Диалоги (июль 2003 г.) - Александр Гордон

В.Н. Да, поиск в буквальном смысле.

А.Г. Насколько я понял, ключевым словом в вашем рассуждении было слово «сценарий», то есть ручейник действует по какому-то сценарию, выстраивает гипотезу о том, что будет дальше.

В.Н. Да, и делает это на основании, в общем-то, случайного события. Случайно ему попадается либо большая частица, либо малая. На основании этого краткого отдельного события, опять-таки антропоморфным языком говоря, ручейник выстраивает гипотезу о том, что и дальше будут попадаться однотипные (либо большие, либо малые) частицы. Это предсказание распространяется не только на одну следующую частицу, и результат этого предсказания получается такой: когда частицы разного размера смешаны совершенно случайно, то протокол эксперимента показывает, что прикрепления частиц и отказы от них следуют сериями. То есть, имеется тенденция повторять прикрепления одно за другим. А после отказа появляется тенденция повторять отказы.

Но, несмотря на это, общий результат поиска всё же таков, что ручейник всё-таки прикрепляет в основном приличные частицы. Почему он использует такой алгоритм, почему такие гипотезы выдвигает? Дело в том, что в природе не бывает случайного распределения чего бы то ни было. В реальных ручьях и плоские частицы и круглые, и мелкие и крупные не перемешаны случайно. Наоборот, однородные частицы собраны в определённых местах, в зависимости от течения, в зависимости от глубины. Поэтому, если ручейник где-то находит хорошие частицы, то в реальной жизни это означает, что здесь нужно остаться и искать дальше. Мы провели такой эксперимент, который бы при систематическом исследовании среды завёл бы ручейника в тупик. Просто он не смог бы найти то, что ему нужно. Можно показать, как это выглядело: экспериментальная установка, которая представляла собой просто небольшой коридор, который весь был засыпан песком, но на одном его небольшом участке вперемешку с песком были и скорлупки.

А.Ж. Валентин Анатольевич, правильно ли я понимаю, что речь идёт вот о чём. Алгоритм, который отрабатывает ручейник, построен не на той гипотезе, что искомые частицы распределены равномерно случайно, а он построен на гипотезе, что эти частицы в среде распределены неравномерно.

А.Г. Произвольно сгруппированы.

В.Н. Где-то они собраны…

А.Ж. Эти события, что называется, коррелируют между собой.

В.Н. Да, алгоритм поиска базируется на этой гипотезе, которую откуда-то знает ручейник, точнее, его поведение «знает». Мы, может быть, к этому ещё вернёмся, а в эксперименте происходит вот что.

Если бы ручейник попал за пределы участка со скорлупой и стал бы проверять каждую песчинку, то он увяз бы в песке и в буквальном, и в переносном смысле, потому что песчинок в коридоре – тысячи. Но ручейник действует иначе. Если он находится на участке со скорлупой и находит скорлупку, то он её приклеивает, а затем начинает ощупывать частицы вокруг себя. Есть два варианта результатов этого поиска. Либо он находит, в конце концов, ещё скорлупку, приклеивает её и процесс повторяется, а ручейник остаётся на месте. Или же ему выпадает такая неудача, что вместо скорлупки он находит несколько песчинок подряд. Сначала ручейник с ними долго возится, потому что, как я говорил, он «ждёт» чего-то от них. Потом это опробование каждой очередной частицы становится всё короче и короче, и, в конце концов, ручейник сдвигается с места и начинает ползти. И вот когда он натыкается на скорлупку во время такого движения, шансов на то, что он не то что её прикрепит, а даже просто станет её пробовать, осматривать, вернее, ощупывать, гораздо меньше. Даже если он и берёт скорлупку, то может её бросить тут же, не успев разобраться, а что это такое.

А.Г. Ничего хорошего он не ждёт от неё.

В.Н. Да, ничего хорошего не ждёт.

А.Ж. То есть, он уже чего-то ожидает, он уже какую-то гипотезу выдвинул.

В.Н. Что получается в результате? Ручейник может выйти за пределы участка со скорлупой и двигаться дальше по коридору. Ещё раз повторю, что если бы он начал пробовать песчинки в коридоре, то застрял бы там надолго. Но, как правило, ручейник их не пробует, а очень быстро пробегает этот коридор, потому что не ждёт ничего хорошего. Конечно, он иногда может взять какую-то песчинку и тут же бросить её. Иногда может даже приклеить, если она более плоская, чем другие. Но это исключения, и ручейник, в конце концов, возвращается на участок со скорлупой. И здесь, когда он натыкается на скорлупку, то чаще всего её берёт. Но, тем не менее, из-за того что он двигается и «ничего хорошего не ждёт», ручейник может и проскочить несколько раз этот участок. Но опять-таки, эксперименты с десятками личинок показывают, что они в целом, строят свои домики на этом участке и строят из скорлупок. Другими словами, эта не очень, казалось бы, рациональная стратегия предсказания по единичным событиям позволяет ручейникам в целом выигрывать.

