mns2012

Распознавание дизайна

С философской точки зрения, распознавание дизайна -- это не что иное, как возвратившийся на новом этапе в науку тезис английского философа Уильяма Пейли о возможности при определённых условиях сделать с приемлемой на практике степенью уверенности положительный вывод об интеллектуальном происхождении изучаемого объекта пост-фактум, исходя лишь из анализа его свойств.

Уильям Пейли (1743−1805)

Как и предполагал Уильям Пейли, в некоторых случаях можно сделать вывод об интеллектуальном происхождении конфигураций материи по их характеристикам. Распознавание дизайна применяется в криминалистике, археологии, медицине, социологии, информационных технологиях и, самое интересное, в биологии.

Определения

Дизайном называется конфигурация частиц вещества, напряженности электромагнитного поля, интенсивности излучения и т.д., имеющая интеллектуальное происхождение. Далее без потери общности мы будем говорить лишь о конфигурациях частиц вещества.

Знаковым дизайном называется дизайн, включающий знак, или пирсову триаду (по имени Чальза Пирса, заложившего основы семиотики, науки о знаках):

Токен (репрезентамен) -- языковая единица, выполняющая репрезентативную (обозначающую) функцию. Токенами выступают конфигурации материи, являющиеся триггерами собственной обработки, или интерпретации. Материальный носитель токена интерпретируется знаковым дизайном как обозначающий, отсылающий к референту, или указывающий на референт.

Референт -- объект или явление материального мира, на который указывает токен в процессе референции, то есть соотнесения языковых единиц с внеязыковой действительностью физического мира.

Интерпретант -- компонент знака, выполняющий референтную функцию в соответствии с заданными правилами интерпретации.


Пирсова триада, или знак	Чарльз Пирс (1839−1914)

Семиозисом называются физические процессы, обеспечивающие функционирование знаков: чтение и запись информации на носитель, интерпретация (трансляция) токенов.

Специфически сложными называются такие конфигурации частиц вещества, которые характеризуются достаточно малой вероятностью (достаточно большими значениями информационной энтропии) и, в то же время, относительно короткими описаниями (точнее, относительно малыми значениями колмогоровской сложности).

Вероятностные ресурсы системы с дискретным набором состояний представляют собой множество состояний, в которых может находиться исследуемая система за время функционирования. Поисковый алгоритм осуществляет поиск наилучшего состояния системы с дискретным набором состояний по заданному критерию оптимизации, и в этом случае ресурсы системы характеризуются числом состояний, которые может просмотреть алгоритм за ограниченное время работы. Аналогичным образом, при рассмотрении биологической популяции её генетический пул может рассматриваться как набор её состояний в определённый момент времени. В оценке возможностей биологической эволюции фигурирует число организмов за время жизни биоты: понятно, что поскольку время жизни биоты ограничено, следовательно, ограничено и число состояний, которые могли быть просмотрены эволюцией за время существования биосферы.

Интеллектом называется способность принятия решений (совсем не обязательно сознательного) в контексте целеполагания и планирования.

В свою очередь, принятие решений -- это выбор из альтернатив по одному или более нефизическим критериям, например, по прагматическому, эстетическому и т.д.

Подробнее см. Распознавание дизайна: основные понятия.

Общий принцип распознавания дизайна

С практически-инженерной точки зрения, распознавание дизайна -- это методика статистического распознавания происхождения конфигураций материи.

Распознавание дизайна в отношении наблюдаемой конфигурации с частиц вещества может быть сформулировано следующим образом:

Если статистические характеристики выборок конфигурации с отклоняются от характеристик выборок случайных или детерминированных конфигураций на уровне, превышающем порог статистической значимости, то гипотеза о том, что с представляет собой дизайн, является статистически обоснованной.

Иными словами, если выборки исследуемой конфигурации демонстрируют аномальные статистические характеристики (выбросы) по сравнению со случайными и закономерными процессами, это может служить основанием для вывода о том, что конфигурация имеет интеллектуальное происхождение.

