[論文レビュー] Degenerate neutrality creates evolvable fitness landscapes

James M. Whitacre, Axel Bender|ArXiv.org|Jul 2, 2009

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、同じ機能を果たす複数の要素が分散的に冗長に配置されているデジェネラシー（degeneracy）— すなわち、同じ機能を果たす複数の要素が存在する分散型冗長性—が、フィットネスランドスケープにおけるシステムの適応可能性（evolvability）を顕著に向上させることを示している。一方、純粋な冗長性は最小限の適応可能性を示す。著者らは、デジェネラシーが適応可能性を数個のオーダーも向上させられることを示しており、進化的計算および複雑系科学における適応可能なシステムの設計の鍵となる原則を明らかにしている。

ABSTRACT

Understanding how systems can be designed to be evolvable is fundamental to research in optimization, evolution, and complex systems science. Many researchers have thus recognized the importance of evolvability, i.e. the ability to find new variants of higher fitness, in the fields of biological evolution and evolutionary computation. Recent studies by Ciliberti et al (Proc. Nat. Acad. Sci., 2007) and Wagner (Proc. R. Soc. B., 2008) propose a potentially important link between the robustness and the evolvability of a system. In particular, it has been suggested that robustness may actually lead to the emergence of evolvability. Here we study two design principles, redundancy and degeneracy, for achieving robustness and we show that they have a dramatically different impact on the evolvability of the system. In particular, purely redundant systems are found to have very little evolvability while systems with degeneracy, i.e. distributed robustness, can be orders of magnitude more evolvable. These results offer insights into the general principles for achieving evolvability and may prove to be an important step forward in the pursuit of evolvable representations in evolutionary computation.

研究の動機と目的

• フィットネスランドスケープの適応可能性に及ぼす冗長性およびデジェネラシーの役割を調査すること。
• レジリエンス機構が、システムがより高いフィットネスを持つ変異体を生成する能力に与える影響を理解すること。
• 純粋に冗長なシステムとデジェネラシーを有するシステムの適応可能性を比較すること。
• 複雑な最適化および進化的文脈において、より効果的に進化できるようにするための設計原則を同定すること。

提案手法

• 本研究では、異なる程度の冗長性およびデジェネラシーを有するシステムを模擬するため、フィットネスランドスケープの計算モデルを用いる。
• 摂動に対する反応として、より高いフィットネスを持つ新しい変異体がどの程度の速さで出現するかを測定することで、適応可能性を評価する。
• 同一の機能を同じ成分が果たす純粋な冗長システムと、多様な成分が分散的なメカニズムを通じて同じ機能を果たすデジェネラシーを持つシステムを対比して分析する。
• 異なるレジリエンスアーキテクチャ下でのフィットネスランドスケープのダイナミクスを分析し、進化可能性に与える影響を評価する。
• ニュートラリティ（変化に対するレジリエンス）と、新たな高いフィットネスを持つゲノタイプにアクセスする能力の間の相互作用に焦点を当てる。
• 進化的生物学およびシステム科学の理論的枠組みを活用し、デジェネラシーから生じる適応可能性の発生をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な冗長性と比較して、デジェネラシーはフィットネスランドスケープの適応可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 デジェネラシーによるレジリエンスは、進化的システムにおけるイノベーション能力の向上をもたらすか？
• RQ3 デジェネラシーを有するシステムと冗長性を有するシステムとの間で、適応可能性にどの程度の定量的差が生じるか？
• RQ4 分散型レジリエンス（デジェネラシー）は、フィットネスランドスケープのより高いフィットネス領域へのアクセスをどのように促進するか？
• RQ5 デジェネラシー的ニュートラリティは、どの程度の範囲で、新たな高フィットネス解への探索を可能にするか？

主な発見

• デジェネラシーを有するシステムは、純粋に冗長なシステムと比較して、数個のオーダーも高い適応可能性を示す。
• デジェネラシーは分散型レジリエンスを可能にし、複数の経路から機能的結果に到達できるようにし、より高いフィットネスを持つ新たな構成に探索する能力を高める。
• デジェネラシー的ニュートラリティの存在は、進化的探索中により高いフィットネスを持つ変異体を発見する可能性を顕著に高める。
• 純粋に冗長なシステムは、そのレジリエンスが新たなフィットネス最適解の意味のある探索を支援しないため、イノベーションの能力が最小限に抑えられる。
• 結果は、複雑系において適応可能性を促進する鍵となる要因として、デジェネラシーによるレジリエンスが有効であるという仮説を支持する。
• 研究結果は、進化的計算における適応可能な表現を設計するにあたり、デジェネラシーが優れた設計原則である可能性を示唆している。