Explorovať alebo exploitovať? To je otázka.

Fitness + design space = fitness landscape

Čítate newsletter Pokrok bez povolenia. Pôvodne bol o tom, ako internet konkuruje politikom. Teraz je o tom, ako rozmraziť evolúciu vo vzdelávaní. Pridajte sa k 3000 odberateľom, staňte sa podporovateľom, alebo newsletter zdieľajte vo svojich kruhoch. Ďakujem.

Technológie sú súčasťou kultúrnej evolúcie. Praveký recept na digitálny život testoval Sims v experimente s počítačovými „lego kockami“, ktoré sa naučili plávať a chodiť. Teraz sa pozrieme bližšie, ako to tá evolúcia robí. Ako dokáže nájsť ihlu užitočnej adaptácie v kope všetkých možných dizajnov?

Fitness + design space = fitness landscape

V Simsovom experimente bolo z „legových kociek“ možné poskladať nepredstaviteľne veľké množstvo rôznych tvorov a ich dizajnov. Ak máte lego s 500 kockami, počet rôznych kombinácií, ktoré z neho dokážete postaviť je 10 na 120 (to je číslo 10 a za tým 120 núl). Je to viac než počet atómov vo vesmíre. V evolučnom žargóne sa všetky tieto postaviteľné kombinácie nazývajú „design space“ alebo „knižnica všetkých možných dizajnov“.

Drvivá väčšina týchto dizajnov je však absolútne nepoužiteľná. Sú to mutanti bez adaptácie a komplexity a sú výsledkom skôr rastúcej entropie (náhody) než evolúcie. V knižnici dizajnov sa však nachádza pár adeptov, ktorí majú v evolučnom žargóne vysokú fitness (zdatnosť). Zdatnosť je kľúčový koncept popisujúci reprodukčný úspech ovplyvnený tým, ako dobre je tvor adaptovaný na svoje prostredie a ako sa dokáže replikovať. V Simsovom príklade - ako dobre vie plávať vo vode.

Keď si spojíte ideu toho, že teoreticky existuje veľká „knižnica všetkých možných dizajnov“ s tým, že tieto dizajny majú rôznu „zdatnosť“ a premietnete to do 3D mapy, dostanete niečo, čo sa nazýva – fitness landscape (krajina zdatnosti). Ide o veľmi užitočný myšlienkový konštrukt pre pochopenie toho, ako funguje evolučný algoritmus. Ako to robí, že dokáže tak efektívne hľadať inovatívne, komplexné, adaptované ihly v kope všetkých možných dizajnov. Inými slovami, ako sa dokáže učiť.

Takže ako vyzerá „krajina zdatnosti“? Predstavte si ju ako plastickú mapu s vysokými pohoriami a niekoľkými vrcholmi, ale aj rozsiahlymi údoliami a mnohými priepasťami. Každý bod na tejto mape predstavuje jeden dizajn v knižnici všetkých možných dizajnov. A nadmorská výška bodu predstavuje zdatnosť tohto dizajnu. Teda čim je nejaký dizajn lepšie adaptovaný na dané prostredie, tým je vyššie.

Teraz si predstavte, že ste horolezec, ktorý sa chce dostať na vrchol jedného z tých najvyšších pohorí, no odrazu prišla veľká hmla a vy nevidíte ani na krok dopredu. Viete len to, či ste sa pohli smerom hore alebo dole. Aj to až po tom, ako ten krok spravíte. A navyše sa toto prostredie v čase mení. Čo bolo včera pohorie, môže byť zajtra údolie a naopak. Ako by ste sa v tomto teréne pohybovali? Ako by ste hľadali vrchol - ihlu užitočných adaptácií v rozsiahlej krajine všetkých možných dizajnov?

