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数字生命的简介

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  20世纪80年代,国际上兴起了一股用非生物媒介创造新的生命形式的研究热潮。这种新的生命形式就是所谓“人工生命”(Artificial Life)。对人工生命概念和人工生命其他问题的探讨逐渐形成了一个独立的研究领域。这一研究领域的兴起,引出了有关人工智能、生命科学、认知科学、计算机科学、哲学以及伦理学等方面的许多新问题。这些问题是:人工生命如何定义?人工生命与人工智能的关系如何?人工生命研究包括哪些研究领域?什么是数字生命?数字生命的本质是什么?数字生命研究有何意义?如此等等。以下人们将对人工生命的一个主要研究领域——数字生命的本质及其发展进行分析,以揭示其理论意义和实际意义。

  数字生命的本质是什么呢?数字生命就是人造的生命,而不是由碳水化合物有机形成的自然生命。它是具有自然生命特征或行为的人工系统。数字生命研究是用非生物的计算机媒介来创造新的生命形式,是不是把自然界的生命分解成各个单元。它采用的是一种合成的方法而不是还原的方法。数字生命的开拓者把地球上的生命仅仅看作是具有特定载体的特定生命形式。他们认为完全可以用别的物质(例如计算机)作为载体来构造新的生命形式,赋予其生命的特征,使其具有进化、遗传、生殖等功能。数字生命研究并不是要去“克隆”生命。它只是用计算机媒介去构造或合成生命。简而言之,所谓数字生命研究是指那些以计算机为媒介,以计算机程序为生命个体的人工生命研究。 数字生命思想的诞生据说与一次偶然的事故有关。1975年夏天,兰顿gton)在美国北卡罗来纳州格兰德法瑟山的一次滑翔事故中受了重伤,险些丢掉性命。但正如中国古代的哲人所说:祸兮福之所倚。这次事故催生了兰顿后来称之为人工生命的新学科。在康复过程中,他如饥似渴地博览群书,其范围涉及生物学、哲学、遗传学、数字,甚至包括科幻小说。阅读过程中,兰顿越来越确信,没有什么生命有机体不能在计算机的“温床”中重新创建出来。出院以后,他确定了毕生奋斗的目标:创建与地球上的自然生命相对应的“数字生命”,他把它称之为“硅化生命”。1987年,兰顿组织了首次人工生命研讨会,提出了人工生命的概念。从此以后,人工生命作为一个学科和研究领域开始建立并逐步发展起来([1],pp.41)。

  人工生命研究中的一个重要的研究领域就是数字生命的研究。数字生命的研究目前已有许多重要成果。例如,冯·诺伊曼(von Neumann)等人提出的元胞自动机(Cellular Automata)模型、剑桥大学的康韦wey)编制的“生命”游戏程序,等等。不过,其中最重要的成果应该是托马斯·雷(Thomas.S.Ray)所创建的数字生命。

  托马斯·雷是特拉华大学的教授,是一位博物学家,热带植物学家。他一直在探寻是什么创造了地球上的生命这一问题的答案。由于地球上生命都有同一起源,样本量为1,当时又没有找到外星生命作样本加以比较,难以对地球上生命的必然属性和偶然属性加以区分,星际旅行考察至少在当时看来还不现实。于是,托马斯·雷提出了在计算机上创建不同于自然界生命的数字生命的构想。

  1990年1月9日,世界上第1例数字生命诞生在托马斯·雷的计算机中[2]。他设计的计算机实验是这样的:把关于生命进化的概念引进计算机领域,用数字计算机提供的资源(RAM单元,CPU时间以及操作系统)为数字生命提供一个生存环境。他所设计的数字生命以数字为载体,旨在探索生命进化过程中出现的各种现象、规律以及复杂系统的突现行为。数字生命一方面以计算机程序的形式存在于随机存取存储器(RAM)环境中,另一方面利用中央处理器(CPU)时间来组织其在存储单元中的行为。借助相应的竞争策略,数字生命之间为争夺中央处理器(CPU)运行时间和存储空间而展开竞争。托马斯·雷认为,这种数字生命必须被设计成适合在这样的环境中生存的某种数字代码程序。这个程序能够自复制,而且直接被中央处理器(CPU)执行。不仅如此,它还能够直接触发中央处理器(CPU)的指令系统以及操作系统的服务程序,通过对资源的占有来体现其在进化过程中的优势。

