Modularité générative et pourquoi l'innovation naturelle - Partie 1

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"Les cendres de l'alchimie stellaire avaient émergé dans la conscience" - Carl Sagan

Pour les plus enclins, nous recherchons tous un récit holistique et complet qui explique la nature. Ce besoin d'interprétation gestaltique de notre environnement est le moteur de notre propre intelligence générale. C’est le chaînon manquant des systèmes d’IA actuels. Les systèmes d’intelligence artificielle les plus avancés (c’est-à-dire l’apprentissage en profondeur) sont incapables de construire des couches d’abstractions plus élevées. Ceci malgré la construction de plusieurs couches destinées à consolider la représentation d’une couche à l’autre.

Ici, je propose un récit expliquant pourquoi une vie complexe émerge et pourquoi c'est la même chose que pourquoi la cognition générale émerge. Je vais tenter une narration qui commence également avec l'univers primitif et construit les principes de la modularité révélés par l'univers en évolution. J’ai déjà évoqué cette idée dans «Coopération, concurrence et émergence de la modularité», mais il existe un attrait séduisant pour un récit qui commence au début des temps et se poursuit jusqu’à l’univers conscient de soi.

Voici mon récit.

Au début de notre univers, tout était lié et ensuite, en un seul Big Bang, tout était instantanément délié. Les conditions initiales sont inconnues de la physique actuelle. L'univers a ensuite évolué en particules distinctes (c'est-à-dire des fermions). De plus, des messagers (des bosons) les lieraient tout en préservant leur distinction.

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

Dans cet univers, il y avait de la lumière qui se manifestait par le photon, le messager de la force électromagnétique. Il y avait d'autres messagers, comme le gluon, le messager de la force forte. Les gluons lient des baryons (protons et neutrons) dans le noyau des atomes. Les photons ont lié le noyau avec un lepton chargé (c'est-à-dire des électrons). Il y avait des forces dans cet univers qui le liaient tous ensemble (bosons) et il y avait des choses à lier (fermions). Ainsi, une modularité primitive a toujours existé. Premier principe de la modularité: il y a quelque chose qui se lie et qui doit être lié. La liaison crée l'identité et l'interaction.

Cet univers non lié a engendré le temps. L'univers, qui était lié à l'origine, est toujours resté connecté après le Big Bang. Le principe holographique et l'intrication quantique révèlent cette connexion. C'est à travers cet enchevêtrement que se crée la force de gravité entropique. La gravité donne à l'espace-temps sa courbure et ainsi toute forme, l'absence d'uniformité, le temps devient observable. Le temps est une conséquence de l'entropie et l'entropie est la façon dont nous prenons conscience du temps. Deuxième principe de modularité: l’univers évolue dans le sens d’une entropie supérieure.

La gravité est la force qui lie toujours les particules avec la masse ensemble (on suppose que la masse est liée par le boson de Higgs). Grâce à cette force, des étoiles naissent et des galaxies se forment. Les étoiles se consolident par gravité et s'enflamment d'énergie grâce à la force nucléaire puissante. Cela crée le plasma qui est un catalyseur pour la création d’éléments plus lourds. Le troisième principe de la modularité: un milieu aux caractéristiques fluides favorise l'expérimentation et donc l'innovation.

Finalement, certaines étoiles ayant une masse suffisante s'effondrent et explosent dans une supernova. Ceci est le résultat de la compétition entre la gravité et les forces nucléaires. Cette explosion de supernova fusionne d’autres atomes plus lourds et tous ces éléments plus récents sont dispersés dans le cosmos par la destruction de l’étoile. Les sous-produits d'une supernova sont les éléments du tableau périodique. C'est ce qui forme les planètes et la terre dans laquelle nous vivons. Toute vie est la conséquence d'étoiles qui meurent. Nous sommes des "stars" selon Carl Sagan. La destruction mène à la création. Le quatrième principe de la modularité: les forces concurrentielles mènent à la destruction qui conduit ensuite à de nouvelles créations composites.

