Sự sống nhân tạo (artificial life) là lĩnh vực nghiên cứu sự sống bằng cách tự dựng lại các đặc điểm của nó trong máy tính, trong máy móc hoặc trong ống nghiệm, thay vì chỉ mổ xẻ sinh vật có sẵn. Tên gọi do nhà khoa học máy tính Christopher Langton đặt khi tổ chức hội thảo đầu tiên ở Los Alamos năm 1987. Những thế giới số nổi tiếng như Tierra (1991), Avida (1993) và Lenia (2019) cho thấy các chương trình máy tính có thể tự sao chép, đột biến, cạnh tranh, thậm chí sinh ra "ký sinh", dù chúng có thật sự "sống" hay không vẫn là câu hỏi còn tranh luận.
Sự sống "như ta biết" và "như có thể là"
Sinh học truyền thống nghiên cứu sự sống trên Trái Đất: tất cả đều dựa trên carbon, nước, DNA và protein, và đều có chung một tổ tiên. Langton cho rằng chỉ nhìn một ví dụ duy nhất thì khó biết đâu là bản chất của sự sống, đâu là chi tiết ngẫu nhiên của lịch sử Trái Đất. Ông đề xuất nghiên cứu "sự sống như có thể là", bằng cách dựng những hệ khác hẳn rồi xem chúng có những đặc điểm nào giống sinh vật.
Người trong ngành thường chia làm ba nhánh:
| Nhánh | Chất liệu | Ví dụ |
|---|---|---|
| Mềm | Phần mềm, mô phỏng máy tính | Ô tự động, Tierra, Avida, Lenia, Boids |
| Cứng | Máy móc, người máy | Người máy tự lắp ráp, bầy người máy nhỏ |
| Ướt | Hoá chất, tế bào | Tế bào nguyên thuỷ tự tạo, bộ gen tổng hợp |
Bài này tập trung vào nhánh mềm, những thế giới số.
Tierra: một đại dương bằng mã máy
Năm 1990–1991, Thomas S. Ray, một nhà sinh thái học từng nghiên cứu rừng nhiệt đới ở Costa Rica, dựng một máy tính ảo tên Tierra (tiếng Tây Ban Nha nghĩa là "đất"). Trong đó, "sinh vật" là những đoạn chương trình ngắn bằng mã máy, mỗi đoạn biết cách tự chép mình sang một vùng bộ nhớ trống.
- Năng lượng là thời gian chạy trên bộ xử lý ảo, được chia cho các sinh vật.
- Không gian sống là bộ nhớ, có hạn.
- Cái chết do một "thần chết" ảo dọn bớt những chương trình già hoặc hay mắc lỗi khi bộ nhớ đầy.
- Đột biến là những lỗi ngẫu nhiên khi chép.
Ray thả vào một chương trình tổ tiên dài 80 lệnh. Không lâu sau, các biến thể ngắn hơn xuất hiện và lấn át vì chép nhanh hơn. Rồi xuất hiện điều không ai lập trình sẵn: những chương trình chỉ khoảng 45 lệnh, quá ngắn để tự chép, nhưng biết "mượn" đoạn mã chép của hàng xóm. Đó là ký sinh. Sau đó lại xuất hiện những chương trình chống ký sinh, và "siêu ký sinh" lợi dụng ngược lại ký sinh. Quan hệ ký sinh – vật chủ dao động lên xuống giống những gì sinh thái học quan sát ngoài tự nhiên.
Ý nghĩa của Tierra không phải là đã tạo ra sự sống, mà là cho thấy: chỉ cần tự sao chép, có biến dị và có cạnh tranh nguồn sống, những quan hệ sinh thái phức tạp có thể tự nảy sinh mà không cần ai thiết kế.
Avida: thí nghiệm tiến hoá có đối chứng
Năm 1993, Charles Ofria, Chris Adami và C. Titus Brown ở Caltech phát triển Avida, một hệ kế thừa ý tưởng Tierra nhưng được thiết kế cho thí nghiệm chặt chẽ. Mỗi sinh vật số sống trong ô riêng trên lưới, và được thưởng thêm thời gian xử lý nếu làm được các phép tính logic trên số liệu nhập vào, giống như sinh vật được thưởng năng lượng khi tiêu hoá được một loại thức ăn mới.
Năm 2003, Richard Lenski, Ofria, Robert Pennock và Adami công bố trên tạp chí Nature một nghiên cứu dùng Avida: các sinh vật số tiến hoá được một phép tính phức tạp (gọi là EQU) qua nhiều bước trung gian, mỗi bước có lợi riêng, và có những đột biến tạm thời có hại nhưng lại mở đường cho bước sau. Đây là cách kiểm tra bằng thực nghiệm một câu hỏi lớn của tiến hoá: tính năng phức tạp có thể hình thành từ từ không. Ưu điểm lớn của Avida là có thể chạy lại cùng một thí nghiệm hàng trăm lần, điều không thể làm với tiến hoá ngoài tự nhiên.
Sinh vật ảo biết bơi, biết bò
Năm 1994, nhà đồ hoạ máy tính Karl Sims công bố "sinh vật ảo tiến hoá": những cơ thể ghép từ các khối hộp, nối bằng khớp, có "bộ não" là mạng điều khiển đơn giản, sống trong một thế giới có lực hấp dẫn và nước mô phỏng. Hình dạng và bộ não đều tiến hoá qua chọn lọc. Sau nhiều thế hệ, có loài bơi bằng cách vẫy như rắn, có loài nhảy, có loài bò lết bằng một "chân". Nhiều kiểu chuyển động giống động vật thật, nhiều kiểu kỳ quặc chưa từng có. Đoạn phim của Sims đến nay vẫn được chiếu trong các bài giảng về tiến hoá.
