數字生命[研究領域]

數字生命是用計算機媒介來創造的新的生命形式，是具有自然生命特徵或行為的人工系統。數字生命研究是指那些以計算機為媒介，以電腦程式為生命個體的人工生命研究。

基本信息

• 中文名：數字生命

簡介

概述

數字生命[研究領域]

數字生命遵循著遺傳和進化的規律，從而為深入考察生物的進化現象和複雜生命系統的研究提供了一個實驗手段。數字生命研究為人們深入探討生命的本質提供了新的思路。這種研究可以為自然生命生長發育和進化規律的研究提供計算機模型和網路支持環境。利用這種研究方法，探索人類生殖、遺傳、進化的機制，有助於人類的計畫生育、優生優育的研究和實施，進而有助於解決物種爆炸、人口爆炸、環境污染等一系列現實問題 。

本質

20世紀80年代，國際上興起了一股用非生物媒介創造新的生命形式的研究熱潮。這種新的生命形式就是所謂“人工生命”(Artificial Life)。對人工生命概念和人工生命其他問題的探討逐漸形成了一個獨立的研究領域。這一研究領域的興起，引出了有關人工智慧、生命科學、認知科學、計算機科學、哲學以及倫理學等方面的許多新問題。這些問題是：人工生命如何定義？人工生命與人工智慧的關係如何？人工生命研究包括哪些研究領域？什麼是數字生命？數字生命的本質是什麼？數字生命研究有何意義？如此等等。以下人們將對人工生命的一個主要研究領域——數字生命的本質及其發展進行分析，以揭示其理論意義和實際意義。

數字生命的本質是什麼呢？數字生命就是人造的生命，而不是由碳水化合物有機形成的自然生命。它是具有自然生命特徵或行為的人工系統。數字生命研究是用非生物的計算機媒介來創造新的生命形式，是不是把自然界的生命分解成各個單元。它採用的是一種合成的方法而不是還原的方法。數字生命的開拓者把地球上的生命僅僅看作是具有特定載體的特定生命形式。他們認為完全可以用別的物質（例如計算機）作為載體來構造新的生命形式，賦予其生命的特徵，使其具有進化、遺傳、生殖等功能。數字生命研究並不是要去“克隆”生命。它只是用計算機媒介去構造或合成生命。簡而言之，所謂數字生命研究是指那些以計算機為媒介，以電腦程式為生命個體的人工生命研究。

思想的誕生

數字生命思想的誕生據說與一次偶然的事故有關。1975年夏天，蘭頓(C.G.Langton)在美國北卡羅來納州格蘭德法瑟山的一次滑翔事故中受了重傷，險些丟掉性命。但正如中國古代的哲人所說：禍兮福之所倚。這次事故催生了蘭頓後來稱之為人工生命的新學科。在康復過程中，他如饑似渴地博覽群書，其範圍涉及生物學、哲學、遺傳學、數字，甚至包括科幻小說。閱讀過程中，蘭頓越來越確信，沒有什麼生命有機體不能在計算機的“溫床”中重新創建出來。出院以後，他確定了畢生奮鬥的目標：創建與地球上的自然生命相對應的“數字生命”，他把它稱之為“矽化生命”。1987年，蘭頓組織了首次人工生命研討會，提出了人工生命的概念。從此以後，人工生命作為一個學科和研究領域開始建立並逐步發展起來([1],pp.41)。

人工生命研究中的一個重要的研究領域就是數字生命的研究。數字生命的研究目前已有許多重要成果。例如，馮·諾伊曼(von Neumann)等人提出的元胞自動機(Cellular Automata)模型、劍橋大學的康韋(J.Conwey)編制的“生命”遊戲程式，等等。不過，其中最重要的成果應該是托馬斯·雷(Thomas.S.Ray)所創建的數字生命。

托馬斯·雷是德拉瓦大學的教授，是一位博物學家，熱帶植物學家。他一直在探尋是什麼創造了地球上的生命這一問題的答案。由於地球上生命都有同一起源，樣本量為1，當時又沒有找到外星生命作樣本加以比較，難以對地球上生命的必然屬性和偶然屬性加以區分，星際旅行考察至少在當時看來還不現實。於是，托馬斯·雷提出了在計算機上創建不同於自然界生命的數字生命的構想。

