Введение

Израильский учёный-компьютерщик Эхуд Шапиро (род. 1955) — израильский учёный, предприниматель, художник и политический активист, профессор компьютерных наук и биологии в Институте науки Вейцмана. Обладая международной репутацией, он внес фундаментальный вклад во многие научные дисциплины, определяя долгосрочные исследовательские направления, формулируя новые основополагающие вопросы и предлагая первые шаги к их решению, в том числе в области компьютеризации процесса научного открытия посредством алгоритмической интерпретации методологии фальсификации Карла Поппера; автоматизации отладки программ с помощью алгоритмов локализации неисправностей; объединения параллельного, распределённого и системного программирования с помощью языка программирования высокого уровня, основанного на логике; использования метавселенной как основы для социальных сетей; создания молекулярных компьютеров, способных функционировать как интеллектуальные программируемые лекарства; установления родословленной клеток человека с помощью геномики отдельных клеток; поддержки цифровой демократии посредством разработки альтернативной архитектуры для цифрового пространства. Шапиро также был пионером интернета, предпринимателем и сторонником глобальной цифровой демократии. Он является основателем группы Ba Rock Band и одним из основателей израильской политической партии "Демократит". Шапиро — лауреат двух грантов ERC (Европейского исследовательского совета).

Ранние годы и образование

Родившийся в Иерусалиме в 1955 году, Шапиро познакомился с философией науки Карла Поппера, выполняя школьный проект под руководством Моше Кроя из кафедры философии Тель-Авивского университета. В 1979 году Шапиро завершил бакалавриат в Тель-Авивском университете по математике и философии. В своей докторской диссертации, написанной под руководством Даны Англюин в области компьютерных наук в Йельском университете, Шапиро попытался предложить алгоритмическую интерпретацию философского подхода Поппера к научному познанию, что привело к созданию как компьютерной системы для вывода логических теорий из фактов, так и методологии отладки программ, разработанной с использованием языка программирования Prolog. Его диссертация "Алгоритмическая отладка программ" была опубликована издательством MIT Press в 1982 году как выдающаяся диссертация ACM, а в 1986 году вышла книга "Искусство Prolog", учебник, написанный в соавторстве с Леоном Стерлингом.

Исследования

Поппер предположил, что все научные теории по своей природе являются гипотезами и изначально несовершенны, и что опровержение старой теории – это первостепенный процесс научного открытия. Докторская диссертация Шапиро, выполненная под руководством Англюина, была направлена на предоставление алгоритмической интерпретации подхода Поппера к научному открытию, в частности, для автоматизации метода «Предположения и опровержения», заключающегося в выдвижении смелых гипотез и последующем проведении экспериментов, направленных на их опровержение. Шапиро обобщил это в «Алгоритм обратного отслеживания противоречий» – алгоритм для поиска источника противоречий. Этот алгоритм применим всякий раз, когда возникает противоречие между некоторой выдвинутой теорией и фактами. Проверяя конечное число элементарных атомов на истинность в модели, алгоритм может отследить источник этого противоречия, то есть ложную гипотезу, и продемонстрировать её ложность, предоставив контрпример. Шапиро заложил теоретические основы индуктивного логического программирования и создал его первую реализацию (Model Inference System) – программу на Prolog, которая индуктивно выводила логические программы из положительных и отрицательных примеров. Индуктивное логическое программирование сегодня активно развивается как подраздел искусственного интеллекта и машинного обучения, использующий логическое программирование в качестве единого способа представления примеров, фоновых знаний и гипотез. Недавние исследования в этой области, объединяющие логическое программирование, обучение и теорию вероятностей, привели к появлению новой области – статистического реляционного обучения.

Алгоритмическое отладка программ

Алгоритмическая отладка была впервые разработана Шапиро во время его докторских исследований в Йельском университете, как представлено в его диссертации, удостоенной награды ACM Distinguished Dissertation в 1982 году. Шапиро реализовал метод алгоритмической отладки в Prolog (языке логического программирования общего назначения) для отладки логических программ. В случае логических программ, ожидаемое поведение программы представляется в виде модели (набора простых истинных утверждений), а ошибки проявляются как неполнота программы (невозможность доказать истинное утверждение) или ошибочность (возможность доказать ложное утверждение). Алгоритм выявлял ложное утверждение в программе и предоставлял контрпример к нему или указывал на отсутствующее истинное утверждение, которое необходимо добавить в программу (или его обобщение). Также был разработан метод обработки ситуаций бесконечного выполнения. С тех пор подход алгоритмической отладки был расширен и применен ко многим языкам программирования.