Статистическая сущность распознавания дизайна, как и всякого иного практического метода распознавания, предполагает наличие ошибок. Ни один практический метод распознавания не является идеальным. Речь, таким образом, идёт лишь о большей или меньшей точности и о др. метриках качества распознавания (см. напр. здесь). В контексте методик распознавания различают ошибки:

первого рода (ложноположительный результат, false positive): конфигурация c, не являющаяся дизайном, распознаётся как дизайн;

второго рода (ложноотрицательный результат, false negative): конфигурация с, являющаяся дизайном, не распознаётся как дизайн.

В терминах логики предикатов общий принцип распознавания дизайна имеет следующий вид:

∀ с ∈ С, ∀ α ∈ (0,1), (∃β (Pr(Отклонение(θ(с), θ(с_{неинтелл})) ≥ β | H₀: ¬ Дизайн(с)) < α) → Дизайн(с)),

где:

с: наблюдаемая конфигурация материи;

С: множество возможных конфигураций;

Отклонение(x,y): мера отклонения между x и y; например, абсолютная величина разности между значениями математических ожиданий соответствующих выборок;

β: константа, подбираемая так, чтобы значение отклонения являлось выбросом; например, β = 6σ_{неинтелл}, где σ_{неинтелл} — среднеквадратическое отклонение выборки неинтеллектуальных конфигураций, порождаемых случайными процессами и/или природными регулярностями;

Дизайн(х): предикат, или утверждение о том, что х является дизайном;

¬x: логическое отрицание x.

H₀: нулевая гипотеза, утверждающая, что с не является дизайном: ¬Дизайн(с);

α: порог статистической значимости, представляющий собой вероятность отбраковки нулевой гипотезы, когда гипотеза верна (то есть вероятность ошибки первого рода); обычно значение α выбирается небольшим, например, 0.05, 0.01;

Pr(x | y): вероятность х при условии y;
- Pr(Отклонение(θ(с), θ(с_{неинтелл})) ≥ β | H₀: ¬ Дизайн(с)): вероятность того, что отклонение значений характеристики выборки конфигураций от значений, соответствующих выборкам неинтеллектуальных конфигураций, больше или равно β, при условии верности нулевой гипотезы;

θ(с): значения статистической характеристики (статистики) выборки изучаемых конфигураций;

θ(с_{неинтелл}): значения статистической характеристики выборки неинтеллектуальных конфигураций.

Смысл этого выражения заключается в формулировании условия для статистически обоснованной отбраковки нулевой гипотезы H₀. Выбор величин α и β влияет на проявление ошибок распознавания (подробнее см. Самое основное о статистической значимости):

Неоправданно низкие значения β (а также неоправданно высокие значения α) приводят к появлению ошибок первого рода, когда конфигурация материи, не являющаяся дизайном, неверно распознаётся как дизайн.

С другой стороны, завышение значений β, как и занижение α, приводит к ошибкам второго рода, когда дизайн не распознаётся как таковой.

Примером дизайн-распознавания является вывод о том, что дерево подрезалось садовником, в случае если форма кроны достаточно сильно отличается от формы крон деревьев, за которыми не ухаживают.

Деревья у решётки подрезались садовником: их кроны имеют правильную геометрическую форму в отличие от дерева на заднем плане

Специфическая сложность

В книге Design Inference (2nd Edition) Уильям Дембски и Уинстон Юэрт предложили метод распознавания дизайна, основанный на вычислении специфической сложности конфигурации материи (см.также Bill Dembski: Specified complexity made simple).

Напомню, что специфически сложными называются такие конфигурации материи, которые характеризуются достаточно малой вероятностью (достаточно большими значениями информационной энтропии) и, в то же время, относительно короткими описаниями (точнее, относительно малыми значениями колмогоровской сложности). Дембски и Юэрт рассматривают роль спецификации в распознавании дизайна. В качестве примера сравнивается обоснованность вывода о дизайне по специфической сложности барельефа Маунт Рашмор в США и так называемого "марсианского лица". Авторы показывают, что в первом случае вывод о дизайне обоснован, а во втором нет.