Lenia: sinh vật trong một thế giới liên tục
Ô tự động truyền thống như "Đời sống" của Conway dùng ô rời rạc, trạng thái chỉ sống hoặc chết, thời gian nhảy từng bước. Năm 2019, Bert Wang-Chak Chan công bố Lenia, một ô tự động tổng quát hoá cả ba thứ: trạng thái là số thực từ 0 đến 1, vùng lân cận là một vòng tròn rộng có trọng số, thời gian có thể chia nhỏ gần liên tục. Trước đó, năm 2011, Stephan Rafler đã có ý tưởng tương tự với mô hình SmoothLife.
Kết quả là những "sinh vật" mềm mại, trông như vi sinh vật dưới kính hiển vi: có hình tròn, hình bánh xe, hình con sâu, biết trôi, xoay, co giãn, có loại tự tách đôi. Chan đặt tên khoa học cho chúng theo kiểu chi, loài như trong sinh học và lập một danh mục hàng trăm dạng. Những nghiên cứu sau đó kết hợp Lenia với tìm kiếm tự động bằng máy tính để phát hiện thêm sinh vật có khả năng tự phục hồi khi bị "cắt" hay vượt chướng ngại.
Như vậy có phải là sống không
Câu hỏi này chia giới nghiên cứu ra nhiều phía:
- Quan điểm mạnh: sự sống là một kiểu tổ chức, không phụ thuộc chất liệu. Nếu một chương trình tự sao chép, trao đổi "năng lượng", tiến hoá được, thì nó sống theo nghĩa đầy đủ.
- Quan điểm yếu: chương trình chỉ là mô phỏng sự sống, như mô phỏng cơn bão không làm ai ướt. Giá trị của nó là công cụ để hiểu sự sống thật.
Một định nghĩa làm việc thường được trích, gắn với chương trình sinh học vũ trụ của NASA từ thập niên 1990, mô tả sự sống là "một hệ hoá học tự duy trì có khả năng tiến hoá theo kiểu Darwin". Theo định nghĩa này, sinh vật số bị loại vì không phải hệ hoá học. Nhưng chính việc phải viết rõ chữ "hoá học" cho thấy câu hỏi không hề đơn giản.
Ở nhánh ướt, các nhà khoa học tiến gần hơn tới việc dựng sự sống từ chất liệu thật. Năm 2016, nhóm của Viện J. Craig Venter công bố một tế bào vi khuẩn với bộ gen tổng hợp tối giản chỉ 473 gen, chạm tới câu hỏi: tối thiểu cần bao nhiêu gen để sống.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát thế giới số
Lenia có bản chạy trên trình duyệt, chỉ cần mở ra là thấy các sinh vật trôi trên màn hình; Avida có bản giáo dục dùng trong nhiều lớp học sinh học ở Mỹ. Học sinh biết lập trình có thể tự dựng một thế giới nhỏ: một lưới, những "sinh vật" có vài con số làm gen, ăn "thức ăn" mọc ngẫu nhiên, sinh con có đột biến nhẹ, chết khi hết năng lượng. Chạy vài nghìn bước, ghi lại gen trung bình của quần thể, sẽ thấy chọn lọc tự nhiên làm việc trước mắt.
Điều đáng mang về: sự sống nhân tạo không cạnh tranh với sinh học, mà là một tấm gương. Mỗi lần một thế giới số làm được điều gì giống sinh vật, ta hiểu thêm điều đó cần tối thiểu những gì; mỗi lần nó thất bại, ta thấy rõ hơn sự sống thật tinh tế ra sao. Muốn đọc thêm, có thể tìm các bài của Thomas Ray về Tierra, bài Nature năm 2003 về Avida, và bài báo năm 2019 của Bert Chan về Lenia.
Câu hỏi thường gặp
Sự sống nhân tạo là gì?
Là lĩnh vực nghiên cứu sự sống bằng cách tự dựng lại các đặc điểm của nó trong máy tính, máy móc hoặc ống nghiệm. Tên gọi do Christopher Langton đặt khi tổ chức hội thảo đầu tiên ở Los Alamos năm 1987.
Tierra là gì?
Là thế giới số do Thomas Ray dựng năm 1990–1991, trong đó các chương trình mã máy tự sao chép, đột biến và cạnh tranh bộ nhớ, thời gian xử lý. Ký sinh và siêu ký sinh tự xuất hiện mà không ai lập trình sẵn.
Lenia là gì?
Là ô tự động liên tục do Bert Wang-Chak Chan công bố năm 2019, tổng quát hoá "Đời sống" của Conway với trạng thái, không gian và thời gian gần liên tục. Nó sinh ra hàng trăm dạng "sinh vật" mềm mại biết di chuyển, xoay và tự tách đôi.
Sinh vật trong máy tính có được coi là sống không?
Còn tranh luận. Quan điểm mạnh cho rằng sự sống là kiểu tổ chức nên chương trình tự sao chép và tiến hoá có thể coi là sống. Quan điểm yếu coi đó chỉ là mô phỏng, hữu ích để hiểu sự sống thật.
Avida khác Tierra thế nào?
Avida ra đời năm 1993, kế thừa ý tưởng Tierra nhưng mỗi sinh vật có ô riêng và được thưởng khi làm được phép tính, giúp làm thí nghiệm tiến hoá có đối chứng, lặp lại nhiều lần. Một nghiên cứu nổi tiếng trên Nature năm 2003 dùng Avida để xem tính năng phức tạp hình thành dần thế nào.