  托马斯·雷设计的数字生命世界叫Tierra。在西班牙语中,Tierra的意思是“地球”。([3],pp115-123)可见,它是类似于人们地球上真实生命世界那样的数字生命世界。在Tierra的运行过程中,随着进化的推进,数字生命种类日益增多,“单细胞”逐渐进化为“多细胞”,形成自己的数字生态环境,同时也出现类似于自然界中物种大爆炸那样的物种爆炸现象。此外,Tierra还能产生对寄生物有免疫能力的特定生物。经过一段时间的进化,还会产生数字社会。这种数字生命世界与真实生命世界之间的相似之处还在于,在真实生命世界中,生命利用太阳获得自己所需的物质和能量,这些自然生命形式在地球的自然环境中诞生,然后不断进化。在Tierra中,数字生命(表现为具有自复制能力的计算机程序的形式)利用计算机的中央处理器时间去组织机器的存储空间。在自然界中,生命逐步进化,为食物、住所、配偶而开展生存竞争。那些留下较多后代的基因型随时间推移而不断增加,群体中适应度低的后代其数量逐渐减少直至灭绝。在Tierra中,数字生命经历同样的历程,这些(表现为自复制程序的)数字生命为争夺中央处理器时间和内存而开展竞争。它们不断变化自身策略以互相利用,那些能够获得更多时间和存储空间的程序可以留下更多的复制品(后代)。在自然界中,生命的生存、进化依赖于自然环境;在Tierra中,计算机的中央处理器和内存构成进化过程赖以进行的物理环境(即赛场)。在自然界中,生命由碳水化合物有机合成;而Tierra的数字生命由机器的汇编语言编写的自复制程序所组成。因此,Tierra中的生命也就是人们真实生命世界的生命形式的数字版本。换言之,与地球上真实生命相似的各种行为,自然进化中所有的特征,都可以出现在Tierra中。

  不过,数字生命在Tierra中的进化与真实生命的自然进化也有不同之处。那就是这个数字生命的结构不仅载有遗传信息,而且还负责承担生命的代谢活动。而在真实世界中,这两种功能分别由两种不同的结构行使(即分别由DNA/RNA和蛋白质行使)。

  为了防止这些数字生命无端闯入它们所驻留的机器的实际硬件,托马斯·雷对计算机系统进行了设置,使整个Tierra系统在所谓“虚拟计算机”中运行。这就意味着要在真实的计算机内,以软件形式仿真一个计算机来存放Tierra。换言之,托马斯·雷创建了一系列软件指令来模拟一个物理硬件机器的操作。只要涉及真实世界中的计算机,Tierra的数字生命就是数据,与来自字处理器、图形软件包的数据没有什么两样。

  Tierra操作系统决定生物间的通讯、中央处理器时间的分配、内存空间的配置以及其他组成数字生命操作环境的因素。因此,有必要在此讨论它的主要成分:([3],pp.118-121)

  Tierra虚拟计算机所占有的真实计算机内的存储块,被称为“汤”。Tierra的每一“居民”都占有这种汤中的某一内存块。为了防止一个数字生命的活动轻易干扰另一生命体的活动,就要为数字生命提供真实细胞膜的一个同功异质体,从而实现细胞化。Tierra只允许生命本身具有在其内存块上写的特权。也就是说,其他生命体可以浏览任何其他生命体的结构,甚至执行那个生命体的代码,但只有这个生命体本身才可以修改它自身的结构。

