David Krakauer 与达尔文下围棋 Playing Go with Darwin (2020)

译按

我一直很好奇，并且正在写作的过程中也会遭遇到游戏与科学研究的某种关联，解谜游戏开发者 Artless 在 E20 谜与顿悟 中将解谜游戏作为次一等的科研的想法也常常萦绕在我心中，复杂科学所借助的大量的计算机的运算与模拟，共同的控制论理论的背景，电子游戏中的「涌现性」与复杂系统中的涌现，甚至是类似 Foldit 这样的用于公民科学项目的电子游戏的探索在 Nature 这样的刊物上被反复提及这样的直接关联，都让人不得不好奇其中的联系。

在这个意义上，其实围棋（Go）可以作为其中思考的一个关键和切入点，作为被大量科学家所研究，AI 技术发展所验证的复杂场域，甚至可作为计算机的祖先的围棋，却「仅仅」只是数以万计的游戏中的一种，这不由得令人感到惊奇，而在对围棋的思考中，我们能够连接到科学，复杂，电子游戏，模拟等等的思考之中。

本文作者是 David Krakauer ，是复杂科学研究大本营，圣塔菲研究所的现任所长，进化生物学家，他讨论了围棋中的某些结构甚至策略可以被作为我们思考生物进化论的一种对照，甚至是揭露。此外我也翻译了一篇较短的，他在疫情隔离期发布的短篇通讯，其中将国际象棋与围棋的某种科学思维的方式进行了对比，由此作为比较。

落日间
叶梓涛

David Krakauer

大卫·克拉考尔（David Krakauer）是圣塔菲研究所现任所长与威廉·米勒复杂系统教授。

他的研究探讨了地球上智力和愚蠢的进化。这包括研究支持记忆和信息处理的遗传、神经、语言、社会和文化机制的进化，并探索它们的共同属性。他曾在麦迪逊的威斯康星大学担任 Wisconsin Institutes for Discovery 创始主任，复杂性和集体计算中心的联合主任，以及数学遗传学教授。他曾是宾夕法尼亚大学基因组学前沿研究所的访问学者，加州大学圣巴巴拉分校Sage Center for the Study of the Mind 的 Sage Fellow，高级研究所的长期研究员，以及普林斯顿大学进化论的访问教授。2012年，他被列入《连线》杂志的名单：五十位将改变世界的人。2016年，他被列入《Entrepreneur Magazine》杂志的推动全球研究和商业的有远见的引领者名单中。

他曾是圣塔菲研究所的教研室主任、驻校教授和外聘教授。克拉考尔博士毕业于伦敦大学，在那里他获得了生物学和计算机科学的学位，1995年他在牛津大学获得了进化理论的博士学位。他留在牛津大学担任博士后研究员，两年后被任命为数学生物学的 Wellcome Research Fellow 和彭布罗克学院的讲师。

原文链接：https://nautil.us/playing-go-with-darwin-238069/

翻译：叶梓涛

部分图片为译者所加

本文翻译已经原作者与圣塔菲研究所的授权

Playing Go with Darwin 与达尔文下围棋

December 15, 2020

「我最近特别关注地域分布的问题（Geograph. Distrib），这是一项最精彩的运动，一场以世界为棋盘的大棋局。」

 查尔斯·达尔文（Charles Darwin）致 C.J.F. Bunbury(1856)

1938年，东京的年轻记者川端康成（Yasunari Kawabata）报道了大师本因坊秀哉（Honinbo Shusai）和学徒木谷实（Minoru Kitani）在围棋中争夺最终权威的对抗。这是竞技游戏史上最漫长的比赛之一，历时六个月。

在他1968年获得诺贝尔文学奖的小说《名人》（The Master of Go，英译《围棋大师》）中，川端写到了决定性的时刻，「黑方有更大的厚度，黑方的领土也很安全，大竹（木谷实在书中的假名）自己特有的转守为攻，以他所擅长的方式啃食的敌人阵型的时机到了」。一个使大竹取得胜利的战略（strategy）。

作为一个异常复杂的游戏，围棋今天已经成为人类在算法进步下失败的墓碑上的墓志铭。（在AlphaGo程序彻底击败了围棋最好的棋手之一李世石之后，李世石退役了，说他的对手是「一个无法被打败的存在」）。

