[論文レビュー] Evolution in time-dependent fitness landscapes

Claus O. Wilke|ArXiv.org|Nov 13, 1998

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、時間に依存するフィットネスランドスケープにおける適応的ウォークの理論的枠組みを提案し、変化する環境をモデル化するために周期的NKランドスケープを用いる。フィットネス成分の静的割合（f_S）の臨界値において、持続的リミットサイクルから安定した最適解へのダイナミクスの転移が見られ、臨界点付近で豊かな進化的行動が明らかになる。

ABSTRACT

Evolution in changing environments is an important, but little studied aspect of the theory of evolution. The idea of adaptive walks in fitness landscapes has triggered a vast amount of research and has led to many important insights about the progress of evolution. Nevertheless, the small step to time-dependent fitness landscapes has most of the time not been taken. In this work, some elements of a theory of adaptive walks on changing fitness landscapes are proposed, and are subsequently applied to and tested on a simple family of time-dependent fitness landscapes, the oscillating NK landscapes, also introduced here. For these landscapes, the parameter governing the evolutionary dynamics is the fraction of static fitness contributions f_S. For small f_S, local optima are virtually non-existent, and the adaptive walk constantly encounters new genotypes, whereas for large f_S, the evolutionary dynamics reduces to the one on static fitness landscapes. Evidence is presented that the transition between the two regimes is a 2nd order phase transition akin a percolation transition. For f_S close to the critical point, a rich dynamics can be observed. The adaptive walk gets trapped in noisy limit cycles, and transitions from one noisy limit cycle to another occur sporadically.

研究の動機と目的

• 静的フィットネスランドスケープにとどまらない、時間に依存する環境への適応的ウォーク理論の拡張。
• 環境変化が進化的ダイナミクスおよび長期的進化的パターンの出現に与える影響の調査。
• 静的フィットネス成分の割合（f_S）の関数として、進化的行動における臨界転移点の同定。
• 時間変動するランドスケープにおけるノイズを含むリミットサイクルの出現と、それらの間の断続的遷移のモデル化と分析。

提案手法

• 時間に依存する環境をモデル化するため、フィットネス値が周期的に変動する周期的NKフィットネスランドスケープを導入する。
• 環境変化の度合いを制御する主要パラメータとして、静的フィットネス寄与の割合（f_S）を定義する。
• 適応的ウォークアルゴリズムを用いて、時間に依存するランドスケープを通過する進化的経路をシミュレートする。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまなf_S値における適応的ウォークの挙動を追跡する。
• 臨界f_S点付近でのシステムの挙動を分析し、動的および安定的領域間の遷移を同定する。
• 統計物理学、特にパーコレーション理論の概念を用いて、進化的ダイナミクスにおける相転移を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存する環境変化は、フィットネスランドスケープにおける適応的ウォークの経路および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 静的フィットネス成分の割合（f_S）は、長期的進化的ダイナミクスを決定づける上で果たす役割は何か？
• RQ3 f_Sの変化に伴い、進化的行動に臨界転移が発生するか。その性質は何か？
• RQ4 時間変動するフィットネスランドスケープにおいて、ノイズを含むリミットサイクルが出現可能か。それらの間の遷移はどのように発生するか？
• RQ5 動的と静的進化的ダイナミクス領域の間の遷移は、第二種相転移に類似しているとみなせるか？

主な発見

• f_Sが小さい場合、局所最適解はほとんど存在せず、環境の変動に伴い適応的ウォークは継続的に新たなゲノタイプに到達する。
• f_Sが大きい場合、進化的ダイナミクスは静的フィットネスランドスケープ上での観察結果に還元され、従来の適応的ウォーク行動に回帰する。
• 臨界f_S値において第二種相転移が発生し、パーコレーション転移に類似した境界が動的領域と安定領域の間を規定する。
• 臨界点付近では、適応的ウォークが複雑な挙動を示し、ノイズを含むリミットサイクルに閉じ込められる。
• 異なるノイズを含むリミットサイクル間の遷移は断続的におこり、臨界領域では間欠的ダイナミクスが示される。
• 臨界点付近でのシステムの挙動は、静的ランドスケープモデルでは捉えきれない豊かな非自明な進化的ダイナミクスを明らかにする。