[論文レビュー] Requirements for Open-Ended Evolution in Natural and Artificial Systems

Tim Taylor|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 29被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、人工的および自然的システムにおけるオープンエンドドエボリューションのための5つの根幹的要件を特定する。すなわち、頑健な自己複製個体、無限に多様な可能性を可能にする媒体、より複雑な子孫を生み出す能力、有効な突然変異経路、継続的進化への動機である。著者は、これらの5つの原則が、中立ネットワーク、ニッチ構築、支援的変異といった多様な生物学的概念を統合し、持続的イノベーションと複雑性の増大を可能にする人工進化システムの設計に基礎的な枠組みを提供すると主張する。

ABSTRACT

Open-ended evolutionary dynamics remains an elusive goal for artificial evolutionary systems. Many ideas exist in the biological literature beyond the basic Darwinian requirements of variation, differential reproduction and inheritance. I argue that these ideas can be seen as aspects of five fundamental requirements for open-ended evolution: (1) robustly reproductive individuals, (2) a medium allowing the possible existence of a practically unlimited diversity of individuals and interactions, (3) individuals capable of producing more complex offspring, (4) mutational pathways to other viable individuals, and (5) drive for continued evolution. I briefly discuss implications of this view for the design of artificial systems with greater evolutionary potential.

研究の動機と目的

• 人工生命システムにおけるオープンエンドドエボリューションダイナミクスを達成するという持続的な課題に取り組むこと。特に、イノベーションが最終的に停止する理由を解明すること。
• 基本的なダーウィニズム的メカニズム（変異、遺伝、選択的繁殖）を超えた、継続的進化的イノベーションを可能にする根本的原則を同定・統合すること。
• 長期的な進化的潜在能力を有する人工進化システムを設計するための構造的枠組みを提供すること。
• 中立ネットワーク、ニッチ構築、支援的変異といった多様な生物学的概念を、5つの要件という共通の枠組みに統合すること。
• 今後の人工生命分野の研究を導くために、無限に続く新奇で複雑な形態の進化を可能にするために必要な基本的条件を明確にすること。

提案手法

• オープンエンドドエボリューションのための5つの根本的要件を提唱する。すなわち、頑健な自己複製個体、実質的に無限の多様性を可能にする媒体、より複雑な子孫を生み出す能力、有効な突然変異経路、継続的進化への動機である。
• Tierra や Avida といった既存の人工生命システムを分析し、書込み保護と隔離が生態的相互作用と進化の可能性を制限していることを示す。
• 生物学的概念、たとえば中立ネットワーク（Wagner, 2011）、支援的変異（Gerhart & Kirschner, 2007）、ニッチ構築（Odling-Smee et al., 2003）を援用することで、5つの要件を実証的生物学に根ざしたものとする。
• 人工システムに生態的フィードバック、共進化、動的な適応的ランドスケープが欠落していることが、進化の停止を引き起こすことを示す。
• 共進化、移住、またはニッチ構築によって駆動される変化する適応的ランドスケープが、進化の動機を維持するために不可欠であると主張する。
• 進化的探索を可能にし、局所最適解に陥るのを防ぐために、モularity、レジュンダント構造、多機能的構造を備えたシステム設計が求められると提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変異、遺伝、選択的繁殖という基本的要件を超えて、人工システムにおけるオープンエンドドエボリューションを実現するために必要な追加要件は何か？
• RQ2 中立ネットワーク、適合性の再利用（exaptation）、ニッチ構築といった生物学的概念は、オープンエンドドエボリューションを可能にする条件にどのように寄与するか？
• RQ3 基本的なダーウィニズム的基準を満たしているにもかかわらず、なぜ大多数の人工進化システムが長期間にわたりイノベーションを維持できないのか？
• RQ4 生態的相互作用、共進化、環境変化は、継続的進化への動機を維持するために果たす役割は何か？
• RQ5 人工システムは、どのように設計すれば、新奇で複雑かつ驚くべき形態が無限に出現するのを支援できるか？

主な発見

• 頑健な自己複製個体、無限の多様性を可能にする媒体、より複雑な子孫を生み出す能力、有効な突然変異経路、継続的進化への動機という5つの要件は、オープンエンドドエボリューションダイナミクスにとって必要かつ十分である。
• Tierra や Avida といった人工システムが長期間にわたり進化を続けるのは、進化的ダイナミクスそのもののおかげではなく、書込み保護をハードウェア的に組み込んでいるためであり、これにより生態的相互作用と進化の可能性が制限されている。
• 生物学的システムは、中立ネットワークによって、有効なゲノタイプ間の突然変異経路を提供し、支援的変異によって既存の構造が新たな機能に再利用可能になることで、オープンエンドドエボリューションを達成している。
• 静的環境や共進化の欠如によって生じる動的でない適応的ランドスケープの欠如は、基本的な進化的メカニズムが存在するにもかかわらず、人工システムで進化の停止を引き起こす。
• 継続的進化への動機は自動的ではない。共進化の軍拡競争やニッチ構築によって生じる、時間とともに変化する選択圧が必要である。
• 生態的フィードバック、モularity、多機能的構造が欠落したシステムは、局所最適解に陥りやすく、持続的イノベーションを妨げる。