Барельеф Маунт Рашмор и "марсианское лицо"

Распознавание дизайна по сложной функции

Одним из приложений общего статистического принципа распознавания дизайна является распознавание по наличию у конфигураций материи некоторой достаточно сложной функции. Следует отметить, что сложная функция, осуществляемая некоторой конфигурацией материи, представляет собой частный случай специфической сложности, где спецификация задаётся описанием функции.

Основная идея распознавания дизайна по сложной функции заключается в следующем утверждении:

Всякая достаточно сложная функция имеет интеллектуальное происхождение.

При наличии универсального (Тьюринг-полного) языка описания вместо конфигураций материи без потери общности можно рассматривать их описания, то есть строки некоторого фиксированного алфавита (например, булевого {0,1}).

При исследовании функциональных систем следует иметь в виду, что шенноновская информационная модель не учитывает семантического аспекта сообщений. Поэтому хотя произвольная строка s символов заданной длины некоторого фиксированного алфавита имеет вполне определённое количество I(s) информации Шеннона, количество I_f(s) функциональной информации в ней зависит от контекста и может изменяться от 0 до I(s):

0 ≤ I_f(s) ≤ I(s).

Количество функциональной информации в строке s может быть посчитано с использованием формулы Хэйзена (см. здесь):

I_f(s) = — log₂ (|O_f| / |П|),

где |*| — размер, или число элементов множества *, то есть |O_f(s)| — число синонимичных строк, каждая из которых кодирует функцию f, |П| — размер пространства состояний, или число возможных строк. Физический смысл дроби под логарифмом состоит в вероятности попадания в целевое подпространство O_fбез осуществления поиска.

Целевое подпространство O_fсодержит строки, кодирующие функцию f

В рамках введённых выше определений интеллектуальными являются некоторые сложные функциональные системы, созданные человеком, а также организмы (разумеется, включая и самого человека), тогда как неживая природа не обладает интеллектом. Положительный статистически обоснованный вывод о дизайне можно сделать при наблюдении достаточно сложной функции в природе, где слова "достаточно сложная" подразумевают статистически гарантированное исчерпание естественных неинтеллектуальных вероятностных ресурсов рассматриваемой системы, которые теоретически могли быть задействованы в формировании функции.

Распознавание дизайна в биологии

Гипотеза дизайна в биологии имеет следующий вид:

Всякая достаточно сложная биологическая функция имеет интеллектуальное происхождение.

В биологическом контексте достаточно сложными являются функции, сложность которых подразумевает исчерпание возможностей эволюции. Существует целый ряд факторов, ограничивающих возможности биологической эволюции по формированию функции. Что касается белковых структур, эти факторы таковы:

Белковая функция сильно разрежена в пространстве поиска астрономических размеров;

Ресурсов для просмотра сколько-нибудь практически значимой части пространства даже при оценке возраста биоты в 4.5 млрд лет и максимально возможной скорости репликации катастрофически не хватает;

Эволюция осуществляет просмотр пространства поиска в режиме случайного блуждания без оценивания качества и без интеллектуального управления (guidance). Режим случайного блуждания в контексте биологической эволюции обусловлен тем, что подавляющее большинство мутаций нейтральны в отношении фитнес-функции, фитнес-функция преимущественно представляет собой плато, а отбор на практике включается лишь вблизи чрезвычайно редких пиков при выполнении важных дополнительных условий, к числу которых относится обеспечение селективного преимущества мутированных особей в популяции и др.

И тем не менее, наблюдается порядка 2000 белковых кластеров (protein superfamilies) со следующими свойствами:

Кластеры слишком сильно разбросаны по пространству белковых строк, чтобы предполагать отсутствие необходимости просмотра эволюционными или какими-либо иными естественными неинтеллектуальными процессами если не всего, то значительной части пространства поиска.

