Кіріспе
Израильдік компьютер ғалымы Эхуд Шапиро (; 1955 жылы туған) – Израиль ғалымы, кәсіпкер, суретші және саяси белсенді, Вайсман ғылым институтының компьютерлік ғылым және биология профессоры. Халықаралық беделге ие, ол көптеген ғылыми салаларға маңызды үлес қосты, әрқайсысында жаңа, түбіртек сұрақтар қойып, оларға жауап берудің алғашқы қадамын жасады, соның ішінде ғылыми зерттеу процесін компьютерлендіру қалай жүзеге асырылуы мүмкін екендігі, Карл Поппердің болжаулар мен жорамалдар әдістемесіне алгоритмдік тұрғыдан түсіндіру арқылы; қателерді анықтау алгоритмдері арқылы бағдарламаны жөндеуді автоматтандыру; параллель, таратылған және жүйелік бағдарламалауды жоғары деңгейдегі логикалық бағдарламалау тілімен біріктіру қалай мүмкін; метаәлемді әлеуметтік желілердің негізі ретінде пайдалану; интеллектуалды бағдарламаланатын дәрілер ретінде жұмыс істейтін молекулалық компьютерлерді құру; жеке жасуша геномикасы арқылы адам жасушаларының тегін анықтау; цифрлық демократияны қолдау үшін цифрлық кеңістікке баламалы архитектураны әзірлеу. Шапиро сондай-ақ интернет пионері, кәсіпкер және жаһандық цифрлық демократияның негізін салушы және жақтаушысы болды. Шапиро – "Ba Rock Band" тобының және Израильдің "Democratit" саяси партиясының құрылтайшысы. Ол екі ERC (Еуропалық зерттеу кеңесі) жоғары грантының иегері.
Ehud Shapiro (; born 1955) is an Israeli scientist, entrepreneur, artist, and political activist who is Professor of Computer Science and Biology at the Weizmann Institute of Science. With international reputation, he made fundamental contributions to many scientific disciplines, laying in each a long term research agenda by asking a novel basic question and offering a first step towards answering it, including how to computerize the process of scientific discovery, by providing an algorithmic interpretation to Karl Popper's methodology of conjectures and refutations; how to automate program debugging, by algorithms for fault localization; how to unify parallel, distributed, and systems programming with a high level logic based programming language; how to use the metaverse as a foundation for social networking; how to devise molecular computers that can function as smart programmable drugs; how to uncover the human cell lineage tree, via single cell genomics; how to support digital democracy, by devising an alternative architecture to the digital realm. Shapiro was also an internet pioneer, entrepreneur, and a pioneer and proponent of global digital democracy. Shapiro is the founder of the Ba Rock Band and a founder of the Israeli political party "Democratit". He is a winner of two ERC (European Research Council) Advanced Grants.
Ерте өмір және білім
1955 жылы Иерусалимде дүниеге келген Шапиро Карл Поппердің ғылым философиясымен Тель-Авив университетінің философия кафедрасының профессоры Моше Крой басшылығымен орта мектептегі жобасы арқылы танысқан. 1979 жылы Шапиро Тель-Авив университетінде математика және философия мамандықтары бойынша бакалавр дәрежесін аяқтады. Шапироның Йель университетінде Дана Англюинмен бірлескен компьютерлік ғылымдардағы PhD жұмысы Поппердің ғылыми жаңалықтарға қатысты философиялық көзқарасын алгоритмдік тұрғыдан түсіндіруге бағытталған. Нәтижесінде фактілерден логикалық теорияларды шығаруға арналған компьютерлік жүйе және Prolog бағдарламалау тілін пайдалана отырып жасалған бағдарламаны түзету әдістемесі пайда болды. Оның "Алгоритмдік бағдарламаны түзету" атты диссертациясы 1982 жылы MIT Press баспасында ACM Distinguished Dissertation ретінде жарияланды, ал 1986 жылы Леон Стерлингпен бірге жазған "Пролог өнері" атты оқулығы жарық көрді.
