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Accueil du site > Tribune Libre > Apprentissage profond (deep learning) dans le monde de la biologie

Apprentissage profond (deep learning) dans le monde de la biologie

Depuis la généralisation du darwinisme, les biologistes évolutionnistes se sont demandé si, pour une raison entièrement naturelle restant à découvrir, l'évolution ne pouvait pas être orientée a priori dans un sens favorable à l'apparition d'espèces de plus en complexes, voire de plus en plus « intelligentes » L'hypothèse présentée ici explore cette voie.

Les systèmes biologiques sont apparus sur Terre il y a environ 3,5 milliards d'années, avec les premières molécules réplicatives. Depuis, ils n'ont fait que s'étendre et se complexifier, avec l'explosion dite cambrienne (il y a entre 542 et 530 Ma). Sont alors apparus les grands embranchements de métazoaires ( pluricellulaires) avec une considérable diversification des espèces animales, végétales et bactériennes. Depuis Darwin, les scientifiques ne doutent plus que les espèces humaines successives, comme toutes les autres espèces vivantes, ont été les produits d'une telle évolution. Elle a résulté d'un phénomène générale, bien étudié depuis par les biologistes évolutionnaires, reposant sur le cycle mutation et sélection des plus aptes confrontés aux contraintes du milieu.

Les religions, encore aujourd'hui, continuent à affirmer que le mécanisme de la sélection darwinienne a été incapable d'orienter l'évolution dans un sens tel que la complexification et surtout l'adaptabilité croissante des espèces aient pu produire les espèces telles que nous les connaissons. Il a fallu qu'intervienne en permanence une volonté divine, extérieure au milieu biologique, pour obtenir ce résultat, dont l'homme est présenté comme le couronnement. Cette croyance n'est pas seulement partagée par les quelques 5 à 6 milliards d'humains sans formation scientifique se rattachant à diverses formes de religions, mais comme l'on sait par un certain nombre de scientifiques, les adeptes de l'hypothèse du Dessein Intelligent. Ceux-ci sont particulièrement nombreux aux Etats-Unis, profondément imprégnés par diverses croyances religieuses archaïques. Elles commencent à se répandre chez les musulmans s'intéressant à la science. Tout est dans le Coran. Tel est le propos que nous recueillons souvent ici.

Les biologistes évolutionnaires matérialistes (« naturalistes » selon le terme anglais courant) n'en persistent pas moins à expliquer l'évolution par la sélection darwinienne. Ils en apportent chaque jour de nouvelles preuves expérimentales. A ceux qui objectent le caractère apparemment dirigé de l'évolution, au profit des formes les plus adaptées, ils répondent que sur des milliards de mutations survenant au hasard, au sein de chaque espèce, pouvant produire des formes mal adaptées appelées à disparaître, finissent nécessairement par apparaître des formes mieux adaptées qui permettront à l'espèce de s'étendre et se perfectionner.

Cependant, depuis la généralisation du darwinisme, les évolutionnistes se sont demandé si, pour une raison entièrement naturelle restant à découvrir, l'évolution ne pouvait pas être orientée a priori dans un sens favorable à l'apparition d'espèces de plus en complexes, voire de plus en plus « intelligentes ». Tout se passerait alors comme si la vie elle-même s'organisait pour jouer le rôle attribuée à la divinité dans le Dessein Intelligent, poursuivre des finalités lui permettant de s'étendre sur Terre plus rapidement et de façon plus adaptative que résultant du seul hasard des mutations. Aucun mécanisme de cette sorte n'avait encore été démontré, mais cela n'empêchait pas les défenseurs d'une « évolution intelligente » naturelle d'en chercher de nouvelles preuves, explicables par des raisons entièrement matérielles. C'est ce que pensent aujourd'hui avoir réussi à faire deux scientifiques, un spécialiste des sciences computationnelles et un biologiste. (Voir ici Référence de l'article, dans Cell.com How Can Evolution Learn ? )

Le premier se nomme Richard Watson, professeur à l'University of Southampton School of Electronics and Computer Science et le second, Eörs Szathmàry, professeur de biologie à l'Université Eötvös Loránd de Budapest.