Vedci skúmajúci matematické vlastnosti komplexných systémov prišli s rôznymi stratégiami ako na to. Jedna taká stratégia sa volá „adaptive walk“ (adaptačná chôdza). Tá sleduje jednoduché pravidlo: urob krok náhodným smerom, ak sa posunieš hore, zostaň tam a sprav ďalší náhodný krok. Ak sa posunieš smerom dole, sprav krok naspäť a skús to znova. Vďaka tomuto pravidlu je relatívne ľahké nájsť lokálne maximum. Nevýhoda je, že keď raz začnete liezť na nejaký kopec, neviete sa vrátiť. Môžete tak skončiť na lokálnom kopčeku obkolesenom vysokými Kriváňmi, na ktoré nikdy nedosiahnete.

Iná stratégia je „náhodný skok“. Predstavte si, že máte vystreľovaciu pružinu, ktorá vás vystrelí náhodným smerom na náhodne vzdialený bod v krajine zdatnosti. Výhoda tejto stratégia je, že neostanete zaseknutý na lokálnom maxime, ale môžete dosiahnuť aj na tie globálne. Nevýhoda je, že sa vám to s vysokou pravdepodobnosťou nepodarí. Spomeňte si, že drvivá väčšina dizajnov v knižnici sú nepodarky. Touto stratégiou tak pravdepodobne skončíte hlboko v údolí, alebo dokonca v nejakej rokline (vymriete). Navyše táto stratégia nevedie k nejakému systematickému zlepšovaniu pozície. Ste vždy krok od vyhynutia.

Našťastie, existuje stratégia, ktorá si berie to najlepšie z ostatných a zároveň sa vyhýba ich hlavným nedostatkom. Hovorím o evolučnom algoritme.

Ako na to ide evolúcia: explorovať alebo exploitovať? Diverzifikovať!

Evolučný algoritmus s jeho troma mechanizmami (mutácia, selekcia, replikácia) je výbojný nástroj na hľadanie vrcholov v krajine zdatnosti. Pomáha riešiť základnú dilemu adaptácie v prostredí neistoty: explorovať alebo exploitovať. Teda koľko úsilia venovať hľadaniu nových možností (globálne maximum) a koľko využívaniu tých, ktoré sú k dispozícii (lokálne maximum).

Evolučný algoritmus funguje, akoby ste do „krajiny zdatnosti“ vypustili stádo malých horolezcov, z ktorých sa každý začne posúvať kúsok po kúsku vyššie a vyššie. To je reprodukcia zdatných jednotlivcov -  exploitujú lokálne maximum (replikácia). A zároveň sa niektorí z týchto horolezcov odpútajú od zvyšku výpravy a skúšajú rôzne ďaleké skoky rôznymi smermi. To sú náhodné mutácie, ktoré pomáhajú explorovať nové globálne maximá. Veľká časť z nich skončí v roklinách (selekcia), ale hŕstka šťastlivcov začne šplhať na nové, vyššie pohoria a vďaka tomu možno objavia nové globálne maximum. A tie začnú znova exploitovať – reprodukovať sa. Takto evolúcia využíva to najlepšie z oboch stratégií (adaptačná chôdza a náhodný skok) a umožňuje neustálu dynamickú adaptáciu. Základnou črtou evolučného algoritmu je preto diverzita - nevsádzania všetkého na jednu kartu.

Pri „krajine zdatnosti“ je potrebné pripomenúť, že to nie je nejaká statická hádanka, ktorú má evolúcia rozlúštiť. Krajina zdatnosti sa neustále mení. A to nie len kvôli tomu, že sa v prírode neustále vyvíja fyzické, neživé prostredie, ale súčasťou krajiny zdatnosti je aj živý svet. Evolúcia jedného živočícha mení tvar a rozloženie krajiny zdatnosti pre druhého živočícha. Keď predátor zrýchli alebo vylepší svoj zrak, musí sa potenciálna korisť naučiť nový trik alebo zlepšiť v starých. To, čo bol včera evolučný vrchol, po ktorom ste stúpali hore, môže byť zajtra údolie, ktoré smeruje do priepasti vyhynutia. Preto evolúcia nikdy nezastavuje. Je to neustály proces učenia sa.