1990年1月9日，世界上第1例數字生命誕生在托馬斯·雷的計算機中[2]。他設計的計算機實驗是這樣的：把關於生命進化的概念引進計算機領域，用數字計算機提供的資源（RAM單元，CPU時間以及作業系統）為數字生命提供一個生存環境。他所設計的數字生命以數字為載體，旨在探索生命進化過程中出現的各種現象、規律以及複雜系統的突現行為。數字生命一方面以電腦程式的形式存在於隨機存取存儲器(RAM)環境中，另一方面利用中央處理器(CPU)時間來組織其在存儲單元中的行為。藉助相應的競爭策略，數字生命之間為爭奪中央處理器(CPU)運行時間和存儲空間而展開競爭。托馬斯·雷認為，這種數字生命必須被設計成適合在這樣的環境中生存的某種數字代碼程式。這個程式能夠自複製，而且直接被中央處理器(CPU)執行。不僅如此，它還能夠直接觸發中央處理器(CPU)的指令系統以及作業系統的服務程式，通過對資源的占有來體現其在進化過程中的優勢。

托馬斯·雷設計的數字生命世界叫Tierra。在西班牙語中，"Tierra"的意思是“地球”。([3],pp115-123)可見，它是類似於人們地球上真實生命世界那樣的數字生命世界。在Tierra的運行過程中，隨著進化的推進，數字生命種類日益增多，“單細胞”逐漸進化為“多細胞”，形成自己的數字生態環境，同時也出現類似於自然界中物種大爆炸那樣的物種爆炸現象。此外，Tierra還能產生對寄生物有免疫能力的特定生物。經過一段時間的進化，還會產生數字社會。這種數字生命世界與真實生命世界之間的相似之處還在於，在真實生命世界中，生命利用太陽獲得自己所需的物質和能量，這些自然生命形式在地球的自然環境中誕生，然後不斷進化。在Tierra中，數字生命（表現為具有自複製能力的電腦程式的形式）利用計算機的中央處理器時間去組織機器的存儲空間。在自然界中，生命逐步進化，為食物、住所、配偶而開展生存競爭。那些留下較多後代的基因型隨時間推移而不斷增加，群體中適應度低的後代其數量逐漸減少直至滅絕。在Tierra中，數字生命經歷同樣的歷程，這些（表現為自複製程式的）數字生命為爭奪中央處理器時間和記憶體而開展競爭。它們不斷變化自身策略以互相利用，那些能夠獲得更多時間和存儲空間的程式可以留下更多的複製品（後代）。在自然界中，生命的生存、進化依賴於自然環境；在Tierra中，計算機的中央處理器和記憶體構成進化過程賴以進行的物理環境（即賽場）。在自然界中，生命由碳水化合物有機合成；而Tierra的數字生命由機器的彙編語言編寫的自複製程式所組成。因此，Tierra中的生命也就是人們真實生命世界的生命形式的數字版本。換言之，與地球上真實生命相似的各種行為，自然進化中所有的特徵，都可以出現在Tierra中。

不過，數字生命在Tierra中的進化與真實生命的自然進化也有不同之處。那就是這個數字生命的結構不僅載有遺傳信息，而且還負責承擔生命的代謝活動。而在真實世界中，這兩種功能分別由兩種不同的結構行使（即分別由DNA/RNA和蛋白質行使）。

為了防止這些數字生命無端闖入它們所駐留的機器的實際硬體，托馬斯·雷對計算機系統進行了設定，使整個Tierra系統在所謂“虛擬計算機”中運行。這就意味著要在真實的計算機內，以軟體形式仿真一個計算機來存放Tierra。換言之，托馬斯·雷創建了一系列軟體指令來模擬一個物理硬體機器的操作。只要涉及真實世界中的計算機，Tierra的數字生命就是數據，與來自字處理器、圖形軟體包的數據沒有什麼兩樣。

Tierra作業系統決定生物間的通訊、中央處理器時間的分配、記憶體空間的配置以及其他組成數字生命操作環境的因素。因此，有必要在此討論它的主要成分：([3],pp.118-121)

1.存儲分配——細胞化

Tierra虛擬計算機所占有的真實計算機內的存儲塊，被稱為“湯”。Tierra的每一“居民”都占有這種湯中的某一記憶體塊。為了防止一個數字生命的活動輕易干擾另一生命體的活動，就要為數字生命提供真實細胞膜的一個同功異質體，從而實現細胞化。Tierra只允許生命本身具有在其記憶體塊上寫的特權。也就是說，其他生命體可以瀏覽任何其他生命體的結構，甚至執行那個生命體的代碼，但只有這個生命體本身才可以修改它自身的結構。