Ils s'appuient pour cela sur ce qu'ils savent des performances des systèmes d'intelligence artificielle (IA) dits « apprenant », reposant notamment sur les réseaux neuronaux, qui sont en train de conquérir le monde de l'IA et de la robotique évolutionnaire. Les logiciels de Deep learning (apprentissage profond), la programmation et l'apprentissage automatique, les réseaux neuronaux sont certes des créations produites pas des programmeurs. Elles visent à réaliser des fonctions déterminées et prévisibles. Les Google, Facebook, Caltech et autres leur prévoient actuellement de nombreuses applications avec les voitures sans conducteurs, la reconnaissance du langage et des images, etc.

Mais le dynamisme de ces logiciels est tel qu'ils paraissent pour certains spécialistes de l'IA, tels notre ami Alain Cardon, en train d'échapper à leurs concepteurs, civils ou militaires, et pouvoir se développer sous la forme de systèmes autonomes dotés de caractéristiques propres aux organismes biologiques, notamment l'aptitude à la mutation/sélection.

Le Deep learning dans l'évolution biologique

Cependant, si l'idée n'est pas nouvelle et fait le succès de nombreux ouvrages de science fiction, il reste à identifier de tels mécanismes, ou des mécanismes voisins, dans le monde biologique. Ceci non pas au niveau des organismes supérieurs dotés de cerveaux, capables en principe de se donner des objectifs et des méthodes leur permettant d'échapper au déterminisme biologique, mais à des niveaux beaucoup plus élémentaires. La démarche est d'ailleurs classique, nous dirions presque inévitable. Ce sont les innovations technologiques qui permettent ensuite d'identifier dans la nature. des mécanismes, sinon analogues du moins voisins et mettant en oeuvre les mêmes logiques. Par exemple le sonar militaire que l'on a « retrouvé » chez les chauves-souris, après l'avoir mis au point sans rien connaître des chauves-souris.

L'exemple du Deep learning a notamment été retenu par les auteurs. Ils montrent que la concurrence évolutive au niveau des individus (phénotypes) d'une espèce donnée n'a que des effets limités, car elle se borne à éliminer les individus les moins bien adaptés. Toute autre est la concurrence évolutive entre traits ou caractères de cette même espèce. Dans ce cas, elle a pour effet de contrôler la variabilité phénotypique.

La sélection naturelle peut alors faire apparaître des formes significatives d'apprentissage intelligent. Les systèmes biologiques évolutionnaires sur ce mode peuvent se comporter comme capables de résolutions de problème intelligentes. Apprenant globalement au niveau du système (et non du seul phénotype) ils peuvent s'instruire des expériences passées globales afin d'anticiper les futures évolutions nécessaires à l'adaptation face à un environnement lui-même évolutif. Ils se comportent comme un learning system artificiel.

Les auteurs concluent que les processus biologiques évolutionnaires sont équivalents, toutes choses égales d'ailleurs compte-tenu de supports différents, aux processus d'acquisition des connaissances dans les systèmes d'intelligences artificielle apprenante. Nous pouvons ici en déduire que si l'approche est fondée, ce qu'elle paraît bien être, il faudra l'étendre en recherchant dans les systèmes évolutionnaires biologiques d'autres équivalents, non des systèmes d'évolution artificielle intelligente tels qu'ils sont actuellement réalisés, mais de ceux qui ne manqueront pas d'apparaitre à l'avenir.

Comme quoi, en reprenant l'exemple de la chauve-souris, nous pouvons conclure que les technologies ne pourront jamais se perfectionner en imitant ce qu'elles croient voir dans la nature. Elles doivent suivre leurs voies propres de développement. Après coup seulement, les biologistes pourront constater qu'elles existaient déjà dans la nature. Avant cela, ils avaient le nez dessus, pour parler un peu rustiquement, mais ils ne voyaient rien. Regard non informé ne peut rien percevoir.

Images

* Deep Learning en IA. Exemple 1

* Deep Learning en IA. Exemple 2


* Deep learning biologique

Légende. The evolution of connections in a Recurrent Gene Regulation Network (GRN) shows associative learning behaviors. When a Hopfield network is trained on a set of patterns with Hebbian learning, it forms an associative memory of the patterns in the training set. When subsequently stimulated with random excitation patterns, the activation dynamics of the trained network will spontaneously recall the patterns from the training set or generate new patterns that are generalizations of the training patterns. (A–D) A GRN is evolved to produce first one phenotype (set of characteristics or traits — Charles Darwin in this example) and then another (Donald Hebb) in an alternating manner. The resulting phenotype is not merely an average of the two phenotypic patterns that were selected in the past. Rather, different embryonic phenotypes (e.g., random initial conditions C and D) developed into different adult phenotypes (with this evolved GRN) and match either A or B. These two phenotypes can be produced from genotypes (DNA sequences) that are a single mutation apart. In a separate experiment, selection iterates over a set of target phenotypes (E–H). In addition to developing phenotypes that match patterns selected in the past (e.g., I), this GRN also generalizes to produce new phenotypes that were not selected for in the past but belong to a structurally similar class, for example, by creating novel combinations of evolved modules (e.g., developmental attractors exist for a phenotype with all four “loops” (J). This demonstrates a capability for evolution to exhibit phenotypic novelty in exactly the same sense that learning neural networks can generalize from past experience. (credit : Richard A. Watson and Eörs Szathmáry/Trends in Ecology and Evolution)