Мы это проверяли, построив математическую модель, где правила поведения, о которых я говорю, были заложены в программу. И модель подтвердила, что этих правил достаточно для того, чтобы ручейники собирались и строили именно на том участке, где есть скорлупки. Здесь, естественно, возникает такой вопрос: когда мы моделируем, мы вводим правила, но это ничего не говорит о механизме управления поведением, то есть о том, откуда берутся эти правила. Единственное, что можно здесь сделать, с моей точки зрения, – это предложить следующую аналогию.

Есть динамические системы, так называемые нелинейные системы (одна из них здесь изображена), поведение которых может быть очень сложным – несмотря на то, что сама система описывается очень простым уравнением. В зависимости от величины параметра «А» (показано на рисунке), переменная в уравнении может изменяться сложным образом, как периодически, так и не периодически. И поведение системы оказывается одновременно и случайным, и предсказуемым. Оно случайно в том смысле, что невозможно предсказать, в какой момент времени произойдёт переход от больших значений переменной к малым значениям. В то же время, поведение системы упорядочено: мы видим, что большие и малые значения идут друг за другом сериями.

Здесь есть аналогия с ручейником, у которого реакции тоже повторяются сериями. Пусть эта аналогия поверхностная, но пока я буду на ней, так сказать, настаивать. Далее, если некий внешний сигнал (некая положительная величина) прибавляется к параметру «А», то затем переменная надолго увеличивается, несмотря на то, что сигнал – коротенький. Это – ещё одна аналогия с ручейником: одна частица может надолго изменить его поведение. Конечно, такого простого уравнения недостаточно для того, чтобы моделировать поведение целого ручейника. Всё-таки его поведение сложнее: он и берёт частицы, и крутит их.

А.Ж. Но вы сейчас моделируете какую-то одну составляющую.

В.Н. Да, и мы решили пойти несколько более простым путём: моделировать не ручейника, а некую условную инфузорию, которая движется в условном пространстве и находит там участки с пищей. Пища – это просто химические вещества, которые инфузория может в буквальном смысле всасывать. Никакого сложного пищевого поведения здесь не нужно. Когда на эту инфузорию не действуют никакие сигналы, то её поведение определяется единственным уравнением, а траектория её движения получается такая, что в ней чередуются почти прямые пробеги с петлями. Эти петли (опять-таки с точки зрения внешнего наблюдателя), можно интерпретировать как отыскивание какого-то места в пространстве.

А.Ж. То есть, идёт такой локальный поиск, который чередуется с крупными перемещениями в попытке найти какое-то или более богатое «месторождение».

В.Н. На данном этапе, когда нет никаких сигналов, искать, собственно говоря, нечего. Я хотел бы подчеркнуть, что это поведение, чередование таких спонтанных поисков на одном месте…

А.Ж. Очень красивая картинка. Этот спонтанный поиск, эти вот петли, узлы такие. И длинные эти пробеги. Очень красиво.

В.Н. Это поведение на самом-то деле типично для многих животных. И не только инфузорий, но и для червей, для насекомых – для таких животных, не слишком крупных, для которых можно построить экспериментальную установку, в которой нет никаких сигналов, освещение и все внешние факторы распределены равномерно.

Теперь мы вводим в это пространство пищу: у нас есть три участка, на слайде это можно показать. На одном участке концентрация пищи маленькая, на другом – большая, а между ними находится пустой участок. И вот наша условная инфузория начинает поиск с бедного участка. В какой-то момент ей не везёт, не попадается пищевых веществ. В результате инфузория перестаёт описывать петли на этом участке и начинает двигаться прямо. Здесь работает простая система, показанная раньше, которая из одного режима поведения переходит в другой режим: вместо больших значений переменной, которые обеспечивают поворот, теперь наблюдаются малые значения, соответствующие прямому пробегу. Поэтому инфузория теперь летит прямо, пролетает пустое место и попадает на богатый участок. Конечно, она может и уйти из богатого участка. Однако на богатом участке пища сосредоточена плотнее, там меньше вероятность серии неудач, и поэтому, в конце концов, инфузории скапливаются на богатых участках.