色和绿色两种个体。其中灰色个体的特征是主动进攻型，而绿色个体是喜欢团队合作集体进攻的类型。在慢慢的进化过程中，灰色个体不断地被绿色群体围攻，导致数量不断下降。最后只剩一只灰色个体。这时，绿色群体采用了“欲擒故纵”策略：一大群绿色个体缓慢移动，并不惊动那只灰色苍蝇，只有当灰色苍蝇主动进攻的时候，才一起进攻，将其消灭。这些行为与自然界中的苍蝇行为极其相似。
4 隐喻与类比
按照“生命如其所能”的观点，很多生命过程都可以看作一种软件。人们通过向大自然学习这种软件，从而可以把它用计算机模型模拟出来。进一步，还可以把这种软件移植到其他系统中，从而解决另一个完全不同领域中的问题。
例如，现实世界中蚂蚁群体可以通过不断地与环境交互而找到从巢穴到食物的最短路径。通过在计算机中模拟这种过程，我们可以把蚂蚁觅食这种软件过程抽象成信息素、蚂蚁单元等等计算机程序之间的相互作用。进一步，我们还可以把这些程序独立出来放到其他毫不相干的问题背景中。例如，人们可以用蚂蚁觅食的原理解决优化问题。设一个优化问题为求某数学空间X中的一点x*，它使得定义在X上的一个函数f（x）在x*处达到最小。为了解决该问题，我们可以把m只蚂蚁放进机器中，这些蚂蚁在函数空间中爬来爬去，其中每一点都对应蚂蚁从食物到巢穴的一条路径，那么只要这群蚂蚁按照类似的规律完成蚂蚁和信息素之间的相互作用，就能很自然地发现一条最短的路径，也就是函数f（x）的最小值。《数字》一书详细介绍了用蚁群算法解决函数优化问题的方法。
按照“生命如其所能”的观点，蚂蚁觅食这种软件可以多重实现，那么我们完全可脱离计算机和现实蚂蚁群体。假设让现实世界中的若干机器人扮演蚂蚁的角色，并且要求它们按照同样的相互作用规则进行觅食。那么这群机器人会在有限时间内在城市路网中找到从一点到达另一点的最短路径。因此，从现实蚂蚁到计算机中的蚂蚁再到现实世界的机器人，他们只要遵循同样的微观规则，就能在宏观世界中实现同样的涌现规律。我们可以把这种过程总结如图所示：
图1 计算机仿真中的隐喻与类比
上图说明了这样一个过程：从现实世界的生命现象出发，我们总结出来一系列规律，并可以用计算机模型对这些规律进行建模，得到计算机中的模拟系统。这种建模过程因为从计算、软件、系统的角度出发，因此能够抓住生命现象的本质。进一步，我们便可以将这种抽象出来的软件和过程泛化到更一般的系统中，从而把生命的各种神奇属性赋予其他的系统。
我们将这一过程称为隐喻或者类比，这是一个非常重要的思维方法。在这里，隐喻就是贯穿于多学科、多系统的某种共同的信息处理过程。隐喻也可以理解为一种不同系统之间的相似性，然而这里的相似性不是指静态结构的相似性，而是动态过程的相似性，也就是说某一类动态过程可以在某一个系统中出现，也可以在另外的系统中找到类似的过程。整个人工生命科学就是对现实自然生命系统的一种类比。也即是一种如其所能的生命形态。
5 自创生理论——生命系统理论的统一
人工生命将生命抽象成一种纯粹的软件形态和过程可谓是一个创举，然而这还远没有结束。因为可能的软件非常之多，它们有的构成了我们常见的诸如操作系统、多媒体处理软件等程序。很显然，并不是所有的软件都具有生命。因此，下一个最重要的问题就是，究竟什么样的软件过程才是有生命的呢？为了回答这个问题，《数字》一书在最后一章介绍了“自创生”理论，它可以为解答什么是生命软件的本质提供一种新颖的描述。
Autopoiesis（自创生）理论由两名智利生物学家Maturana和Varela提出，它是一个古希腊词语，“auto”的意思是“自己、自动”，“poiesis”的意思是“创造”或“生产”，因此Autopoiesis可翻译为“自创生”。它把生命看作一个自我创生的系统，即自己生产自己的一个自指系统，思想简洁而深刻[6]。
