[논문 리뷰] Requirements for Open-Ended Evolution in Natural and Artificial Systems

Tim Taylor|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 27.

Evolutionary Game Theory and Cooperation참고 문헌 29인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 인공 및 천연 시스템에서 개방형 진화를 가능하게 하는 다섯 가지 핵심 요구사항을 규명한다: 강건한 번식 능력을 지닌 개체, 무한한 다양성을 가능하게 하는 매체, 더 복잡한 자손을 생산할 수 있는 능력, 타당한 돌연변이 경로, 그리고 계속된 진화를 향한 동력. 저자는 이 다섯 가지 원리가 중립 네트워크, 서식지 구축, 용이한 변형과 같은 다양한 생물학적 개념을 통합하여, 지속적인 혁신과 복잡성 증가를 가능하게 하는 인공 진화 시스템을 설계하기 위한 기초 프레임워크로 기능한다고 주장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인공 생명 시스템에서 진화적 동역학이 결국 정체되는 지속적인 과제를 해결하기 위해.
• 기본 다윈주의 메커니즘(변이, 유전, 차별적 번식)을 초월하여 지속적인 진화적 혁신을 가능하게 하는 기본 원칙을 규명하고 통합하기 위해.
• 더 긴 시간 동안의 진화 잠재력을 지닌 인공 진화 시스템을 설계하기 위한 체계적인 프레임워크를 제공하기 위해.
• 중립 네트워크, 서식지 구축, 용이한 변형과 같은 다양한 생물학적 개념을 동일한 다섯 가지 요구사항 아래 통합하기 위해.
• 미래의 인공 생명 분야 연구를 이끌기 위해, 지속적으로 새로운 복잡한 형태를 진화시킬 수 있는 시스템에 필수적인 조건을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 개방형 진화를 위한 다섯 가지 기본 요구사항을 제안한다: 강건한 번식 능력을 지닌 개체, 실질적으로 무한한 다양성을 가능하게 하는 매체, 더 복잡한 자손을 생산할 수 있는 능력, 타당한 돌연변이 경로, 그리고 계속된 진화를 향한 동력.
• 쓰기 보호 기능과 고립이 생태적 상호작용 및 진화 잠재력에 미치는 제한을 보여주기 위해 기존의 인공 생명 시스템(Tierra, Avida 등)을 분석한다.
• 생물학적 개념인 중립 네트워크(Wagner, 2011), 용이한 변형(Gerhart & Kirschner, 2007), 서식지 구축(Odling-Smee 등, 2003)을 활용하여 다섯 가지 요구사항을 경험적 생물학에 기반하게 한다.
• 인공 시스템에서 생태적 피드백, 공진화, 동적 적응 경로의 부재가 진화 정체를 초래함을 보여준다.
• 공진화, 이주, 또는 서식지 구축에 의해 유도되는 변화하는 적응 경로가 진화의 동력을 유지하는 데 필수적임을 주장한다.
• 진화적 탐색을 가능하게 하고 局부 최적점에 갇히는 것을 방지하기 위해 모ularity, 재undancy, 다기능적 구조를 포함한 설계가 필요하다고 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적인 다윈주의 원리(변이, 유전, 차별적 번식)를 초월하여 인공 시스템에서 개방형 진화를 가능하게 하는 추가적인 요구사항은 무엇인가?
• RQ2 중립 네트워크, 재사용 가능성, 서식지 구축과 같은 생물학적 개념은 개방형 진화를 가능하게 하는 조건에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 기본적인 다윈주의 조건을 충족함에도 불구하고 대부분의 인공 진화 시스템이 장기간에 걸쳐 혁신을 유지하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 생태적 상호작용, 공진화, 환경 변화는 계속된 진화를 향한 동력을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 어떻게 하면 인공 시스템을 설계하여 끝없이 새로운 복잡하고 놀라운 형태의 출현을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 강건한 번식 능력을 지닌 개체, 무한한 다양성을 가능하게 하는 매체, 더 복잡한 자손을 생산할 수 있는 능력, 타당한 돌연변이 경로, 계속된 진화를 향한 동력이라는 다섯 가지 요구사항은 개방형 진화 역학에 필수적이고 충분하다.
• Tierra와 Avida와 같은 인공 시스템이 장기간의 진화를 달성하는 것은 본질적인 진화 역학 덕분이 아니라, 쓰기 보호를 하드웨어 수준에서 구현하여 생태적 상호작용 및 진화 잠재력을 제한하기 때문이다.
• 생물학적 시스템은 중립 네트워크를 통해 타당한 유전자가 간선되는 돌연변이 경로를 제공하고, 용이한 변형을 통해 기존의 구조를 새로운 기능에 재사용할 수 있기에 개방형 진화를 달성한다.
• 정적 환경 또는 공진화의 부재로 인해 동적 적응 경로가 부재하면, 기본적인 진화 메커니즘이 존재하더라도 인공 시스템에서는 진화 정체가 발생한다.
• 계속된 진화를 향한 동력은 자동으로 발생하지 않으며, 공진화적 무기 경쟁이나 서식지 구축에 의해 유도되는 변화하는 선택 압력이 필요하다.
• 생태적 피드백, 모ularity, 다기능적 구조가 부족한 시스템은 국부 최적점에 갇혀 지속적인 혁신을 방지한다.