Jusqu'ici, je n'ai écrit que sur les forces qui se lient. C'est la gravité, la force forte et la moitié de la force électromagnétique. Il y a des forces qui se repoussent également, des charges différentes se repoussent et la force faible conduit à la désintégration radioactive des atomes. On peut affirmer qu'un univers comme le nôtre peut exister sans la force faible. Cependant, l’effet de repousser les mêmes charges est essentiel pour la richesse des interactions dans l’univers. Tout ne lie pas ensemble, il existe des contraintes qui empêchent la liaison. Les éléments les plus lourds sont limités aux combinaisons possibles en mécanique quantique. Cinquième principe de la modularité: la reliure est sélective et conditionne l’adéquation d’un contexte.

La matière des étoiles, membres du tableau périodique des éléments, crée de nouveaux modes d’interaction entre différents éléments. La combinaison d'éléments en molécules est une conséquence de la mécanique quantique. Le tableau périodique des éléments est structuré de manière à refléter la couche de valence la plus externe de l’atome qui influence les liaisons chimiques. Sixième principe de la modularité: les composants composites entraînent des interactions plus riches et de plus grandes possibilités.

La chimie conduit à des composés plus complexes. Water, H2O est un exemple de composé qui a la propriété émergente qu’à une certaine température, il se présente sous forme liquide. Les liquides forment l'environnement qui facilite la recombinaison. Ici la nature a redécouvert que le liquide se trouve dans les noyaux des étoiles. La fluidité est le substrat de l'expérimentation et donc de l'innovation. La fluidité de l'eau crée les conditions d'un marché commercial et d'une interaction entre des composés complexes

Les éléments lourds qui présentent des possibilités d'interaction plus riches participent plus souvent en tant que composants de composés complexes. Le carbone et éventuellement le silicium, les deux éléments du groupe 6 du tableau périodique, présentent une adaptivité intrinsèque qui encourage la construction de composés plus complexes. Toute la chimie organique est une conséquence du carbone. Le carbone peut former quatre liaisons différentes avec d'autres éléments, permettant davantage d'interactions avec d'autres éléments et lui-même pour former un tableau plus riche de composés. Les choses intrinsèquement adaptatives se retrouvent simplement plus répandues simplement à cause de la probabilité (voir: Adaptation dissipative). Le septième principe de la modularité: L'adaptivité intrinsèque conduit à une utilité qui conduit à l'ubiquité.

La chimie organique consiste en des molécules qui peuvent réagir de manière encore plus différente des composés. Dans l'infographie ci-dessous, chaque groupe fonctionnel devrait réagir de manière similaire. Des molécules plus complexes peuvent être composées de plusieurs de ces groupes et peuvent donc interagir de manière à constituer une explosion combinatoire de ces groupes. La nature, sous forme de chimie organique, a de nouveau recréé de nouvelles façons d’interagir et de lier des composants.

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

Cette riche diversité en chimie organique ne vous permet toujours pas de vivre. Apparemment, la base de la vie organique sur Terre nécessite des acides aminés, les éléments constitutifs de tous les organismes vivants. L'origine exacte de la manière dont la chimie organique conduit aux acides aminés est toujours sujette à enquête. Laissez-nous brancher une théorie récente sur la façon dont la vie est née de la matière organique. Jeremy England a une proposition connue sous le nom d '«adaptation dissipative». Elle explique essentiellement comment les régularités de l'énergie dans l'environnement provoquent la formation de structures en harmonie avec ces régularités. Comme l'avait proposé Ilya Prigogine, un système loin de l'équilibre s'organise lui-même et développe l'ordre à partir du chaos. Une forme de mémoire plus dynamique et plus riche (c'est-à-dire le stockage d'informations) émerge. Le principe huit de Modularity: Les composants adaptatifs réduisent l'entropie en apprenant les régularités de l'environnement.

