Живое или нет? Об алгоритмах чтения следов (точнее, их отсутствии)

Среди множества трудноформализуемых задач, решать которые с помощью вычислительной техники кажется невозможным, а без неё — нереальным, есть удивительная проблема, на первый взгляд лишённая практического смысла. Все согласятся, что есть смысл в создании искусственного интеллекта. Как и в обратной задаче — установить, является ли собеседник разумным — смысл тоже вроде бы есть. Но поскольку ни в том ни в другом мы пока не преуспели, что если ограничиться меньшим: научиться хотя бы распознавать, является ли источник, порождающий поток информации, живым?

Звучит... сомнительно, знаю, но пожертвуйте пять минут и вы тоже проникнетесь тайным очарованием этой головоломки. Да ведь и речь пойдёт не о математике. Как раз сейчас пишется финал замечательной истории, более полувека дразнившей учёных и пугавшей военных: наконец, удалось ответить на вопрос о происхождении звукового сигнала, проходящего в научных фонотеках под кодом «bioduck».

Если верить океанологам (а не верить им, вообще говоря, оснований нет), первыми услышали этот сигнал экипажи британских подводных лодок, патрулировавших Индийский и Южный океаны в 60-х годах прошлого века. А одна из ранних записей, дошедших до наших дней и свободно доступных публике, сделана биологами в ноябре 1964-го близ островов Росса (почти Антарктида). С тех пор этот звук многократно фиксировали гидрофоны в разных районах южного полушария, но до самого последнего момента источник оставался неизвестным.

Чисто технически, bioduck — это серия понижающихся в тоне коротких акустических импульсов. В серии как правило три, но иногда и четыре-пять «посылок», каждая из которых начинается на частоте в 300 Гц и быстро снижается до 50 Гц; присутствуют незначительные гармоники, достигающие килогерца. Серии следуют со строгой цикличностью в несколько секунд (1-3), выдерживаемой до десятых долей секунды. Название было дано по единственной, напрашивающейся сама собой аналогии: звук очень напоминает кряканье обычной утки, вот его и назвали «bio duck» (что в литературном переводе на русский «как бы утка»; встречаются также другие варианты написания — раздельное и через дефис). Вот, послушайте, не торопитесь (лучше в наушниках). Это оригинальная запись 1964 года, сделанная биологами, изучавшими морских леопардов, наткнувшихся на «утку» случайно и отметивших его особо (можете сразу перемотать к третьей минуте). А вот и вот более современные записи, уже на цифровой аппаратуре.

 Bioduck.

Если вам трудно анализировать на слух, выше приведены спектрограммы нескольких сигналов за последние десять лет. Автоматические гидрофоны фиксируют bioduck регулярно и кое-кто из исследователей даже пытался научить компьютеры детектировать его — в частности, по заказу австралийских ВМС.

Каким тут боком военные? Предположение, что издаёт загадочный звук какое-то животное (пингвин или кит), было сделано ещё в 60-х, однако конкретного вида живых существ, генерирующего именно такой сигнал, наука не знала. Не удивительно, что в НАТО подозревали Советский Союз, а мы, вероятно, подозревали НАТО: так вполне мог проявлять себя какой-нибудь секретный эхолокатор! И ещё в 2004 году военный департамент Австралии, например, считал установление происхождения bioduck одной из приоритетных задач для обеспечения безопасности подводного флота.

Автоматически выделить bioduck из фонового шума нетрудно, очень уж характерная у него форма. Отчётливые импульсы, перемежающиеся промежутками тишины: строгая структура, хорошая ограниченность по частотам, и вместе с тем — абсолютная необъяснимость! Кто и для чего, что и почему порождает эти импульсы? Живой ли организм? Электроника ли кораблей? А может быть природные феномены? Не стесняйтесь предложить свой вариант — в конце концов, эта загадка мучила учёных больше пятидесяти лет. Пока в феврале 2013-го её всё-таки не решили.