2.時間分享——分時器

為了使Tierra群體中的每個成員都能在湯中同時開展活動，Tierra作業系統應當並行運行。然而，作業系統依次將中央處理器時間分發給每一個Tierra中的生命，也就成功地模擬了一個多任務處理環境。只要時間片長度小於Tierra生育一代所需的時間，那么這種分時模式就可以很好地模擬真實的並行計算。

3.死亡機制——收割器

在Tierra中，如果不存在某種類型的死亡機制以便從湯中清除出較老的生命體，自複製的數字生命群體就會最終充滿有限的空間。因此，必須要有死亡機制，而實行這個機制的就是收割器。當這種湯填滿到某個指定水平（例如80%）時，收割器就開始清除生命體。即收回給它的存儲分配，不僅從收割器而且從分時器佇列中清除它們。

4.變異——突變器

數字生命要想進化，就必須有某種方法使其基因組產生變異，並且要有某種辦法使這種變異傳給後代。在以下兩種情況下，可以做到這一點。第一，藉助生命體本身的隨機突變。表述生命程式的二進制數串的位，以某種固定的速度隨機地從0至1或者從1到0翻轉。位翻轉的結果是阻止任何生命體長生不老。隨著生命體自身某些代碼的翻轉，生命體逐漸突變，走向生命的衰亡。第二，在複製過程中，指令執行的不完善，也可導致隨機突變。這時，Tierra生命的行為並不是完全確定的，這種隨機突變因而是不可預測的。

現在，Tierra系統有了空間環境（存儲器）、能源（CPU時間），有了資源分配的算法（分時器），有在有限空間內保持有限數量的生命體的死亡機制（收割器），還有進化機制（突變器）。萬事齊備，只欠東風，缺的就是一個祖先生物了。

為了創建一個Tierra祖先，托馬斯·雷編寫了一個彙編語言程式。它是一段指令長度為80的具有自複製能力的程式。1990年1月的一天，他將這個祖先放入湯中，第二天，Tierra果真生出許多生命體。托馬斯·雷驚喜地發現，在上千次計算機換代之後，物種通常呈現出多樣性，有不同大小和不同規格，有不同壽命，不同的生態關係（獨立性、寄生、共生等）。他還發現，在捕食者存在的場合，物種可能進化得更快，因為捕食者要取代被捕食者得到相對優的“解”或局部最大量的位置，必然要與之激烈競爭，這就促使了它們更快地進化。

在合成數字生命的過程中，Tierra中出現的進化“跳躍”是很有意思的。數字生命經過許多代的緩慢進化或者沉寂之後會出現突變，這使人想起漸成論與災變論之爭。這種進化“跳躍”也像士兵的一生，長時期單調乏味的生活，間或點綴驚心動魄的突然事變。托馬斯·雷通過計算機實驗表明，沉寂（靜止）只是表面現象，外部不可見的遺傳變異逐漸積累，達到“臨界量”(Critical mass)就必然導致表現型的突變。

儘管托馬斯·雷的最終目標是製造新的生命。但他寧願把數字生命的研究稱作“合成生物學”(Synthetic Biology)。他並不打算合成新的碳基生物，也不打算考慮新的生物化學。在他看來，生物化學的代謝作用只是生命存在的必要條件，不是生命的本質屬性，生命系統應該定義為“自複製的，可以不斷進化的”系統。他在“人工生命的合成方法”一文中描述的生命以及在網際網路中傳送的“數字存儲”(Digital Reserve)所植根的生命體都滿足這些生命標準([3],pp.111-145)。因此，托馬斯·雷聲稱這些計算機物種可以稱之為生命，甚至計算機病毒也是有生命的（假如它能進化的話）。不過，由於自然界的病毒依賴非濾毒細胞而生殖，許多生物學家否認它們是活的有機生命，因而並不認為計算機病毒也是有生命的。