Maturana和Varela曾提出：“究竟什么是我们区别生命系统和非生命系统的本质原因？”这个问题同样也适用于判断人工生命是否是真正的生命。近半个世纪最普遍的回答是给生命组织提供一个基本特征的列表——例如自我繁殖能力、信息处理能力、碳基化学基础以及核酸结构等等。这种方法的第一个困难在于它完全是一种描述而并不是真正意义上的解释。这种方法确实很有效，尤其当我们对没有争议的生命系统进行观察并关注它们的共性特征的时候。然而，这种技巧恰恰用“生命与非生命的区别”为理由对其自身进行了解释，也就是它仅仅是一种同意反复。因为这种方法并没有定义生命系统所独有的特征，也没有对这种特征如何生成我们所观察到的现象做任何解释。第二，人们不可避免地会对列表的内容缺乏共识。任意两个列表可能包含了不同的特征，并且我们很难验证列表中的每一种特征都是实际必需的，而且也很难验证列表是真正完全的[7]。这就要求有一个超越地球上生命的广义生命理论来对各种生命现象进行解释。
自创生理论则很简洁的认为，生命系统的“活”性来源于系统的主动性，而主动性来源于生命系统内部的因果关系形成的“闭圈（closure）”。一个系统必须满足下面两个条件才能认为是一个自创生系统[7]：
1)组成部分通过相互作用构成一个因果联系的网络整体，部分之间的变化与维持实现了整体的存在；同时，整体的存在又反过来持续地产生组成部分；
2)整体能产生出与它所在的相互作用的背景分离的边界。
为了更清楚的理解自创生系统的含义，我们来分别考察Autolife模型中的组织。Autolife世界中数字生命由大量个体组成，当个体之间由于互补与合作而产生紧密的因果联系的时候，组织的涌现则是不可避免的现象。Autolife中的组织正是由多个因果闭圈构成的一个整体。而作为一个整体存在的组织又会从根本上影响其内部的个体，使得新增的个体满足整体性能的最优。另一方面组织是由大量个体组成的，内部由于错综复杂的相互关系而交织在一起，然而对于外部观察者来说，组织作为高层的个体仍然具有独立的实体意义，具有与外界隔分的边界。它能够利用自发形成的边界把组织这个大个体和它的环境分开。由以上两点可以看出，Autolife中的组织是一个自创生系统。
自创生系统的一个奇妙特性就是：虽然个体决定了整体的存在，但整体一旦诞生，个体就要受到整体的控制，从而变得不再重要。例如在Autolife中，组织中出现了自我修复的现象，一旦组织出现了破坏，整个组织就会通过自发产生组织的部件来修复自己。组织整体具有了某种控制能力，它能给组织中的个体发送命令，让新的生命个体自我增长从而维护它自己作为整体的存在。自创生理论之所以把这类系统称为自创生的，就是因为他们自己把自己创造了出来！
自创生理论给了我们对于生命现象的一个更广泛的解释。它已经从原来的理论生物学渗透到了人工生命，甚至包括法律、宗教等社会科学。它为复杂系统提供了一个合理的理论框架。
6 结语
人工生命的出现并不是偶然的，它与整个科学与哲学发展过程中所遇到的困境息息相关，一方面它给我们带来了一个崭新的看待世界的角度，教我们如何更加透彻的认识世界运作的本质；另一方面，它又给了我们主动创造未来世界的机会，如何在有限的时空中，让信息更高效而灵活地组织起来，再造一个第二自然：一个和谐的、可塑的、柔和的数字世界。在这条充满新奇与艰辛的道路上，《数字创世纪》正是指引我们前进方向的一本好书。
收稿日期：2006—09—27
注释：
① 最早来源于侯世达的《哥德尔、艾舍尔、巴赫——集异璧之大成》一书。一群蚂蚁aunt对应于一只蚂蚁ant，故而翻译成马姨。
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