Зерттеу
Поппердің пікірінше, барлық ғылыми теориялар өз табиғатынан болжамдар болып табылады және қателікке бейім, ал ескі теорияны жоққа шығару ғылыми жаңалықтардың ең маңызды процесі болып табылады. Шапироның Англюинмен бірлескен докторлық зерттеулері Поппердің ғылыми жаңалықтарға қатысты көзқарасын алгоритмдік тұрғыдан түсіндіруге бағытталды, әсіресе "Болжамдар мен жоққа шығарулар" әдісін автоматтандыру мақсатында – батыл болжамдар жасау және оларды жоққа шығаруға бағытталған тәжірибелер жүргізу. Шапиро мұны "Қайшылықты кері іздеу алгоритміне" жалпылады, бұл алгоритм кез келген болжамдық теория мен фактілер арасындағы қайшылық туындағанда қолданылады. Модельдегі негізгі атомдардың шектеулі санын олардың растығын тексеру арқылы, алгоритм осы қайшылықтың себебін, яғни жалған гипотезаны анықтап, оған қарсы мысал келтіру арқылы оның жалғандығын дәлелдей алады. Шапиро индуктивті логикалық бағдарламалаудың теориялық негізін қалады және оның алғашқы іске асырылуын (Модельдік қорыту жүйесі) құрды – оң және теріс мысалдардан логикалық бағдарламаларды индуктивті түрде шығаратын Prolog бағдарламасы. Индуктивті логикалық бағдарламалау қазіргі таңда логикалық бағдарламалауды мысалдар, алдыңғы білім және гипотезалар үшін біртұтас бейнелеу ретінде пайдаланатын жасанды интеллект пен машиналық оқыту саласының маңызды бөлігіне айналды. Осы саладағы соңғы жұмыстар, логикалық бағдарламалау, оқыту және ықтималдықтың үйлесімі арқасында статистикалық реляциялық оқытудың жаңа саласын құрды.
Алгоритмдік бағдарламаның қатесін жою
Алгоритмдік жөндеуді алғаш рет Шапиро Йель университетіндегі PhD зерттеуі кезінде әзірледі, бұл әдіс оның докторлық диссертациясында жарияланды және 1982 жылы ACM-нің ерекше диссертациясы ретінде таңдалды. Шапиро логикалық бағдарламаларды жөндеу үшін Prolog (жалпы мақсаттағы логикалық бағдарламалау тілі) негізінде алгоритмдік жөндеу әдісін іске асырды. Логикалық бағдарламалар үшін бағдарламаның күтілетін әрекеті – модель (тура мәлімдемелердің жиынтығы) болып табылады, ал қателер бағдарламаның толық еместігі (тура мәлімдемені дәлелдеуге болмайтындық) немесе қателігі (жалған мәлімдемені дәлелдеу мүмкіндігі) түрінде көрінеді. Алгоритм бағдарламадағы жалған мәлімдемені анықтап, оған қарсы мысал келтіретін немесе оны немесе оның жалпыламасын бағдарламаға қосу қажеттігін көрсететін тура мәлімдемені ұсынатын еді. Сонымен қатар, тоқтаусыз жұмыс істеу жағдайларын шешу әдісі де әзірленді. Осыдан бері алгоритмдік жөндеу тәсілі кеңейтіліп, көптеген бағдарламалау тілдеріне қолданылды.
Бесінші буын компьютерлік жүйелер жобасы
Бесінші буын компьютерлік жүйелер жобасы (FGCS) – Жапонияның Халықаралық сауда және өнеркәсіп министрлігінің 1982 жылы бастаған, жаппай параллель есептеу/өңдеуді пайдаланатын компьютер жасауға бағытталған бастамасы. Бұл 1980-ші жылдары Жапониядағы үкімет пен өнеркәсіп бірлесіп жүргізген зерттеу жобасының нәтижесі болды. Оның мақсаты – суперкомпьютерге тәңдес өнімділікке ие "эпохалық компьютер" жасау және жасанды интеллекттің болашақ дамуы үшін платформа құру. 1982 жылы ICOT-қа жасаған сапарында Шапиро Concurrent Prolog-ты ойлап тапты, ол логикалық және бір мезгілдегі бағдарламалауды біріктіретін жаңа бір мезгілдегі бағдарламалау тілі. Concurrent Prolog – бір мезгілде бағдарламалау және параллель орындауға арналған логикалық бағдарламалау тілі. Бұл процеске бағытталған тіл, ол дерек ағыны синхрондауын және қорғалған команданың белгісіздігін негізгі басқару механизмдері ретінде қамтиды. Шапиро тілді ICOT техникалық есебі 003 деп белгіленген баяндамада сипаттады, онда Prolog-та жазылған Concurrent Prolog интерпретаторы ұсынылған. Шапироның Concurrent Prolog бойынша жұмысы FGCS жобасының бағытын Prolog-ты параллель түрде іске асырудан concurrent logic бағдарламалауды жобаның бағдарламалық негізі ретінде қарастыруға өзгертуге ықпал етті. Бұл сонымен қатар Уэданың Guarded Horn Clauses (GHC) бір мезгілдегі логикалық бағдарламалау тілін шабыттандырды, ол KL1-дің негізі болды – бұл бағдарламалау тілі FGCS жобасымен оның негізгі бағдарламалау тілі ретінде жобаланып, іске асырылды.