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

Il y a 20 de ces acides aminés, la longueur moyenne d'une protéine étant de 200 acides aminés. Ainsi, ces protéines peuvent être interprétées comme un langage avec 20²⁰⁰ (c'est-à-dire 1.6x10²⁶⁰) combinaisons différentes. L'âge de l'univers en nanosecondes est de 4,34x10²⁶. Il est donc évident que toutes les combinaisons d'acides aminés n'ont pas été explorées. Il n'est pas nécessaire de chercher dans tout l'espace de possibilités pour trouver une configuration optimale. Neuvième principe de la modularité: l'évolution ne nécessite que ce qui est possible de manière adjacente.

Mais qu'est-ce qui rend les acides aminés si précieux dans la création de la vie? Il s'avère que les protéines ont une capacité récemment découverte. Les protéines peuvent agir globalement comme des liquides. Les atomes ont besoin d'un plasma à haute énergie pour stimuler l'innovation. Les composés complexes ont besoin d'eau pour stimuler l'innovation. Les protéines créent de manière équivalente leur propre environnement fluide nécessaire pour stimuler les échanges et donc l'innovation.

Les deux autres types de biomolécules que l'on trouve dans la vie sont les lipides et les acides nucléiques. Les lipides gras qui forment les membranes des cellules. Ceci est une extension du premier principe. Il y a toujours quelque chose qui encapsule et isole une entité de son environnement. Les instructions pour la création de protéines (chaînes d'acides aminés) sont codées dans un acide nucléique sous forme d'ADN. Evolution découvre un mécanisme pour coder un jeu d'instructions qui transcende la durée de vie de chaque forme de vie. Le dixième principe de la modularité: un codage robuste, résistant aux erreurs, préserve l’apprentissage tout au long de la vie des composants.

Avant l'évolution de l'ADN, la permanence était une conséquence de la disponibilité et de l'adaptabilité. C'est-à-dire que ce qui était plus répandu était les entités qui étaient simplement moins complexes et intrinsèquement adaptables. Un codage robuste reproduit des machines plus complexes et potentiellement plus adaptatives. Plus une machine est complexe, moins elle est susceptible d'être préservée en raison de l'entropie. Au fil du temps, les pièces nécessitant de l'énergie pour se détériorer finiront par se détériorer. Plus le système est complexe, plus il est probable qu'une clé de la machine rend toute la machine inutilisable. Une vie complexe est peu probable sans codage de l'ADN.

La nature privilégiera toujours les machines les plus simples et les plus robustes, mais l'ADN permet une voie alternative qui transcende les mécanismes probabilistes pour créer une vie complexe hautement improbable. Cela reste un truisme aujourd'hui même si nous ne voyons que la plupart du temps une vie complexe et une technologie complexe dans nos vies quotidiennes. Les micro-organismes sont plus nombreux que les formes de vie complexes sur Terre. Le corps humain contient de 10 à 1 micro-organismes qui sont plus nombreux que les cellules humaines. Un humain de 200 kilos porte entre 2 et 6 kilos de bactéries essentielles à sa santé.

Ainsi, avec les acides aminés, les lipides et l’ADN, nous arrivons à un nouvel ensemble de mécanismes pour la fluidité, l’encapsulation et la conservation qui existaient auparavant. Les atomes combinés dans le plasma, s’encapsulent via des forces électromagnétiques et se préservent via la force puissante. Les molécules se combinent dans l’eau, s’encapsulent dans des liaisons de carbone et se préservent par dissipation adaptative (forces motrices externes). À chaque niveau de complexité évolutive, il existe un moyen d'interaction, une frontière qui médie l'interaction et un mécanisme qui préserve l'identité. Ces trois fonctionnalités mènent à un système génératif que je qualifie de générative.

L’une des grandes énigmes de l’étude de la vie est de savoir comment les acides aminés, l’ADN et les lipides sont tous apparus lorsque chacun est dépendant l’un de l’autre. C’est un problème de «poule et l’œuf». La solution pour résoudre cette énigme circulaire réside dans le fait qu’il existait auparavant un mécanisme équivalent plus primitif et qu’il a finalement été rendu obsolète. Evolution n'a plus besoin de garder les pièces qui en ont besoin.