В кластерах имеются белки с функциональной сложностью первичных белковых стуктур, заведомо превышающей то, что могло быть сформировано эволюционным путём (см. оптимистическую оценку возможностей эволюции, выведенную для синтетической эволюционной модели RV+NS, здесь). Все такие белки дизайн-положительны.

Разновидностью аргумента дизайна в приложении к сложным биологическим функциям является биосемиотический аргумент в пользу гипотезы дизайна биосферы. Он заключается в следующем:

Во всей обозримой вселенной набор систем, снабжённых пирсовой триадой <токен, денотат, интерпретант>, включает лишь такие, происхождение которых заведомо интеллектуально (некоторые технологические системы, естественные языки, формальные языковые системы, математика), а также организмы.

Наблюдения каких-либо естественных закономерностей, которые бы порождали такие системы, на данный момент отсутствуют.

Поэтому имеет смысл предположить, что и сама биота имеет интеллектуальное происхождение.

Детально этот аргумент изложен здесь.

Абдуктивное обоснование гипотезы дизайна биосферы Земли

При формулировании выводов о происхождении наблюдаемой конфигурации частиц вещества, опираясь лишь на характеристики её самой, когда нет возможности наблюдать процесс её формирования, мы вынуждены использовать гипотетические заключения на основе абдукции как общего принципа формулирования гипотез (см. статью "Абдукция" в Стэнфордской онлайн-энциклопедии по философии).

Абдукция заключается в выдвижении наиболее эмпирически обоснованных гипотез, причём обоснованность той или иной гипотезы может меняться по мере поступления данных.

Абдукция имеет следующую форму:

Общее утверждение: Все люди смертны.

Наблюдение: Сократ смертен.

Абдуктивная гипотеза: Сократ -- человек.

При этом следует отметить, что:

п.1 является обобщением имеющихся данных и включает квантор общности (всякий, каждый, любой).

п.2 -- наблюдение.

п.3 представляет собой выдвигаемую в отношении наблюдения гипотезу.

Выдвижение гипотезы относительно наблюдаемой конфигурации c ∈ C частиц вещества, где C — множество всех конфигураций, в общем виде таково:

Общее утверждение: Всякая конфигурация из некоторого множества S ⊂ C имеет свойство x: ∀s ∈ S (имеет_свойство(x)).

Наблюдение: Конфигурация с имеет свойство х: ∃с ∈ С (имеет_свойство(x)).

Абдуктивная гипотеза: Конфигурация с принадлежит множествy S: с ∈ S.

При этом свойство х является характеристическим для множества S, то есть наблюдения этого свойства у элементов, не принадлежащих S, отсутствуют на момент наблюдения конфигурации с.

В отличие от абдуктивного выдвижения гипотез, объяснение наблюдений имеет, как известно, дедуктивный характер.

Большая посылка (общее утверждение): Все люди смертны.

Малая посылка (абдуктивная гипотеза): Сократ -- человек.

Вывод (наблюдение): Сократ смертен.

Можно видеть, что для дедуктивного построения объяснения наблюдения достаточно поменять местами п.2 и п.3 в структуре абдуктивного вывода. При этом общее утверждение будет играть роль большой посылки, гипотеза — малой посылки, а наблюдение — вывода.

Общее утверждение: Всякая конфигурация из некоторого множества S ⊂ C имеет свойство x: ∀s ∈ S (имеет_свойство(x)).

Абдуктивная гипотеза: Конфигурация с принадлежит множествy S: с ∈ S.

Наблюдение: Конфигурация с имеет свойство х: ∃с ∈ С (имеет_свойство(x)).

Статистически оправданное исключение случайных факторов при анализе возможных причин появления конфигурации c частиц вещества, а также отсутствие наблюдений закономерностей, приводящих к формированию конфигураций, подобных с (где подобие интерпретируется в смысле наличия общего свойства x), служат обоснованием гипотетического вывода об интеллектуальном происхождении с как наилучшим образом отвечающего имеющимся в данный момент наблюдениям. В этом заключается связь между статистическим и абдуктивным аспектами гипотезы дизайна относительно конфигурации с частиц материи.