Ubique Ltd.
1993 жылы Шапиро Вейцман институтынан демалысқа шығып, Израильдің интернет бағдарламалық жасақтамасы саласындағы алғашқы компаниялардың бірі – Ubique Ltd. компаниясын құрып, оның бас директоры болды. Ubique – жедел хабар алмасу, чат бөлмелері, бірлескен интернетке шолу, онлайн іс-шаралар мен ойындар, сондай-ақ IP желісі арқылы дауыс беруді қамтитын, жаңашыл 2D метаәлем және әлеуметтік желі бағдарламалық жасақтамасын әзірлеген бағдарламалық жасақтама компаниясы. Компанияның алғашқы өнімі – Virtual Places 1.0 Unix негізіндегі жұмыс станцияларында жасалды және Netscape Communications браузері мен серверлік өнімдерін жариялаған күні таныстырылды. Virtual Places 2.0 Windows 95 және дербес компьютерлерге (PC) негізделген. Бұл идеялар мен технологиялардың біріктірілген түрі жаңашылдығымен, революциялық екенімен және, мүмкін, өз заманынан озып кеткенімен ерекшеленді. Ubique 1995 жылы America Online компаниясына сатылды, 1997 жылы басшылығы оны қайта сатып алды, ал 1998 жылы IBM компаниясына қайта сатылды. Ubique технологиясы IBM-нің табысты SameTime жедел хабар алмасу өнімінің негізіне айналды.
Молекулалық бағдарламалау тілдері
2002 жылы Nature журналында жарияланған «Клеткалық абстракциялар: Клеткалар есептеу ретінде» атты мақаласында Шапиро және оның Ph.D. студенті Авив Регев мына сұрақ қойды: Биомолекулалық жүйелерді зерттеуде ұқсас есептеулік серпіліс жасауға неге болмайды? Реттік және құрылымдық зерттеулер тиімді абстракцияларды қабылдады: «ДНК – жол» және «белок – үш өлшемді белгіленген граф» секілді. Олар компьютерлік ғылымның биомолекулалық жүйелер үшін қажетті абстракцияны ұсынуға қабілетті деп сенді. Регев пен Шапиро бірлесіп, «молекула – есептеу» абстракциясын зерттеу үшін озық компьютерлік ғылым тұжырымдамаларын қолданды, онда өзара әрекеттесетін молекулалық бірліктер жүйесі өзара әрекеттесетін есептеулік бірліктер жүйесімен сипатталып, модельделеді. Ол биомолекулалық жүйелерді – реттеуші, метаболизм және сигнал беру жолдары, сондай-ақ иммундық жауаптар сияқты көпжасушалы процестерді бейнелеу үшін өзара әрекеттесетін есептеулер жүйелерін сипаттау және зерттеу үшін абстрактілік компьютерлік тілдерді жасады. Бұл жаңаша жұмыс (алғашқыда π-есептеуін, яғни процесс есептеуін қолданған) кейіннен Ұлыбританиядағы IBM Cambridge (Лука Карделли) тарапынан қабылданып, SPiM (Стохастикалық Pi-есептеу машинасы) әзірленді. Соңғы он жылда бұл сала кең ауқымды қолданыстармен гүлденді. Жақында бұл сала молекулалық есептеу және молекулалық бағдарламалау екі саласының синтезіне дейін жетті. Осы екеуінің үйлесуі әртүрлі математикалық формализмдердің (мысалы, Химиялық реакциялар желісі) «бағдарламалау тілдері» ретінде қолданылуын және әртүрлі молекулалық архитектуралардың (мысалы, ДНК молекулаларының архитектурасы) қолданылатын формализммен математикалық түрде өрнектелген кез келген мінез-құлықты іске асыруға қабілетті екенін көрсетті.