La cellule eucaryote, base de toute vie complexe, est une conséquence de la symbiose d'autres cellules procaryotes. La mitochondrie, la centrale électrique d'une cellule possède son propre ADN. Ce processus coopératif (voir: Endosymbiose) consistant à assimiler des formes de vie distinctes dotées de leur propre fonctionnalité adaptative unique prévaut en biologie. Le onzième principe de la modularité: le nouvel apprentissage est obtenu par la symbiose d'un comportement complexe appris dans différents contextes.

Ceci nous conduit à ce modèle général d'évolution:

où des niveaux plus élevés de modularité sont créés par les pressions concurrentielles qui permettent de découvrir de manière sélective la forme physique et de consolider les capacités grâce à la symbiose coopérative. C’est un récit plus riche que le récit de la concurrence trouvé dans la «sélection naturelle» de Darwin. L'évolution nécessite une sélection de condition physique et de coopération. La coopération est en fait une conséquence du possible adjacent. La coopération nécessite la découverte de capacités complémentaires et synergiques avec lesquelles se lier. C’est en coopération que l’évolution conduit à une vie plus complexe.

Jusqu'ici, dans ce récit, je révèle comment l'univers évolue vers une complexité supérieure, mais je n'ai révélé aucune force qui pousse cet univers vers une complexité supérieure. Il y a un acteur manquant et mystérieux dans ce récit. L'univers agit toujours sur le principe de moindre action. Quel que soit le contexte, la solution naturelle (et donc la plus probable) qui satisfera les conditions aux limites sera celle qui est moins complexe. Si nous interprétons ce principe en termes de modèles, c’est le rasoir d’Occam qui est en vigueur ici. C’est le principe d’induction de Solomonoff qui exige une longueur descriptive moindre pour tout programme et donc une complexité moindre. Qu'est-ce qui motive la plus grande complexité?

Regardons l’univers avant toute supernova. C'est un univers avec seulement des atomes d'hydrogène. La gravité, en tant que force entropique, crée une étoile qui crée de l'hélium. Sous l'effet de la gravité, elle se gonfle pour produire des éléments plus lourds. Comment ce nouvel univers a-t-il existé sans avoir auparavant des éléments plus lourds? Les lois constructives de l'univers ne disent rien sur l'impossibilité d'éléments plus lourds, même si de tels éléments lourds n'existaient pas auparavant. Certaines configurations sont stables (protons avec neutrons) et certaines plus simples ne le sont pas (protons uniquement). Aucune loi aussi simple n'est aussi probable que plus complexe dans tous les contextes. Au contraire, il existera toujours des configurations plus complexes et plus stables que des configurations simples. Ceci est juste une conséquence du matériel original qui vous a été offert. C'est-à-dire que l'évolution se poursuit avec ce qui est possible de manière adjacente et que, dans ce contexte, de plus, la complexité est tout simplement ce qui est possible et non une chose plus simple impossible. Douzième principe de la modularité: l'innovation est contextuelle, les solutions simples ou complexes sont guidées par ce qui est possible et non par ce qui est simple ou optimal.

Un thème commun en évolution est cette notion de constructivisme. C'est l'évolution se déroule par étapes et est construit à partir des étapes précédentes. Chaque nouvelle étape découle des capacités de l’étape précédente. Cependant, les capacités de la nouvelle étape sont les capacités émergentes qui n'existaient pas auparavant. Étonnamment, les notions abstraites de modularité se révèlent à chaque nouvelle étape. Il existe des schémas de modularité de l'information qui se répètent à chaque nouvelle étape. Il existe des schémas de modularité de l’information qui n’existent pas dans les étapes précédentes mais qui apparaissent à chaque nouvelle étape.

Maintenant que nous sommes arrivés aux éléments fondamentaux de la vie, je vais discuter de la manière dont cette nouvelle capacité d'auto-réplication conduit à l'intelligence générale.

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

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