托馬斯·雷認為，運用軟體技術在計算機上創建數字生命可以分成兩種類型：一是生命過程的模擬；二是生命過程的例示(instantiation)。其對應的創造物可以叫做模擬生命和合成生命([4],pp.29-60)。生命過程的計算機模擬首先要建立所研究生命體的結構或進化的計算模型，並把它轉變為程式在計算機上運行，然後將獲得結果與觀察或實驗所得的結果進行比較，以達到對原型——所研究的生命體——的認識。早期運用計算機模擬方法研究生命現象，常常是通過建立支配所研究的生態系統或生物群落的微分方程來實現的；而新的自底向上的模擬方法則創造一個數據結構的群體，其中數據結構的每個實例對應於單個實體。這些結構包含個體狀態的變數，而規則決定個體之間以及它們與環境的相互作用。一旦模擬開始實施，這些數據結構的群體便依據局部規則發生相互作用，結果系統的整體行為就從這些相互作用中湧現出來。第二條途徑是生命過程的例示。在模擬中，創建的數據結構包含表示被模擬實體狀態的變數，這樣，計算機中的數據被看作是對某些真實事物的表征。而在例示中，計算機的數據並不表示其他任何事物，也就是說，例示中的數據模式被認為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，數字生命例示的基本目標之一是把生命的自然形式和過程導入計算機這樣的人工媒介，於是就產生了非碳基的數字生命形式。不過，在這樣做時，人們需要通過研究有機生命的進化來獲取思想和技術手段，但並不是迫使數字媒介對有機世界做出非自然的模擬。應該記住的是，一個新的例示並不是有機的，它在許多基本的方面與有機生命不同，例如，有機生命駐留在歐幾里得空間中，而數字生命駐留在計算機存儲器的邏輯空間中[5]。

托馬斯·雷關於數字生命和數字生命世界的看法引起了極大的爭議。有些人認可他的工作，認為它是理論生物學的有用演練，但不接受他對數字生命所做的強的哲學解釋。借用塞爾討論人工智慧的說法([6],3:417-57)，他們說，即便弱的人工生命在科學上有價值，強的人工生命也是不可能的。然而，人們認為，托馬斯·雷的數字生命模型畢竟是探討這種可能性的一種大膽的嘗試。

關於合成新的生命形式的懷疑主義基於這樣的假定：生命的起源如果不是奇蹟，那它幾乎就是不大可能的事。要使生命出現似乎要解決許多複雜的細節問題。生命出現的可能性是天文學上的可能性，生命甚至可能是宇宙中只在地球上出現的偶然事件。但是有的人工生命學者指出([7],pp.146-172.)，這種懷疑主義觀點是站不住腳的。在他們看來，有序狀態的出現，甚至生殖的出現，從根本上說不是唯一的、不可預見的，而是複雜系統中必然湧現出來的東西。為了研究有序狀態的自發起源，考夫曼(S.Kauffman)考慮了由許多相互作用單元構成的信息處理系統，並用各種不同層次的活力來解釋這些抽象定義的系統。考夫曼的數學模型表明，不管信息處理系統開始於何種無序狀態之中，這些穩定模式的形成都是不可避免的。正是基因之間的互動作用，才迫使細胞的基因自發地將自己組織成能夠在其環境中生存的那種穩定的模式。

研究

國外關於數字生命的研究已經引起了國內學者的關注。酈全民先生率先探討了數字生命的哲學意義並提出了頗有新意的見解（參見[5]）。李建會先生探討了人工生命的哲學問題[8]。這些問題是：人工生命研究者創建出虛擬世界，那么虛擬世界和真實世界的關係如何。如果有一天，人們創建了更為高級的“數字動物”或者“數字人類”，人們又將如何面對，這是不是對人類中心主義的挑戰，有沒有必要建立“數字世界”的倫理規則，以避免人們創造的“怪物”反過來毀滅人們自己，如此等等。

啟示

啟示一

數字生命的研究給哲學上的啟示在於，第一，無論是基於生物大分子的自然生命，還是基於物理媒介的人工生命，都可以歸入生命的範疇。生命範圍的擴大對人們來講是好事而不是壞事。它充分表明，一個無限豐富的新的生命世界正在形成。人們應當對此保持寬容的心態和寬廣的胸懷；

啟示二

第二，人們不應該僅僅把自己所處的自然生態系統看作是真實的實在；如果換一個角度，從計算機和網路所構成的虛擬世界來看，那么數字生命所處的數字生態系統可不可以說是一種實在的呢？看來，數字生命和數字生命世界的出現已經向傳統的生命科學、生態學、哲學以及倫理學提出了挑戰，創建數字生命的理論意義和實踐意義在於：第一，數字生命與自然生命一樣遵循著遺傳和進化的規律，這就為深入考察生物的進化現象和複雜生命系統的研究提供了一種新的實驗手段；第二，數字生命的研究確實在電腦螢幕上展示了許多生命的特徵，這就為人們深入揭示生命的本質提供了新的思路和新的研究手段；第三，藉助數字生命的研究，可以為自然生命生長發育和進化規律的研究提供計算機模型和計算機網路支持環境。藉助數字生命的研究方法，探索人類生殖、遺傳、進化的機制，有助於人類的計畫生育、優生優育的研究和實施，進而有助於解決物種爆炸、人口爆炸、環境污染等一系列現實問題。