查尔斯·达尔文很可能是第一个从跨越深层时间（deep time，也称「深时」，地球历史的漫长时间尺度——译注）的游戏角度来理解自然的人。我一直在想，如果这位「游玩棋局」（Chess-playing）的自然科学家，像川端一样研究围棋，那他会把这个比喻发挥到什么程度。与通过消除棋子来暴露并捕获国王的国际象棋的目标不同，围棋的目标是通过包围敌人的棋子（称为子 stones）和保护无主区域来占据领土。

我们通过游戏的透镜来理解进化。

我认为，对游戏策略的一些微妙之处进行沉思，可以启发我们对进化的策略特征的理解，最近由不同研究小组发表在《科学》（Science）和《自然》（Nature）上的两篇关于蛋白质进化的论文，出色地展示出了这一点。与围棋的比较说明了这两项研究如何将进化，从一个主要是战术性的而提升到一个富于策略可能性的过程的。

换句话说，它们解释了二阶生物特性（second-order biological properties），如鲁棒性（robustness）、复杂性和可进化性（evolvability）——即适应性变异（adaptive variability）提升的潜力——这些是如何自然而然地在选择（selection）的过程中出现，并与可能更熟悉的提升环境适应度的一阶适应性特征并行。

特别的，这些论文展示了这些二阶特性（可以是中性的或对机体无害的，也可以是潜在有利的）在蛋白质中发挥的作用。当然，蛋白质是由一个或多个长链的氨基酸组成的大型折叠起的分子。这些链通常折叠成多个不同的亚基（subunits），形成大型多聚体，也叫多亚基复合物（multisubunit complexes）。这些蛋白质可靠地形成的各种三维的，三级结构，在很大程度上负责适应性功能，如在暴露于某些波长的光时发出颜色。

令人惊奇的是：科学家已经表明，自然选择可以塑造「可进化性」（evolvability）——生物体，或像蛋白质这样的复杂分子（此处显示为彩色插图）以新的方式进化的能力。研究人员最近在《科学》杂志上写道：「自然选择本身能够创造出使达尔文进化论能够成功的条件」他们详细介绍了在大肠杆菌中进行的蛋白质实验。

鲁棒性、可进化性和复杂性的生物学思想与围棋中的「后手（Gote）」 、「余味（Aji）」和「双活（Seki）」的战术思想很相似，因为它们在组合的规则系统中有共同之处。围棋棋手要学习「后手」，即不提供威胁也不被反击的防御性棋步，以及「先手（Sente）」，即要求回应的攻击性棋步。像木谷实这样的伟大棋手认识到，用后手建立一个「厚（Thick）」，或不可攻克的领土，是在未来建立有效先手的最可靠方法之一。关键是要在自己的棋盘位置上建立起余味，即潜在的机会或潜能。双活则描述了一组不能被修改的棋子，因为任何放在这组棋子中的子都会被吃掉。

适应性进化的历史被描述为一段「先手」的历史——一连串难以阻挡的战术棋步。这一点有时通过零和游戏的概念或「适者生存」（survival of the fittest）的格言来体现，其中一个适应性的基因型（genotype），或一个生物体内的基因，以所有其他基因为代价而获益。而每一个新的有利突变都会使胜利的基因组在适应性方面向其顶峰攀升。

这种相当简单的进化概念，在精神上更接近于井字棋游戏，而非国际象棋和围棋的丰富性，在过去几十年中受到了挑战。进化不仅通过直接的竞争性优势（先手，Sente）进行，而且通过中性过程，如无害的基因突变（后手，Gote），建立从生物体的基因与环境的互动中发展出来的健壮表现型（Thickness 厚度）。从新的中性变异中可以获得全新的潜在的变异（余味，Aji）。许多性状一旦建立就不能改变（双活，Seki），而这是进化合作依存关系的结果。

考虑这篇《科学》上的论文。研究人员 Jia Zheng 与 Ning Guo 和 Andreas Wagner 一起，着手确定自然选择是如何通过一个适应度最大化的过程，间接导致可进化性的提高，即一种元进化（meta-evolution）。为了做到这一点，他们将大肠杆菌中的黄色荧光蛋白置于不同强度的选择之下。

