[论文解读] 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 16

一句话总结

本文识别了人工系统与自然系统中开放性进化的五个核心需求：具有鲁棒性的可繁殖个体、能够实现无限多样性的媒介、产生更复杂后代的能力、可行的突变路径，以及持续进化的驱动力。作者认为，这五个原则将中性网络、生态位构建和促进性变异等多样化的生物学概念统一为一个基础框架，可用于设计能够持续创新和复杂性增长的类人工进化系统。

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.

研究动机与目标

• 为解决人工生命系统中开放性进化动态的持久挑战，即创新最终停滞的问题。
• 识别并综合超越基本达尔文机制（变异、遗传、差异繁殖）的根本原则，以实现持续的进化创新。
• 为设计具有更长期进化潜力的人工进化系统提供结构化框架。
• 将中性网络、生态位构建和促进性变异等多样化的生物学概念统一于一组五项基本要求之下。
• 通过阐明系统持续进化出新颖、复杂形态所必需的基本条件，为未来人工生命研究提供指导。

提出的方法

• 提出开放性进化的五个基本要求：具有鲁棒性的可繁殖个体、能够实现近乎无限多样性的媒介、产生更复杂后代的能力、可行的突变路径，以及持续进化的驱动力。
• 分析现有人工生命系统（如Tierra、Avida）表明，写保护和隔离限制了生态互动和进化潜力。
• 借鉴生物学概念，如中性网络（Wagner, 2011）、促进性变异（Gerhart & Kirschner, 2007）和生态位构建（Odling-Smee et al., 2003），将五个要求建立在实证生物学基础之上。
• 证明人工系统中缺乏生态反馈、协同进化和动态适应性景观，导致进化停滞。
• 主张由协同进化、迁移或生态位构建驱动的动态适应性景观，是维持进化驱动力的关键。
• 建议系统应通过模块化、冗余和多功能结构设计，以支持进化探索并避免陷入局部最优。

实验结果

研究问题

• RQ1 除了变异、遗传和差异繁殖之外，人工系统实现开放性进化的必要额外需求是什么？
• RQ2 中性网络、系统性再利用和生态位构建等生物学概念如何促成开放性进化的实现条件？
• RQ3 为何大多数人工进化系统尽管满足基本达尔文标准，却仍无法在长时间尺度上维持创新？
• RQ4 生态互动、协同进化和环境变化在维持持续进化驱动力方面发挥什么作用？
• RQ5 人工系统应如何设计，才能无限期地支持新颖、复杂且出人意料的形态的出现？

主要发现

• 五个要求——具有鲁棒性的可繁殖个体、能够实现无限多样性的媒介、产生更复杂后代的能力、可行的突变路径，以及持续进化的驱动力——是开放性进化动态的必要且充分条件。
• Tierra和Avida等人工系统之所以能实现长期进化，并非源于内在的进化动态，而是通过硬编码写保护机制，从而限制了生态互动和进化潜力。
• 生物系统通过中性网络等机制实现开放性进化，中性网络为不同可行基因型之间提供了突变路径；促进性变异则使现有结构可被重新利用以实现新功能。
• 由于环境静态或缺乏协同进化，动态适应性景观的缺失会导致人工系统即使具备基本进化机制，仍陷入进化停滞。
• 持续进化的驱动力并非自动产生；它需要随时间变化的选择压力，例如来自协同进化的军备竞赛或生态位构建。
• 缺乏生态反馈、模块化和多功能结构的系统容易陷入局部最优，从而阻碍持续创新。