Всё, сказанное выше относительно структуры и свойств произвольной конфигурации материи, позволяющих сделать гипотетический вывод о её интеллектуальном происхождении, приложимо к системе размножения, встроенной в каждый организм. Вследствие критической важности системы размножения для функционирования всей биоты, выводы об интеллектуальном происхождении системы размножения с необходимостью распространяются и на всю биосферу.

Действительно, если в качестве S рассматривать множество знаковых дизайнов, то свойством х могут выступать:

способность быть подвергнутым обратной разработке (К. Дерстон, С. Майер);

семиотическое замыкание: автономное замыкание между динамикой (физическими законами) материальных аспектов и ограничениями (синтаксическими правилами) символических аспектов физической организации лингвистической системы (Х. Патти);

самовоспроизведение с использованием пассивного (неймановского) описания (Дж. фон Нейман);

семантическое замыкание: инструкции по воспроизведению системы должны содержать инструкции по воспроизведению подсистемы воспроизведения (Ф. Крик, С. Бреннер);

использование знаков (Ч. Пирс, Ф.Крик, Дж. Уотсон, М. Найренберг);

двойственность действий системы в отношении набора инструкций для её самовоспроизведения: интерпретация и копирование; интерпретация обеспечивает воспроизведение следующего i+1-го поколения, тогда как копирование инструкций обеспечивает воспроизведение системы в будущих поколениях i+2, i+3, ... (Дж. фон Нейман, С. Бреннер);

система контроля качества: репарация копий инструкций (М. Айген);

наличие иерархической структуры управления (Х. Патти);

оптимизация структуры и динамических параметров функционирования системы по ряду критериев (парето-оптимизация);

защита от зашумления;

отказобезопасное дублирование функций;

и др. свойства, общие для естественных лингвистических систем (языки человеческого общения), технологических лингвистических систем и организмов, но не наблюдающиеся нигде более (по крайней мере, в настоящий момент).

Гипотеза дизайна биосферы Земли представляет множество живых организмов как подмножество знаковых дизайнов: O ⊂ S ⊂ D ⊂ C

Нетривиальность гипотезы дизайна биосферы Земли заключается в выявлении общей лингвистической основы между естественными языками, а также формальными языковыми информационно-технологическими системами, с одной стороны, и организмами, с другой:

O ⊂ S,
E ⊂ S,
F ⊂ S.

Биофизик Ховард Патти в статье «Primary Biosemiosis: Symbol Sequence Grounding by Folding» отмечает, что жизнь и лингвистические системы коэкстенсивны, то есть существование языковых систем вне непосредственной связи с организмами не наблюдается. Гипотеза дизайна биосферы представляет собой более сильное утверждение, а именно:

Наблюдаемая коэкстенсивность жизни и лингвистических систем является следствием интеллектуального происхождения любой знаковой системы, включая организмы.

Действительно, там, где только возможно наблюдать появление сложной функции, -- я имею в виду технологическую и научную деятельность человечества, -- оно имеет заведомо интеллектуальный характер. Естественные неинтеллектуальные процессы, которые бы приводили к образованию достаточно сложных функций, не наблюдаются во всей обозримой вселенной (если исключить жизнь и заведомые артефакты). Немецкий биофизик Вальтер Эльзассер занимался поисками этих гипотетических законов, по которым, по его предположению, могло бы происходить формирование живого из неживого, и которые он называл биотоническими (см. здесь). Правда, ему так и не удалось их выявить. И тем не менее, теоретически возможное обнаружение подобных природных регулярностей (например, в результате исследований по абиогенному синтезу живых организмов) привело бы к пересмотру гипотезы дизайна биосферы в её текущей форме. Таким образом, гипотеза дизайна удовлетворяет попперовскому критерию фальсифицируемости.