Notes

1) Abstract de l'article  How Can Evolution Learn ? Accès payant

The theory of evolution links random variation and selection to incremental adaptation. In a different intellectual domain, learning theory links incremental adaptation (e.g., from positive and/or negative reinforcement) to intelligent behaviour. Specifically, learning theory explains how incremental adaptation can acquire knowledge from past experience and use it to direct future behaviours toward favourable outcomes. Until recently such cognitive learning seemed irrelevant to the ‘uninformed’ process of evolution. In our opinion, however, new results formally linking evolutionary processes to the principles of learning might provide solutions to several evolutionary puzzles – the evolution of evolvability, the evolution of ecological organisation, and evolutionary transitions in individuality. If so, the ability for evolution to learn might explain how it produces such apparently intelligent designs.

2) Sur le Deep learning ou « apprentissage profond », voir Wikipedia

Voir aussi un article très explicite du Monde


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11 réactions à cet article    


  • lsga lsga 17 janvier 13:08

    est-il vraiment nécessaire de rappeler que l’Univers tout entier devient de plus en plus complexe, et non pas uniquement les organismes biologiques ?
    Cela est vrai aussi, bien entendu, des systèmes politiques et économiques. Voilà pourquoi les réactionnaires sont les éternels perdant de l’Histoire.


    • mmbbb 17 janvier 18:43

      @lsga Plus le genre humain étend son empreinte sur cette terre par son activite economique , plus les ecosytemes et les biotopes en particulier tendent a disparaitre On assiste a un phenenome diametralement oppose les systeme economique politique deviennent de plus en plus complexe alors que l on assistera a la disparition de multiples especes C’est que prevoit les scientifiques du reste Il s’agit plutot d’une regression evolutive L’explosion demographique est de surcroit un mauvais présage Lorsque Darwin fendait les eaux avec son navire Beagle la terre est encore vierge « terra incognita » il y seulement quelques generations Quant a l intelligence artificielle rire nous sommes incapables de reproduire un raisonnement cognitif d’un poulpe ayant quelques neurones Les japonais ont essayes de produire un ordinateur biologique sans succes Reactionnaire ou pas nous ne pourrons pas dissocier l’activite economique de l’ecologie Comme le disait Saint Exepery nous sommes les locataires et nous devrions songer a ce que nous laisserons pour les generations futures


    • Bernard Dugué Bernard Dugué 17 janvier 21:07

      @lsga

      Bonsoir Jean Paul les idées que vous présentez comme nouvelles ont été déjà développées dans mon essai sur le vivant. Mais sans doute vous préférez commenter les réflexions de pontes de la science. C’est votre droit et votre choix. Je défends pour ma part mes travaux qui je le pense et l’espère, sont en avance par rapport aux auteurs scientifiques que vous recensez. C’est dommage. Vous faites fausse route, Jean-Paul


    • non667 17 janvier 14:14

      1°« automate intelligent » est un abus de langage !
      même les automates capable de « s’autoprogrammer » ont été au préalable programmés pour cela !
      jp basquiast intelligent ?
      prétentieux :oui

      2° pour la 1° apparition de la vie ( la plus simple , naissance -maturation -reproduction -mort ) a partir de l’inerte, la sélection naturelle (façon darwin ) ne pouvait jouer !
      si l’apparition était « naturelle » elle se reproduirait des millions de fois et on pourrait l’observer /la découvrir . les « savant » pourrait la reproduire/creer ce dont ils sont bien incapables aujourd’hui !
       


      • @non667
        Merci de ce commentaire éclairant...