Ďalší opakovaný vzor evolučného algoritmu je nárast diverzity (tzv. adaptívna radiácia). Ten má svoje špecifické pravidlá. Najskôr dochádza k nárastu diverzity na vyšších úrovniach taxonómie (ríša, kmeň) a neskôr na nižších úrovniach (čeľaď, rod, druh). V biologickej evolúcii je známy príklad obdobia „kambrickej explózie“, kedy pred 550 miliónmi rokov došlo k rapídnemu nárastu diverzity života na zemi. Počas niekoľko desiatok miliónov rokov sa objavili prakticky všetky kmene živočíchov, ktoré dnes poznáme (mäkkýše, obrúčkavce, článkonožce, aj my, stavovce). Neskôr sa diverzita posunula na nižšie úrovne taxonómie a nové druhy a rody začali vypĺňať všetky možné ekologické niky.

Z takéhoto vzoru nárastu diverzity vyplýva, že evolučný strom života nevyzerá príliš ani ako strom, kde postupne z jedného kmeňa vyrastajú vetvy a z tých vetvičky a ďalšie vetvičky. Ale vyzerá skôr ako hustý krík, z ktorého hneď v úvode vyraší množstvo vetiev, z nich vyrastú ďalšie a časom niektoré z nich vymrú (napríklad Veľké permské vymieranie). Stuart A. Kauffman, skúmajúci komplexné a evolučné systémy, popísal „kambrickú explóziu“ ako moment, keď evolúcia „otestovala všetky možné módy bytia“ mnohobunkového života. V žargóne krajiny zdatnosti – horolezci začali liezť na všetky potenciálne pohoria a hľadať rôzne maximá.

Tento jav postupného nárastu diverzity na rôznych úrovniach taxonómie je spôsobený tým, že evolúcia je historický proces. To, kam sa môže dostať v budúcnosti, je silno ovplyvnené tým, kade išla v minulosti. V úvode evolúcia začínala na zelenej lúke, kde mala v „krajine zdatnosti“ k dispozícii oveľa väčší manévrovací priestor, mohla skúšať viac rôznych variantov základnej architektúry života (vznikajú ríše a kmene). Ako však evolučný život bežal ďalej, možnosti sa zmenšujú, počet možných odbočiek cestou na vrchol klesá, evolúcia sa stáva „väzňom minulosti“. V biologickej evolúcii to Daniel Dennet popísal ako „vynútené kroky“, v ekonomickej literatúre sa to nazýva „path dependency“.

Stuart A. Kauffman prišiel s hypotézou, že tento postupný nárast diverzity od horných k spodným úrovniam taxonómie pozorovaný v biologickej evolúcii je platný pre všetky evolučné algoritmy. Vrátane evolúcie technológií.

Evolučný strom života technológii: prípadová štúdia bicykel

Ako evoluční biológovia skúmajú parazity, holuby alebo paviány, tak v kultúrnej evolúcii sa dnes na univerzitách skúma napríklad evolúcia rádia, hrotov oštepov, huslí, farmárskych nástrojov, automobilov alebo bicyklov. Poslednému menovanému organizmu sa pozrieme na ozubené koliečko.  

Prvé paleo-bicykle sa objavili na prelome 18. a 19. storočia a vyzerali ako „drevené kone“. Boli to dve kolesa zhora spojené kusom vytvarovaného dreva. Tento paleo-bicykel nemal reťaz, pedále, ani riadidlá. Bolo to odrážadlo pre dospelých. S takýmito bicyklami sa experimentovalo vo Francúzsku (vélocipède), v Nemecku (laufmaschine) aj v Anglicku (hobby-horse) a ich vývoj a využívanie bolo poháňané nedostatkom koní na začiatku 19. storočia.