Научный статус гипотезы дизайна биосферы и проблема доверия выводам разума в метафизическом натурализме

Как мы только что видели, гипотеза дизайна биосферы может быть опровергнута в случае успешного абиотического синтеза живых организмов, а поэтому она удовлетворяет критерию Поппера.

Следует также учитывать отсутствие единого мнения среди специалистов по философии науки в отношении того, что такое научная гипотеза как таковая. Например, по П. Фейерабенду, на процесс научного исследования вообще не следует налагать никаких методологических ограничений, скажем, требовать наличия независимых и экспериментально проверяемых следствий выдвигаемых гипотез. Тем не менее, у гипотезы дизайна такие следствия имеются: логика организации биологической системы, как и любой персистентной искусственной системы, требует использования пирсовой триады с дискретным кодом, защиты от зашумления, отказобезопасного дублирования функций, семантической замкнутости и пр., о чём мы уже говорили выше. Эти свойства организмов были предсказаны в 1950-е гг., что блестяще подтвердилось впоследствии в ходе научных исследований по биоинформатике.

Однако гипотеза дизайна биосферы не просто является научной и имеет следствия, на которых можно построить нетривиальную программу исследований, но в общем виде эта гипотеза де-факто заложена в основание всей научной деятельности. Действительно, лишь в предположении о том, что окружающий мир создан разумно, я разумом его и могу познавать. В противном случае возникает проблема доверия выводам разума, не разрешимая в рамках метафизического натурализма.

Предположим, я ставлю себе цель обосновать существование моего разума с натуралистических позиций. Метафизический натурализм, исходящий из существования только материи, предлагает рассматривать разум исключительно как следствие взаимодействия случайных и закономерных факторов. Такое обоснование неизбежно потребует анализа данных о том, как ведёт себя разум. Проблема в том, что для этого я вынужден буду использовать тот самый разум, существование которого я вознамерился обосновывать, исходя лишь из неинтеллектуальных категорий.

Итак, у нас есть две возможности. Либо мы относимся к разуму как к надёжному и универсальному принципу и полагаемся на него в процессе исследования окружающего мира, либо мы вынуждены подвергать сомнению любые выводы, к которым мы приходим с его помощью в рамках научного исследования, в конечном счёте, подрывая основы научного знания. Таким образом, заключение натурализма о том, что разум представляет собой лишь следствие случайных и закономерных причин, фундаментально противоречиво.

Что это меняет?

Иногда встречается такое возражение: "Ну, хорошо, дизайн. Но не всё ли равно, чем считать организмы -- результатом дизайна или следствием влияния факторов случайной природы и естественных закономерностей? Что меняет гипотеза дизайна на практике?"

Меняет, и очень много. Во-первых, существует большая разница между правильным ответом на вопрос и неправильным, или, по крайней мере, между ответом, наиболее полно отвечающим научным данным, и ответом, основанным на неоправданных обобщениях, предполагающим своего рода эволюцию пробелов (evolution-of-the-gaps). Во-вторых, парадигма дизайна способна порождать нетривиальную программу исследований, принципиально отличную от современной эволюционной повестки, базирующейся на допущениях метафизического натурализма. Следует отметить, что гипотеза дизайна как таковая не исключает возможность рассматривать эволюционные эффекты, проявляющиеся в тех или иных пределах, которые предлагается корректно и систематически выявлять, тогда как эволюционная парадигма отвергает дизайн априори.

В качестве примера можно привести статью Michael Sherman: The Universal Genome in the Origin of Metazoa, где на основе предположения о фронтальной загрузке универсального генома многоклеточных предлагается особая программа исследований с целью лабораторной проверки выдвинутой гипотезы. Речь в данном случае не столько о том, подтвердится ли эта гипотеза на практике, сколько о принципиальной возможности выстраивать программу научных исследований, опираясь на предположение о дизайне организмов.

Над практическим развитием гипотезы дизайна трудится целый ряд научных работников, что с учётом социокультурных особенностей современного научного истеблишмента и крайне ограниченного финансирования достойно всяческого уважения.