Өзін-өзі көбейтіп, эволюциялайтын компьютерлік бағдарламалар

Кіріспе

Өзін-өзі көбейтіп, мутацияға ұшырап, дамитын компьютерлік бағдарлама. Цифрлық организм – өзін-өзі көбейтіп, мутацияға ұшырап, көбейетін және дамитын компьютерлік бағдарлама. Цифрлық организмдер Дарвин эволюциясының динамикасын зерттеу, сондай-ақ нақты гипотезаларды немесе эволюцияның математикалық модельдерін сынау үшін қолданылады. Цифрлық организмдерді зерттеу жасанды өмір саласымен тығыз байланысты.

Тарих

Цифрлық организмдердің тарихы 1961 жылы Bell Labs-те жасалған Дарвин ойынына дейін жетеді, онда компьютерлік бағдарламалар бір-бірімен бәсекелесіп, басқаларын орындаудан тоқтатуға тырысатын. Осыған ұқсас келесі ойын – Core War болды. Core War-да ең тиімді стратегиялардың бірі – мүмкіндігінше жылдам көбейіп, қарсыластың барлық есептеу ресурстарын жою еді. Core War ойынындағы бағдарламалар ойын өтетін симуляцияланған "жадта" нұсқауларды жазып, өздерін және бір-бірін өзгерте алатын. Бұл бәсекелесетін бағдарламаларға бір-біріне зиян келтіретін нұсқауларды енгізуге мүмкіндік берді, олар қателерге (оны оқыған процесті тоқтату), "құл процестерге" (жау бағдарламасын өз жұмысыңыз үшін пайдалану) немесе тіпті ойын ортасында стратегияны өзгертуге және өзін-өзі жазуға себеп болатын. Лос-Аламос Ұлттық зертханасының ғалымы Стин Расмуссен Core War идеясын өзінің Core World жүйесінде дамытып, бағдарламаларды автоматты түрде жасайтын генетикалық алгоритмді енгізді. Алайда Расмуссен күрделі және тұрақты бағдарламалардың эволюциясын байқамады. Себебі Core World бағдарламалары жазылған бағдарламалау тілі өте нәзік болды және мутациялар бағдарламаның жұмыс істеуін толығымен жоятын жиілікте кездесетін. Бағдарламаның нәзіктігі мәселесін бірінші болып Томас С. Рей өзінің Tierra жүйесімен шешті, ол Core World-қа ұқсас болды. Рей бағдарламалау тіліне бірнеше маңызды өзгерістер енгізіп, мутациялар бағдарламаны бұзу ықтималдығын азайтты. Осы өзгерістердің арқасында ол алғаш рет компьютерлік бағдарламалардың мағыналы және күрделі жолмен эволюцияға ұшырағанын байқады. Кейін Крис Адами, Титус Браун және Чарльз Офриа Tierra-дан шабыттанған, бірақ маңызды айырмашылықтары бар Avida жүйесін әзірлеуді бастады. Tierra жүйесінде барлық бағдарламалар бір адрестік кеңістікте орналасып, бір-бірінің кодына қол жеткізе және оған әсер ете алатын. Ал Avida жүйесінде әр бағдарлама өз жеке адрестік кеңістігінде өмір сүреді. Осы өзгеріс Avida жүйесіндегі тәжірибелерді Tierra жүйесімен салыстырғанда әлдеқайда анық және түсіндіруге оңай етті. Avida жүйесінің арқасында цифрлық организмдерді зерттеу эволюциялық биологияға үлес ретінде мойындала бастады, және осы саладағы ғалымдардың саны артып келеді. Мичиган мемлекеттік университетінің эволюциялық биологы Ричард Ленски өзінің жұмысында Avida жүйесін кеңінен пайдаланды. Ленски, Адами және олардың әріптестері Nature және Proceedings of the National Academy of Sciences (АҚШ) сияқты журналдарда жариялаған. 1996 жылы Энди Паргеллис Tierra сияқты Amoeba жүйесін жасады, ол кездейсоқ бастапқы жағдайдан өздігінен көбейіп, дами алды. Соңғы кезде REvoSim – екілік цифрлық организмдерге негізделген бағдарламалық пакет – геологиялық уақыт шкаласында жүзеге асырылатын үлкен популяциялардың эволюциялық симуляциясын жасауға мүмкіндік берді.

Digital organisms can be traced back to the game Darwin, developed in 1961 at Bell Labs, in which computer programs had to compete with each other by trying to stop others from executing A similar implementation that followed this was the game Core War. In Core War, it turned out that one of the winning strategies was to replicate as fast as possible, which deprived the opponent of all computational resources. Programs in the Core War game were also able to mutate themselves and each other by overwriting instructions in the simulated "memory" in which the game took place. This allowed competing programs to embed damaging instructions in each other that caused errors (terminating the process that read it), "enslaved processes" (making an enemy program work for you), or even change strategies mid game and heal themselves. Steen Rasmussen at Los Alamos National Laboratory took the idea from Core War one step further in his core world system by introducing a genetic algorithm that automatically wrote programs. However, Rasmussen did not observe the evolution of complex and stable programs. It turned out that the programming language in which core world programs were written was very brittle, and more often than not mutations would completely destroy the functionality of a program. The first to solve the issue of program brittleness was Thomas S. Ray with his Tierra system, which was similar to core world. Ray made some key changes to the programming language such that mutations were much less likely to destroy a program. With these modifications, he observed for the first time computer programs that did indeed evolve in a meaningful and complex way. Later, Chris Adami, Titus Brown, and Charles Ofria started developing their Avida system, which was inspired by Tierra but again had some crucial differences. In Tierra, all programs lived in the same address space and could potentially execute or otherwise interfere with each other's code. In Avida, on the other hand, each program lives in its own address space. Because of this modification, experiments with Avida became much cleaner and easier to interpret than those with Tierra. With Avida, digital organism research has begun to be accepted as a valid contribution to evolutionary biology by a growing number of evolutionary biologists. Evolutionary biologist Richard Lenski of Michigan State University has used Avida extensively in his work. Lenski, Adami, and their colleagues have published in journals such as Nature and the Proceedings of the National Academy of Sciences (USA). In 1996, Andy Pargellis created a Tierra like system called Amoeba that evolved self replication from a randomly seeded initial condition. More recently REvoSim a software package based around binary digital organisms has allowed evolutionary simulations of large populations that can be run for geological timescales.