在实验的第一阶段，他们让三个不同的黄色荧光大肠杆菌种群经历强选择、弱选择或无选择。强选择相当于对绿色荧光生物体的前20%进行光学分类并繁殖到下一代。对于弱选择条件，研究人员繁殖了所有绿色荧光生物体，包括最弱的。不应用选择只是意味着随机繁殖种群，而不管其荧光如何。

在第二阶段，Zheng 和他的同事在所有三个种群中应用相同的选择压力，以使它们朝着增加绿色荧光的方向进化。他们发现，相对于弱选择或无选择，第一阶段的强选择导致了第二阶段向绿色目标的更快进化。

这很奇怪。人们可能假定认为强选择会消除可能有助于可进化性的变异性，而弱选择则允许中性变体的积累。研究人员发现，强选择能够促进提高可折叠性突变（foldability-improving mutations）的积累，而且其中一些突变增加了蛋白质的突变鲁棒性，提供了对抗有害突变的保护。

强选择，有利于可折叠性，实际上使「适应性景观」（fitness landscape）更加平坦。平坦的景观观是指相邻的突变具有大致相同的适应性（因此没有局部梯度 local gradient）。而平坦允许更大的变异性，因为没有突变会超过所有其他的突变，从而使一个基因型有机会更迅速地「发现」绿色荧光的基因型。

适应性进化的历史已被叙述为一段先手的历史——一连串难以阻挡的战术棋步。

换句话说，这是一个进化的先手。Zheng 和他的同事实际上是利用选择来淘汰弱小棋子（较少的黄色荧光蛋白质）的基因类似物。然后，这些允许后手的棋步（中性或无害的突变）的积累和构建起厚的种群（弱小绿色荧光蛋白质的连接网络），而新的形态拥有显著的余味（可进化性）。

正是这些由相连的棋子和基因型组成的更大的可进化形态是取得最终胜利的关键——在这种情况下，一个领地由一个玩家所统领，即在这个例子中的强绿色荧光的蛋白质。正如 Zheng 和他的同事所写的那样，他们让这些黄色荧光蛋白经历的几轮定向进化「证明了自然选择本身能够创造出使达尔文进化论能够成功的条件」。

Georg Hochberg 和他的同事在他们的《自然》的论文中也研究了蛋白质的进化——不是在实验室中，而是通过使用动植物演化史的重建（phylogenetic reconstruction 系统发生的重建），即利用基因型来推断祖先蛋白质的系谱树。他们对这样的观察很感兴趣：对于许多蛋白质复合物来说，多个亚基没有功用价值。通过分析类固醇受体的进化和它们与水环境的界面，他们假设疏水性棘轮（对于疏水性氨基酸替代的偏差）和疏水性氨基酸暴露在界面中的有害后果相结合，会产生大量的多亚基受体蛋白。对于单体构型，或残基暴露于水的形状，将倾向于被净化选择（purifying selection，即对不适应性变异的选择）所淘汰。这样一来，分子复合物就会变得不易改变，牢牢锁定。

正如围棋中的许多团体一样。在对手棋子的界面（相互作用）上，产生了「双活」（疏水界面），在其上，没有任何东西可以在不对棋手造成损失的情况下被改变（净化选择）。因此，棋盘形成了一种复杂性，既反映了竞争性获益，也反映了冻结的意外。

1975年，获得诺贝尔奖的化学家 Manfred Eigen 和他的合著者 Ruthild Winkler 建议我们通过游戏的透镜和视角来理解进化。受赫尔曼·黑塞（Herman Hesse）不可思议的小说《玻璃球游戏》（The Glass Bead Game）中类似围棋网格启发，Eigen 和 Winkler 写道：「玩是一种自然现象，从一开始就引导了世界的进程。它在物质的塑造、物质组织成生命结构，以及人类的社会行为中都很明显。」 俄罗斯国际象棋大师 Boris Spassky 可能会惊讶地发现，他的断言：「国际象棋就像生命一样」，已经超出了比喻的范畴。

参考 References

1. Zheng, J., Guo, N., & Wagner, A. Selection enhances protein evolvability by increasing mutational robustness and foldability. Science 370, eabb5962 (2020). https://science.sciencemag.org/content/370/6521/eabb5962
2. Hochberg, G.K.A., et al. A hydrophobic ratchet entrenches molecular complexes. Nature 588, 503-508 (2020). https://www.nature.com/articles/s41586-020-3021-2