      • gogoRat gogoRat 17 janvier 20:00

        Affirmation péremptoire et un peu trop rapide :  
          « Les religions, encore aujourd’hui, continuent à affirmer que le mécanisme de la sélection darwinienne a été incapable d’orienter l’évolution dans un sens tel que la complexification et surtout l’adaptabilité croissante des espèces aient pu produire les espèces telles que nous les connaissons. »
          
         N’auriez vous donc jamais lu cet ouvrage de Teilhard de Chardin ? :
          ’La place de l’homme dans la nature - Le groupe zoologique humain’ et son introduction du concept de ’Noosphère
          
          
         ( De mémoire, une intuition intéressante serait qu’à partir d’un effectif de constituants de l’ordre du million, seraient apparus, à des niveaux de complexité successifs, et je dirais ’emboîtés’ les uns dans les autres, des propriétés émergentes propres à chaque niveau de complexité atteint :  
         les premiers niveaux, physiques, relevant des compétences classiques des biologistes. Les niveaux plus évolués, atteints par l’Homme, pouvant être soupçonnés dans les ramifications culturelles ou conceptuelles développées dans des domaines beaucoup moins matériellement repérables )
          
         Avant de nous croire ’avant-gardistes’ voire ’en avance’, reste à ’rendre à César ce qui est à césar, ... "


        • @gogoRat
          Quelques fussent les qualités de TdeC, il n’est plus depuis longtemps considéré comme une référence en sciences matérialistes. Il s’agissait d’un précurseur du Dessein Intelligents


        • rhea 1481971 17 janvier 21:13

          Pour moi la disparition des dinosaures est du à leur empreinte écologique qui était trop grande pour la planète à cette époque, il en va de même pour notre espèce, quand notre empreinte écologique deviendra trop grande un processus naturel s’enclenchera et nous disparaîtrons. A calculer !


          • nours77 nours77 18 janvier 04:47

            Une sphère de Dyson ? Une noosphère d évolution ? une chose immatériel qui relie le vivant lui faisant prendre le même chemin... Combien y a t il de solution efficace a un même problème... ?

            La nature est vielle, et doit avoir testé tout les chemins possibles... Il est évident que pour ceux qui ce place a la fin su processus et qui ne voie que les systèmes fonctionnels, penser un système qui ne l est pas est complexe, mais cela ne veut pas dire qu ils n ont jamais existé... Le sonar des chauve souris n était peut être pas le seul, mais le plus efficace, ou uste l un des chemins que l on a choisie arbitrairement... comparer a la vision des chouettes, la chimie des insecte souterrain, les sens des rongeurs... il faut tenté d avoir une vue d ensemble pour jugé de l efficacité d un système... extraire l évolution de sont contexte n est clairement pas la bonne méthode a mon sens.


            • chapoutier 18 janvier 10:59

              qu’est ce qui permet d’affirmer que la nature veut sélectionner ’’du plus complexe’’ , du ’’plus intelligent’’ ? à priori rien ne le permet ! le requin existe depuis une éternité, il est totalement adapté à son milieu, au sommet de sa chaine alimentaire et il n’a pas ’’ évolué ’’ d’un poil depuis le temps.

              en quoi la complexité et l’intelligence serai un gage de survie pour une espèce ?

              l’humanité est devenu intelligente et elle est sur le point de disparaitre ( si on ne change pas de paradigme) . le requin nous survivra ! si la nature nous a sélectionné , elle s’est mis le doigt dans l’œil !!!!


              • gogoRat gogoRat 19 janvier 12:40

                Qu’avons-nous à faire de savoir si ’la nature’ veut sélectionner ?
                à moins de voir ’nature’ comme un mot remplaçant celui de ’Dieu’ devenu tabou ?

                 Ce qui est constructif (pour le débat et un échange fructueux de perspectives et de ressentis) c’est de prendre note des intuitions et formulations exposées publiquement par des célébrités comme Teilhard de Chardin, ou plus récemment notre Nobel français de chimie JM Lehn : la complexité de notre univers est liée au phénomène de la vie.
                  
                 La pérennité d’une espèce peut, certes, être cependant favorisée par des évolutions simplificatrices. Je sais que des spécialistes ont émis l’hypothèse que de tel cas biologiques n’aient pu se produire, paradoxalement, qu’après une phase de plus grande complexité ; mais je n’ai pas fait ici pour vous les recherches sur Internet pour préciser : à chacun de voir ...
                 Cela reviendrait peut-être à un ’apprentissage’ (intelligent ?) de la simplicité

                 Reste qu’il n’est sans doute pas établi pour tout le monde et dans tous les ’esprits’ que l’objectif Humain soit nécessairement une vie étenelle pour notre espèce ?

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