Нет, компьютерный анализ ничего не дал. Просто пёстрая интернациональная группа биологов, периодически навещающая берега Антарктиды, ухитрилась налепить на парочку обитающих там китов вида Антарктический малый полосатик комплекты сенсоров: датчики давления, температуры, акселерометры и прочее, в том числе пишущие гидрофоны. Сам по себе полосатик — хорошо известное милое небольшое создание, питающееся рыбой и планктоном. Его и поныне сотнями каждый год забивают, например, японцы, плевать хотевшие на вымирающий статус популяции. Но вот чего никто не знал, так это того, что перед своим фирменным манёвром — а полосатик, охотясь, делает резкий нырок на глубину почти в сотню метров — он, бывает, издаёт тот самый «крякающий» звук. И только после годового анализа записей, сделанных гидрофонами на теле китов, охотившихся в гуще сородичей, кряканье удалось связать с этим животным.

Как же просто, верно? Обманчивое впечатление. После того, как объяснение дано, повторить его всегда кажется несложным. Но попробуйте-ка зубы на сигнале Bloop! Этот мрачный, колеблющийся в диапазоне от инфразвука до 50 Гц «вой», заставляет стыть кровь в жилах с 1997 года, когда он и был впервые записан автоматическими гидрофонами (полюбопытствуйте на досуге бывшей военной сетью SOSUS). Только чудовищная мощность — он был различим на расстояниях в тысячи километров, что не по силам даже самому громкому обитателю океана, синему киту — заставила учёных приписать его происхождение неживой природе: предположительно, так звучал царапающий морское дно, либо крошащийся о соседа айсберг. Но давайте начистоту, может ли такое доказательство считаться надёжным? Тем более, что сонограмма (обратите внимание на резкий ход по частоте) весьма напоминает характерные звуки, издаваемые подводными жителями.

 Bloop.

И таких загадок полно! «Википедия» составила настоящую коллекцию ждущих идентификации акустических сигналов, записанных в разных точках мирового океана. Какие-то слышали только однажды (как Bloop, за что ему и дали имя собственное; с тех пор его фиксировали лишь со значительно меньшей амплитудой), какие-то периодически фиксируются вновь. Проблема с ними общая: у нас нет алгоритма, позволяющего уверенно определить, издан тот или иной звук живым существом или порождён подводным вулканом, землетрясениями, айсбергами и прочим неживым. Честно говоря, непонятно даже, с какой стороны подступиться к этой задачке.

Поглядите на этот забавный урок для первоклашек: детей учат распознавать живое по набору признаков. Живые предметы рождаются, дышат, питаются, растут, двигаются, оставляют потомство, умирают. Смешно? Смешно, что большая наука, на самом деле, ушла недалеко от детской классификации: одним из ключевых признаков живого считается постоянная внутренняя изменчивость, а строгого, принимаемого всеми определения «жизни» не дано и по сей день. Но отделить живое от неживого — ещё половина дела. Попадись этот самый полосатик в объектив видеокамеры в момент «кряка», вряд ли кто-то спорил бы, живой он или нет. Но что делать со следами жизни? Как определить, что след — акустический сигнал, визуальная структура — оставлен живым существом или сформирован процессами неживой природы?

Конечно, польза от этого невелика, но рано или поздно нам придётся решать эту задачу. NASA вон собирает экспедицию на Европу — и в этот раз всё серьёзно. Наивно ждать, что опустившись на инопланетную ледяную корку или даже проломив её, мы сразу сможем ответить на вопрос есть там жизнь или нет (хороший фильм «Европа», но очень уж простодушный). Вероятно, придётся слушать фонограммы. И что мы услышим, можно примерно представить уже сейчас — по записям гидрофонов из земных океанов. Но если мы не в силах надёжно идентифицировать даже земные источники звуков, справимся ли с этим в космосе?

С визуальной интерпретацией дело обстоит ничуть не лучше. Марсоход Curiosity сейчас подбирается к своей главной цели: пятикилометровому слою донных отложений, запечатлевшему два миллиарда лет истории Красной планеты. Но сможем ли мы расшифровать то, что там увидим? Ведь и там дело придётся иметь не с — давно выветрившейся! — жизнью, а только лишь с её следами.