  为了使Tierra群体中的每个成员都能在汤中同时开展活动,Tierra操作系统应当并行运行。然而,操作系统依次将中央处理器时间分发给每一个Tierra中的生命,也就成功地模拟了一个多任务处理环境。只要时间片长度小于Tierra生育一代所需的时间,那么这种分时模式就可以很好地模拟线.死亡机制——收割器

  在Tierra中,如果不存在某种类型的死亡机制以便从汤中清除出较老的生命体,自复制的数字生命群体就会最终充满有限的空间。因此,必须要有死亡机制,而实行这个机制的就是收割器。当这种汤填满到某个指定水平(例如80%)时,收割器就开始清除生命体。即收回给它的存储分配,不仅从收割器而且从分时器队列中清除它们。

  数字生命要想进化,就必须有某种方法使其基因组产生变异,并且要有某种办法使这种变异传给后代。在以下两种情况下,可以做到这一点。第一,借助生命体本身的随机突变。表述生命程序的二进制数串的位,以某种固定的速度随机地从0至1或者从1到0翻转。位翻转的结果是阻止任何生命体长生不老。随着生命体自身某些代码的翻转,生命体逐渐突变,走向生命的衰亡。第二,在复制过程中,指令执行的不完善,也可导致随机突变。这时,Tierra生命的行为并不是完全确定的,这种随机突变因而是不可预测的。

  现在,Tierra系统有了空间环境(存储器)、能源(CPU时间),有了资源分配的算法(分时器),有在有限空间内保持有限数量的生命体的死亡机制(收割器),还有进化机制(突变器)。万事齐备,只欠东风,缺的就是一个祖先生物了。

  为了创建一个Tierra祖先,托马斯·雷编写了一个汇编语言程序。它是一段指令长度为80的具有自复制能力的程序。1990年1月的一天,他将这个祖先放入汤中,第二天,Tierra果真生出许多生命体。托马斯·雷惊喜地发现,在上千次计算机换代之后,物种通常呈现出多样性,有不同大小和不同规格,有不同寿命,不同的生态关系(独立性、寄生、共生等)。他还发现,在捕食者存在的场合,物种可能进化得更快,因为捕食者要取代被捕食者得到相对优的“解”或局部最大量的位置,必然要与之激烈竞争,这就促使了它们更快地进化。

  在合成数字生命的过程中,Tierra中出现的进化“跳跃”是很有意思的。数字生命经过许多代的缓慢进化或者沉寂之后会出现突变,这使人想起渐成论与灾变论之争。这种进化“跳跃”也像士兵的一生,长时期单调乏味的生活,间或点缀惊心动魄的突然事变。托马斯·雷通过计算机实验表明,沉寂(静止)只是表面现象,外部不可见的遗传变异逐渐积累,达到“临界量”(Critical mass)就必然导致表现型的突变。

  尽管托马斯·雷的最终目标是制造新的生命。但他宁愿把数字生命的研究称作“合成生物学”(Synthetic Biology)。他并不打算合成新的碳基生物,也不打算考虑新的生物化学。在他看来,生物化学的代谢作用只是生命存在的必要条件,不是生命的本质属性,生命系统应该定义为“自复制的,可以不断进化的”系统。他在“人工生命的合成方法”一文中描述的生命以及在互联网中传送的“数字存储”(Digital Reserve)所植根的生命体都满足这些生命标准([3],pp.111-145)。因此,托马斯·雷声称这些计算机物种可以称之为生命,甚至计算机病毒也是有生命的(假如它能进化的话)。不过,由于自然界的病毒依赖非滤毒细胞而生殖,许多生物学家否认它们是活的有机生命,因而并不认为计算机病毒也是有生命的。