V druhej v polovici 19. storočia začala vlna experimentovania s rôznou základnou architektúrou svalmi poháňaných dopravných prostriedkov. V tomto výbuchu cyklo-diverzity sa objavili bicykle s jedným, dvoma, troma a štyrmi kolesami, ktoré boli rôzne veľké, usporiadané a poháňané. Napríklad jeden anglický vynálezca navrhol stroj s troma kolesami, kde dve menšie boli tradične za sebou a vedľa nich bolo paralelne pripojené jedno veľké. Tento model dostal pomenovanie asymetrický tricykel. V jednom období bol veľmi populárny model bicyklov s pedálmi priamo pripojenými k prednému kolesu. Tieto bicykle dostali meno „boneshaker“ (kostitras), keďže kolesá boli z dreva, potiahnuté plechom.

V tomto období prebieha aj rozkvet ikonických bicyklov známych ako Penny-farthing alebo Veľké koleso. To sú tie bicykle, kde človek sedí na jednom veľkom kolese s priemerom až 1,5 metra, ku ktorému boli pripevnené pedále a za ním bolo jedno malé koliesko. Tento bicykel mal tú výhodu, že na jedno otočenie pedálov prekonal veľkú vzdialenosť a zároveň veľké koleso lepšie absorbovalo nárazy. Jeho popularita vyústila až do usporiadania prvých závodov v bicyklovaní a zdalo sa, že model s dvoma rovnakými kolesami to má v evolučnej súťaži zrátane. Achillovou pätou týchto bicyklov však bola ich bezpečnosť. Ľudia často padali, a to z veľkej výšky. Vznikali tak rôzne verzie s troma a viac kolesami a s rôznym posúvaním umiestnenia jazdca. Čo však tieto nové mutácie modelov získali na bezpečnosti, to strácali na ľahkosti, dostupnosti a manévrovateľnosti. Evolučný trade-off bol neúprosný.

Pred koncom 19. storočia sa však začalo v DNA bicyklov kumulovať viacero paralelne objavených inovácií ako drôtmi vypletené kolesá, duté oceľové rámy a, predovšetkým, gumové pneumatiky a prevodová reťaz. Tieto nové prvky umožnili evolučným horolezcom preskočiť na nové pohoria v krajine zdatnosti, ktoré dovtedy neexistovali. Inovátori prišli s rekombináciou architektúry bicykla v podobe dvoch rovnakých, stredne veľkých kolies, medzi ktoré umiestnili pedále poháňajúce cez reťaz zadné koleso, nad ktoré prišla sedačka a predné koleso sa pevne napojilo na riadidlá a slúžilo na určovanie smeru. Takýto bicykel dostal pomenovanie „safety bicycle“ („bezpečný bicykel“) a išlo o predchodcu dnešných bicyklov.

Toto je zároveň obdobie, kedy prišlo k hromadnému vymieraniu a značná časť ríší a kmeňov bicyklov opustila „cyclo-fond“. Selekcia vykonala svoje dielo a neužitočné a neadaptované varianty uvoľnili priestor pre novú dominantnú rodovú líniou. Dnes sa nám pri spätnom pohľade môže zdať samozrejmé, že evolučným sitom prešiel práve „bezpečný bicykel“. Toto evolučné víťazstvo však nebolo nič samo-zrejmé. Od konca 18. storočia do začiatku 20. storočia sa vo veľkom listovalo v knižnici všetkých možných dizajnov a nikto nevedel, kde leží globálne maximum v krajine zdatnosti. Príklad evolúcie dizajnov bicyklov ukazuje, že dnešné bicykle nie sú výsledkom jednoduchého lineárneho progresu, ale skôr výsledkom množstva pokusov, omylov a slepých uličiek. Jedným slovom - diverzity.