隔离中的存在游戏 Existential Games in Quarantine

原文链接：https://www.santafe.edu/news-center/news/beyond-borders-existential-games-quarantine

JANUARY 19, 2021

今年，我们中不止有几个人在游戏板的迷宫中寻求慰藉。这几乎不是一个新颖的逃避或对现实的补偿。弗拉基米尔·纳博科夫（Vladimir Nabokov，他分析了柏拉图洞穴的这些游戏般的变化）描述了苦行大师鲁宾斯坦（Rubinstein）的习惯，观察到鲁宾斯坦「不喜欢看到他的对手。但棋盘对面的空椅也让他很恼火，所以他们在那里放了一面镜子，他就看到了自己的影像。」总而言之，这听起来像是对当代现实的一个合适的隐喻。

在纳博科夫之前七百年，意大利作家乔瓦尼·薄伽丘（Giovanni Boccaccio）在他的《十日谈》中（设定在黑死病肆虐期间）描述了隔离的第三天，在其中讨论了所有失去和渴望的东西。叙述了「一些人去了那方，而另一些人则被这个地方的美丽所征服，不愿离开它，而是住在那，专心致志，有的读小说，有的下棋或打牌，而其他人则在睡觉。」这在相关性方面，甚至可能超过纳博科夫对鲁宾斯坦式隐居的思考。

一千多年来，国际象棋和围棋为探索分析的、审美的、道德的和实际的问题提供了一个微观世界（microcosm）。它们以不同的方式做到了这点，在它们的对照元素中反映出了类似于科学年表的东西。让我们把这称为从还原论（reductionism）到涌现（emergence）的转变，或者说是对国际象棋中的部件和围棋中模式的关注。应该说，国际象棋的最高水平一直都是关于模式的（patterns）。但在围棋中，初学者别无选择，只能以模式化的方式思考，以此围棋新手才能学会以理想棋手的成熟方式下棋。

这里有一些明显的区别。围棋中只有一种棋子，而国际象棋中则有六种独特的棋子，每个棋子都有不同的特点。国际象棋棋盘是一个 8 x 8 的正方形网格。围棋棋盘则是 19 x19 的。在国际象棋中，棋盘开始时所有的棋子都在一个固定的位置上，然后逐渐清空。在围棋中，棋盘开始时没有棋子，并逐渐填满。在国际象棋中，目标是吃掉棋子。在围棋中，目标是夺取领土。国际象棋的开局是高度脚本化的，有点像围棋的终局。两种游戏都有相同的黑棋和白棋的补充。

通过国际象棋游戏，我们发明了一个相当强大的物理现实的模型。从一个近乎完美的秩序状态开始，所有在游玩中棋子，通过湮灭性的相互作用，将棋盘变化为一个无处可动的稀疏的棋集。通过围棋，我们发明了一个适应性进化的模型，强调了模式如何从简单的开始中出现，模式的约束如何对策略施加限制，以及不断增长的领土如何形成近乎无尽的复杂形状。

科学的早期历史常常被说成是国际象棋式的认识论的剖析（epistemological dissection）——把植物、动物和原子拆开，以揭示它们的组成部分。然后确定这些部分中的哪一个是必不可少的，或者在解释某个感兴趣的属性时起到主导作用。而最近的科学史，特别是复杂性科学，对我们如何将这些部分重新组合起来以产生生命更感兴趣——一种类似于围棋的认识论的生物合成（Go-like epistemological biosynthesis）。

在我们的游玩的追求中，无论是国际象棋、围棋，还是无数替代的棋盘和电脑游戏，我们一直在探索对于物理现实的这两种方法。纳博科夫的鲁宾斯坦和薄伽丘的流亡者，他们在困境中并不愿意放弃社会——他们创造了模拟物（simulacra）。无论他们所笼罩的领域如何减少，他们仍然挑战着我们，去通过存在的元素和涌现的模式来思考。

在我看来，通过国际象棋和围棋，我们重述了——或许更准确地说是，预先叙述了（precapitulated）——一些主导了我们对物理现实的理解的思想风格。就好像在我们被限制时寻求的娱乐是我们解除后更好地应对世界所需的不经意的家庭作业。