Дәрігер камерада
Компьютерлік ғылым мен молекулалық биологияны үйлестіре отырып, зерттеушілер болашақта адам ағзасының ішінде шарлап, ауруларды диагностикалайтын және емдеуді жүзеге асыратын бағдарламаланатын биологиялық компьютерді жасауға қол жеткізді. Шапиро оны "жасушадағы дәрігер" деп атады. Оның тобы толығымен биологиялық молекулалардан құралған молекулалық компьютерді жобалады, ол ДНК кіретін молекуласын отын ретінде пайдаланатын, бағдарламаланатын компьютердің математикалық моделі – шекті автоматтарды іске асырды. 2003 жылы бұл молекулалық компьютер ең кішкентай молекулалық есептеу құрылғысы ретінде Гиннестің рекордтар кітабына енді. Кейіннен молекулалық компьютерге кіріс-шығыс механизмі қосылды, осы арқылы оны сынақ түтігінде адам ағзасындағы белгілі бір қатерлі ісіктердің болуын көрсететін молекулалық өзгерістерді анықтау үшін бағдарламалауға және қажет болған жағдайда дәрілік молекуланы босатуға болады. Компьютер қатерлі ісіктің нақты түрін анықтап, қатерлі жасушалардың қызметіне кедергі келтіретін және оларды өзін-өзі жоюға мәжбүрлейтін дәрілік молекулаларды өндіре алады. Осы жұмысы үшін 2004 жылы Шапиро "Scientific American 50" тізіміне нанотехнология саласындағы зерттеу жетекшісі ретінде енді. 2009 жылы Шапиро және Ph.D. студенті Том Ран ДНК жіптерін манипуляциялауға негізделген, қарапайым логикалық қорытындыларды орындауға қабілетті автономды бағдарламаланатын молекулалық жүйенің прототипін ұсынды. Бұл прототип молекулалық деңгейде іске асырылған алғашқы қарапайым бағдарламалау тілі болды. Егер бұл жүйе ағзаға енгізілсе, ол миллиондаған есептеулерді бірден орындай алатындықтан және логикалық тұрғыдан "ойлай" алатындықтан, нақты жасуша түрлерін дәл нысанаға алып, тиісті емді қолдануға зор мүмкіндік береді. Шапироның командасы осы компьютерлерді өте күрделі әрекеттерді орындауға және күрделі сұрақтарға жауап беруге бағытталды, бұл логикалық модель Аристотельдің 2000 жыл бұрын ұсынған қағидаларына сәйкес келеді. Сондай-ақ, команда микроскопиялық есептеу құрылғыларын "пайдаланушыға ыңғайлы" ету үшін жоғары деңгейдегі компьютерлік бағдарламалау тілі мен ДНК есептеу кодын байланыстыратын компилятор – бағдарлама жасады. Олар электронды компьютерді қалай пайдалануды білетін кез келген адамның, молекулалық биология саласында білімі болмаса да, биомолекулалық компьютерді пайдалануына мүмкіндік беретін, гибридті in silico/in vitro жүйесін жасауға тырысты, молекулалық логикалық бағдарламаларды электронды компьютерлерге ұқсас тәсілмен құруға және орындауға мүмкіндік береді. 2012 жылы Шапиро, Том Ран және студенттер бактериялық жасушаларда өздігінен жұмыс істейтін генетикалық құрылғыны жасауға жетістікке қол жеткізді. Бұл құрылғы белгілі бір параметрлерді анықтап, тиісті жауап беру үшін бағдарламаланды. Құрылғы жасушадағы гендердің экспрессиясын басқаратын транскрипция факторлары – ақуыздарды іздейді. Бұл молекулалардың дисфункциясы гендердің экспрессиясын бұзуы мүмкін. Келесі зерттеулерде Бененсон және оның командасы тышқандардағы белгілі бір түріндегі қатерлі ісікті емдей алатын молекулалық компьютерді жасады, мақсаты осы әдіске негізделген қатерлі ісікке қарсы дәрі жасау.