Проект "Компьютерные системы пятого поколения"

Проект компьютерных систем пятого поколения (FGCS) был инициативой Министерства международной торговли и промышленности Японии, начатой в 1982 году, с целью создания компьютера, использующего массивно-параллельные вычисления. Он стал результатом масштабного государственно-частного исследовательского проекта в Японии в 1980-х годах. Целью проекта было создание "революционного компьютера" с производительностью, сравнимой с суперкомпьютером, и обеспечение платформы для будущих разработок в области искусственного интеллекта. В 1982 году, во время визита в ICOT, Шапиро изобрел Concurrent Prolog – новый язык программирования, объединяющий логическое и конкурентное программирование. Concurrent Prolog – это логический язык программирования, разработанный для конкурентного программирования и параллельного выполнения. Это язык, ориентированный на процессы, в котором синхронизация потоков данных и недетерминированность управляемых команд реализованы как основные механизмы управления. Шапиро описал язык в отчете ICOT Technical Report 003, представившем интерпретатор Concurrent Prolog, написанный на Prolog. Работа Шапиро над Concurrent Prolog послужила толчком к изменению направления FGCS: от акцента на параллельной реализации Prolog к акценту на конкурентном логическом программировании как программной основе проекта. Она также вдохновила Уэду на создание языка конкурентного логического программирования Guarded Horn Clauses (GHC), который стал основой KL1 – языка программирования, разработанного и реализованного проектом FGCS в качестве основного языка программирования.

Ubique Ltd.

В 1993 году Шапиро взял отпуск из Института Вейцмана, чтобы основать и возглавить Ubique Ltd., израильского пионера в области программного обеспечения для интернета. Ubique была компанией, разработавшей новаторскую 2D-метавселенную и программное обеспечение для социальных сетей, включавшее мгновенные сообщения, чат-комнаты, совместный просмотр веб-страниц, онлайн-мероприятия и игры, а также передачу голоса по IP. Первый продукт компании, Virtual Places 1.0, был разработан на рабочих станциях на базе Unix и представлен в тот же день, когда Netscape Communications анонсировала свои браузер и сервер. Virtual Places 2.0 была основана на Windows 95 и персональных компьютерах. Эти идеи и технологии – интегрированные в единый продукт – были новыми, революционными и, возможно, опередили свое время. Ubique была продана America Online в 1995 году, выкуплена руководством компании в 1997 году и вновь продана IBM в 1998 году, где технология Ubique легла в основу успешного продукта мгновенных сообщений IBM SameTime.

Молекулярные языки программирования

В статье, опубликованной в 2002 году в журнале Nature под названием «Клеточные абстракции: клетки как вычисления», Шапиро вместе со своим аспирантом Авивом Регевом задался вопросом: почему изучение биомолекулярных систем не может совершить аналогичный вычислительный прорыв? Исследования последовательностей и структуры уже использовали удачные абстракции: «ДНК как строка» и «белок как трехмерный помеченный граф» соответственно. Они полагали, что компьютерная наука может предоставить столь необходимую абстракцию для биомолекулярных систем. Вместе Регев и Шапиро применили передовые концепции компьютерных наук для изучения абстракции «молекула как вычисление», в которой система взаимодействующих молекулярных сущностей описывается и моделируется системой взаимодействующих вычислительных сущностей. Он разработал абстрактные компьютерные языки для спецификации и изучения систем взаимодействующих вычислений, чтобы представлять биомолекулярные системы, включая регуляторные, метаболические и сигнальные пути, а также многоклеточные процессы, такие как иммунный ответ. Эта новаторская работа (первоначально основанная на π-исчислении, процессе исчисления) позже была продолжена IBM Cambridge в Великобритании (Лука Кардели), который разработал SPiM (Stochastic Pi Calculus Machine). В последнее десятилетие эта область активно развивалась, получив широкое разнообразие применений. В последнее время эта область даже эволюционировала в синтез двух различных направлений – молекулярных вычислений и молекулярного программирования. Сочетание этих двух областей демонстрирует, как различные математические формализмы (например, сети химических реакций) могут служить «языками программирования», а различные молекулярные архитектуры (например, архитектура молекул ДНК) в принципе могут реализовать любое поведение, которое может быть математически выражено используемым формализмом.