Táto diverzita sa však nezastavila ani počas 20. storočia, keď sa ako tak ustálila základná konštrukcia bicyklov. Len sa posunula na nižšie úrovne taxonómie – druhov a poddruhov bicyklov. Presne tak, ako to opísal Stuart A. Kauffman pri biologickej evolúcii. Z úspešnej rodovej línie „bezpečných bicyklov“ sa vyrojili nové varianty v podobe cestných, terénnych, mestských, závodných, zjazdových, zdieľaných, krosových, skladacích, tandemových, stacionárnych, vodných, železničných či dráhových bicyklov. Dnes sú populárne elektrické bicykle či bicykle s tučnými pneumatikami (fatbike).

To všetko neznamená, že základná konštrukcia bicykla je už navždy pevne daná a nikdy sa nezmení. Z času na čas sa objaví aj mutácia testujúca alternatívne usporiadanie, ako napríklad nový bicykel pod názvom HalfBike (jedno väčšie koleso vpredu a dve menšie vzadu). Jednoducho evolučný algoritmus mutácie, selekcie a replikácie obsadil vďaka diverzite bicyklov všetky možné niky použitia, a zároveň neprestáva hľadať nové a nové vrcholy. Krajina zdatnosti sa totižto neustále mení. Technologická evolúcia nikdy nemá hotovo.

Čo sa pokazilo v školstve?

Porovnajte si tento proces technologickej evolúcie s tým, čo vidíme v školstve. Kde sú výbuchy diverzity? Či už na hornej úrovni taxonómie, kde by ľudia v minulosti skúšali radikálne odlišné prístupy k základnej architektúre fungovania vzdelávania a experimentovali s nimi dostatočne dlhý čas. Alebo na nižšej úrovni, kde by sa už dominantné línie druhov vzdelávania prispôsobovali rôznym nikám v podobe špecifických preferencií a podmienok rôznych ľudí.

Kde je proces dynamického prispôsobovania sa neustále sa meniacemu okolitému svetu? Svet práce, zábavy, technológií, rodiny či spoločenstiev sa za posledné storočie radikálne zmenil. To zákonite muselo zmeniť aj to, ako vyzerá krajina zdatnosti pre vzdelávanie.

Ako reagovalo školstvo na tieto zmeny? Kde je proces neustáleho kumulovania nových inovácií, ktoré by z času na čas umožnili preskočiť na novú dominantnú rodovú líniu vo vzdelávaní? Áno, v školách sa už fyzicky netrestajú žiaci a rozvrh hodín a žiacku knižku si môžete nájsť online na internete. To ale nie sú fundamentálne zmeny základnej architektúry fungovania škôl. Tá ostáva posledných 150 až 100 rokov rovnaká.

Kde sú školskí horolezci, ktorí by neustále hľadali ihlu užitočných adaptácií v kope všetkých možných dizajnov? Kde je diverzita? Áno, v tieni hegemóna verejného školstva existuje pár alternatívnych škôl, do ktorých chodí promile detí, ale takto nevyzerá diverzita. Takto vyzerá monokultúra, na okrajoch ktorej náhodne vyrastie pár divokých rastlín.

V skutočnosti sa zdá, že školstvo sa pri svojom vzniku zaseklo v lokálnom maxime a to dokonale exploitovalo. Ale nedokázalo explorovať nové vrcholy v rozsiahlej krajine zdatnosti. Namiesto košatého evolučného kríku máme vyschnutý pahýľ s pár vetvičkami. V školstve zamrzla evolúcia a prevládla monokultúra.

Róbert Chovanculiak, INESS

Newsletter môžete podporiť aj v Bitcoinoch cez Lighting Network:

Pre plný zážitok z tohto newslettera sa pridajte k podporovateľom. Podporíte tým moju prácu a získate prístup do súkromnej skupiny. Ďakujem.

Ak nechcete zmeškať žiadnu novinku zo sveta pokroku bez povolenia, môžete ma sledovať na sociálnych sieťach:

Facebook / Instagram / Twitter / LinkedIn