ДНҚ өңдеу
Шапиро қатеге бейім құрылыс блоктарынан қатесіз ДНК молекулаларын синтездеудің тиімді әдісін жасады. ДНК бағдарламалау – компьютерлік бағдарламалаудың ДНК-ға баламасы. Компьютерлік бағдарламалаудың негізгі циклі – қолданыстағы бағдарламаны өзгерту, өзгертілген бағдарламаны тексеру және қажетті нәтижеге қол жеткізгенше қайталау. Сол сияқты, ДНК бағдарламалау циклі – ДНК молекуласын өзгерту, оның нәтижесіндегі әрекетін тексеру және мақсатқа (әрекетті түсіну немесе оны жақсарту) жеткенше қайталау. Шапиро CADMAD консорциумын құрды, оның мақсаты – электрондық мәтін редакторларының пайда болуымен мәтін өңдеуде болған революцияға ұқсас ДНК өңдеуде революция жасау болатын. Бұл мақсат ақырында басқалармен, бірақ басқа технологияны пайдаланып – CRISPR гендік өңдеуі арқылы қол жеткізілді.
Адам жасушасының туыстық ағашы
2005 жылы Шапиро және студенттер адам биологиясындағы келесі үлкен міндеттің көрінісін ұсынды: Адам жасушаларының тегін анықтау. Әрбір адамның ішінде жасушалық тектің ағашы болады. Адам жасушаларының тегін анықтау міндеті, мәні мен көлемі жағынан Адам геномдық жобасының бастапқы кезеңіндегі қиындықтарды еске түсіреді, және оның нәтижелері геномдық тізбектің функционалдық түсіндірілуіне және толыққанды түсінуіне маңызды үлес қосады. Адам жасушаларының тегі жобасының сәтті болуы үшін Адам геномдық жобасы кезінде болған сияқты технологиялық прогресс қажет, ал мұндай жетістіктің биологиялық және биомедициналық әсері Адам геномдық жобасынан кем болмаса, тіпті одан да зор болуы мүмкін. TEDxTel Aviv сөз сөйлеуінде "Адам жасушаларының тегін анықтау – келесі үлкен ғылыми міндет" ол цифрлық қоғамдастыққа; ұсыныстарды енгізудегі теңдікке; пікір алмасу мен коалиция құрудағы теңдікке; конституция жасаудағы теңдікке; және қоғамдық бөлінудегі теңдікке тоқталды.
Жергілікті деңгейдегі цифрлық демократия
Цифрлық қоғамдастықтың басқарудағы теңдігі тек қана қоғамдастық жұмыс істейтін платформаға да қатысты болған жағдайда ғана мағыналы. Бүгінде цифрлық кеңістік екі түрлі платформаның үстемдігінде: автократиялық сервер/бұлт негізді (мысалы, Facebook) және плутократиялық жұмыс дәлелі/үлесі негізді (мысалы, Bitcoin/Ethereum), сонымен қатар демократиялық балама жоқ. Бұл мәселені шешуге көмектесу үшін Шапиро цифрлық кеңістік үшін үшінші баламалы архитектураны ұсынады, оны «халықтық цифрлық демократия» деп атайды. Формальды емес тұрғыдан, егер таратылған жүйеде автономды, тәуелсіз орналастырылған мысалдар болса, онда ол географиялық және уақыт бойынша өзара байланысқан кезде өзара әрекеттесе алады. Мысалы, серверсіз смартфонға негізделген әлеуметтік желі бірнеше тәуелсіз дамитын қауымдастықтарды қолдауы мүмкін, олар бір қауымдастықтың мүшесі екіншісіне мүше болған кезде бірігеді. Халықтық қолданбалар адамдарға әлеуметтік, экономикалық, азаматтық және саяси өмірін цифрлық кеңістікте тек өздеріне тиесілі және басқаратын желілік есептеу құрылғыларын (мысалы, смартфондар) пайдаланып жүргізуге мүмкіндік береді, бұл үшінші тараптың бақылауынан, қадағалауынан, манипуляциясынан, мәжбүрлеуден немесе құндылықты алудан (мысалы, Facebook немесе Bitcoin сияқты жаһандық цифрлық платформалар арқылы) қорғайды. Шапиро 2012 жылы «Ашық партия» (кейін «Ашық қауымдастық») жобасын бастап, басқарды, ол интернет арқылы тікелей демократияны қолдайтын электрондық партияның жұмыс істеуіне негіздерді ұсынуға бағытталған. Ол 2016 жылы Дүниежүзілік экономикалық форумда және Financial Times Opinion мақаласында электрондық демократия туралы түсініктерін одан әрі кеңейтті. 2020 жылы ол «Демократия» бостандық, теңдік және бауырластық» саяси партиясын құрды.