Врач в камере

Объединив информатику и молекулярную биологию, исследователи создали программируемый биологический компьютер, который в будущем сможет перемещаться внутри человеческого тела, диагностировать заболевания и проводить лечение. Шапиро назвал это "Доктором в клетке". Его группа разработала молекулярный компьютер, полностью состоящий из биологических молекул, который реализовал математическую модель программируемого компьютера, известную как конечные автоматы, используя молекулу ДНК в качестве топлива. В 2003 году этот молекулярный компьютер был занесен в Книгу рекордов Гиннеса как самое маленькое молекулярное вычислительное устройство. Впоследствии компьютер был дополнен механизмом ввода и вывода, что позволило программировать его в пробирке для выявления молекулярных изменений в организме, указывающих на наличие определенных видов рака, и высвобождать лекарственное вещество в ответ на их обнаружение. Компьютер смог диагностировать конкретный тип рака и реагировать, производя молекулу лекарства, которая нарушала активность раковых клеток, вызывая их саморазрушение. За эту работу Шапиро был включен в список "Scientific American 50" в 2004 году как ведущий исследователь в области нанотехнологий. В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран представили прототип автономной программируемой молекулярной системы, основанной на манипулировании цепями ДНК, способной выполнять простые логические умозаключения. Этот прототип стал первым языком программирования, реализованным в молекулярном масштабе. При введении в организм эта система обладает огромным потенциалом для точного нацеливания на определенные типы клеток и назначения соответствующего лечения, поскольку она способна одновременно выполнять миллионы вычислений и "мыслить" логически. Команда Шапиро стремилась научить эти компьютеры выполнять сложные действия и отвечать на сложные вопросы, следуя логической модели, впервые предложенной Аристотелем более 2000 лет назад. Команда также разработала способ сделать эти микроскопические вычислительные устройства "удобными для пользователя", создав компилятор – программу, связывающую язык программирования высокого уровня и код ДНК-вычислений. Они стремились создать гибридную in silico/in vitro систему, поддерживающую создание и выполнение программ молекулярной логики аналогично электронным компьютерам, позволяя любому, умеющему работать с электронным компьютером, даже без знаний в области молекулярной биологии, управлять биомолекулярным компьютером. В 2012 году Шапиро, Том Ран и их студенты создали генетическое устройство, работающее автономно в бактериальных клетках. Устройство запрограммировано на идентификацию определенных параметров и соответствующую реакцию. Оно ищет транскрипционные факторы – белки, контролирующие экспрессию генов в клетке. Нарушение функции этих молекул может привести к сбою в экспрессии генов. В последующих исследованиях Бененсон и его команда создали молекулярный компьютер, который излечивает определенный тип рака у мышей, с целью разработки лекарства от рака на основе этого метода.

Редактирование ДНК

Шапиро разработал эффективный метод синтеза безошибочных молекул ДНК из подверженных ошибкам строительных блоков. Программирование ДНК – это аналог компьютерного программирования в мире ДНК. Базовый цикл компьютерного программирования заключается в изменении существующей программы, тестировании измененной программы и повторении процесса до достижения желаемого результата. Подобным образом, цикл программирования ДНК состоит в изменении молекулы ДНК, тестировании полученного поведения и повторении до достижения цели – будь то понимание поведения или его улучшение. Шапиро основал консорциум CADMAD, который стремился совершить революцию в обработке ДНК, аналогичную той, что произошла в редактировании текста с появлением электронных текстовых редакторов. В конечном итоге эта цель была достигнута другими исследователями и с использованием другой технологии – генного редактирования CRISPR.

Дерево генеалогии человеческих клеток

В 2005 году Шапиро и его студенты представили видение следующей масштабной задачи в биологии человека: раскрыть древо родословленной человеческих клеток. Внутри каждого человека существует древо родословленной клеток. Задача построения древа родословленной человеческих клеток напоминает по своему характеру и масштабу задачу, стоявшую перед проектом «Геном человека» на его ранних этапах, и, фактически, ее результаты внесут решающий вклад в функциональную интерпретацию и полное понимание последовательности генома. Для успеха проекта по изучению родословленной человеческих клеток необходим технологический прорыв, сопоставимый с тем, который произошел в ходе проекта «Геном человека», а биологическое и биомедицинское влияние такого успеха может быть не меньше, а возможно, и больше, чем влияние проекта «Геном человека». В своем выступлении на TEDxTel Aviv «Раскрытие древа родословленной человеческих клеток – следующая великая научная задача» он перенес эту идею в цифровое сообщество, где царят равенство в выдвижении идей, равенство в обсуждении и формировании коалиций, равенство в разработке правил и равенство в возможности отделения от сообщества.

Цифровая демократия на низовом уровне

Равенство в управлении цифровым сообществом имеет смысл только тогда, когда оно распространяется и на платформу, на которой это сообщество функционирует. Сегодня цифровое пространство доминируют два типа платформ: автократические, основанные на серверах/облачных технологиях (например, Facebook), и плутократические, основанные на доказательстве работы/доли (например, Bitcoin/Ethereum), при этом демократической альтернативы не существует. Чтобы исправить это положение дел, Шапиро предлагает третью альтернативную архитектуру для цифрового пространства, которую он называет "низовой цифровой демократией". В общих чертах, распределенная система считается низовой, если она может иметь автономные, независимо развернутые экземпляры – географически и во времени – которые могут взаимодействовать после установления связи. Примером может служить социальная сеть на основе смартфонов, поддерживающая множество независимых развивающихся сообществ, которые объединяются, когда участник одного сообщества становится участником другого. Низкоуровневые приложения могут позволить людям вести свою социальную, экономическую, гражданскую и политическую жизнь в цифровом пространстве, используя исключительно принадлежащие им и находящиеся под их управлением сетевые вычислительные устройства (например, смартфоны), без контроля, слежки, манипуляций, принуждения или извлечения выгоды со стороны третьих лиц (например, глобальных цифровых платформ, таких как Facebook или Bitcoin). Шапиро инициировал в 2012 году и возглавил проект "открытой партии" (впоследствии "открытого сообщества") в рамках Public Knowledge Workshop, целью которого было создание основ для функционирования электронной партии, поддерживающей прямую демократию через интернет [ссылка на источник]. Он далее развил свои концепции электронной демократии в своей лекции на ВЭФ в 2016 году и в статье для Financial Times. В 2020 году он основал политическую партию "Демократия – свобода, равенство и братство".