  托马斯·雷认为,运用软件技术在计算机上创建数字生命可以分成两种类型:一是生命过程的模拟;二是生命过程的例示(instantiation)。其对应的创造物可以叫做模拟生命和合成生命([4],pp.29-60)。生命过程的计算机模拟首先要建立所研究生命体的结构或进化的计算模型,并把它转变为程序在计算机上运行,然后将获得结果与观察或实验所得的结果进行比较,以达到对原型——所研究的生命体——的认识。早期运用计算机模拟方法研究生命现象,常常是通过建立支配所研究的生态系统或生物群落的微分方程来实现的;而新的自底向上的模拟方法则创造一个数据结构的群体,其中数据结构的每个实例对应于单个实体。这些结构包含个体状态的变量,而规则决定个体之间以及它们与环境的相互作用。一旦模拟开始实施,这些数据结构的群体便依据局部规则发生相互作用,结果系统的整体行为就从这些相互作用中涌现出来。第二条途径是生命过程的例示。在模拟中,创建的数据结构包含表示被模拟实体状态的变量,这样,计算机中的数据被看作是对某些真实事物的表征。而在例示中,计算机的数据并不表示其他任何事物,也就是说,例示中的数据模式被认为是具有自身品格的生命形式,而不是任何自然生命形式的模型。因此,数字生命例示的基本目标之一是把生命的自然形式和过程导入计算机这样的人工媒介,于是就产生了非碳基的数字生命形式。不过,在这样做时,人们需要通过研究有机生命的进化来获取思想和技术手段,但并不是迫使数字媒介对有机世界做出非自然的模拟。应该记住的是,一个新的例示并不是有机的,它在许多基本的方面与有机生命不同,例如,有机生命驻留在欧几里得空间中,而数字生命驻留在计算机存储器的逻辑空间中[5]。

  托马斯·雷关于数字生命和数字生命世界的看法引起了极大的争议。有些人认可他的工作,认为它是理论生物学的有用演练,但不接受他对数字生命所做的强的哲学解释。借用塞尔讨论人工智能的说法([6],3:417-57),他们说,即便弱的人工生命在科学上有价值,强的人工生命也是不可能的。然而,人们认为,托马斯·雷的数字生命模型毕竟是探讨这种可能性的一种大胆的尝试。

  关于合成新的生命形式的怀疑主义基于这样的假定:生命的起源如果不是奇迹,那它几乎就是不大可能的事。要使生命出现似乎要解决许多复杂的细节问题。生命出现的可能性是天文学上的可能性,生命甚至可能是宇宙中只在地球上出现的偶然事件。但是有的人工生命学者指出([7],pp.146-172.),这种怀疑主义观点是站不住脚的。在他们看来,有序状态的出现,甚至生殖的出现,从根本上说不是唯一的、不可预见的,而是复杂系统中必然涌现出来的东西。为了研究有序状态的自发起源,考夫曼(S.Kauffman)考虑了由许多相互作用单元构成的信息处理系统,并用各种不同层次的活力来解释这些抽象定义的系统。考夫曼的数学模型表明,不管信息处理系统开始于何种无序状态之中,这些稳定模式的形成都是不可避免的。正是基因之间的交互作用,才迫使细胞的基因自发地将自己组织成能够在其环境中生存的那种稳定的模式。 第二,人们不应该仅仅把自己所处的自然生态系统看作是真实的实在;如果换一个角度,从计算机和网络所构成的虚拟世界来看,那么数字生命所处的数字生态系统可不可以说是一种实在的呢?看来,数字生命和数字生命世界的出现已经向传统的生命科学、生态学、哲学以及伦理学提出了挑战,创建数字生命的理论意义和实践意义在于:第一,数字生命与自然生命一样遵循着遗传和进化的规律,这就为深入考察生物的进化现象和复杂生命系统的研究提供了一种新的实验手段;第二,数字生命的研究确实在电脑屏幕上展示了许多生命的特征,这就为人们深入揭示生命的本质提供了新的思路和新的研究手段;第三,借助数字生命的研究,可以为自然生命生长发育和进化规律的研究提供计算机模型和计算机网络支持环境。借助数字生命的研究方法,探索人类生殖、遗传、进化的机制,有助于人类的计划生育、优生优育的研究和实施,进而有助于解决物种爆炸、人口爆炸、环境污染等一系列现实问题。

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