Lopputyöseminaari 28.10.1999

Lyhyt referaatti teoksesta "Introduction to Artificial Life", Christoph Adami, Springer-Verlag, New York 1998

Tomi Salminen

  

1. Johdanto

Chris Adami on Caltechissa opettava fyysikko, jonka kiinnostuksen kohteista yksi on keinoelämä (artificial life). Käsillä olevassa teoksessa keskitytään esittelemään Avida -ohjelmistoa, mutta käsitellään myös lyhyesti muita merkittäviä keinoelämähankkeita. Lisäksi kirja sisältää statistisen fysiikan alkeita, informaatioteoriaa ja kompleksisuutta käsitteleviä kappaleita.

2. Mitä on keinoelämä?

Keinoelämän käsitteen määrittely kietoutuu tiukasti elämän määrittelyn ympärille. Yksinkertaistetusti keinoelämällä tarkoitetaan keinotekoisessä ympäristössä (esimerkiksi tietokoneen muistissa tai biokemistin koeputkessa) vuorovaikuttavien, adaptiivisten yksilöiden järjestelmää, jossa simuloidaan luonnonvalintaa ja evoluutiota. Koska elämän määritelmä sellaisena kuin luulemme sen tuntevamme ei ole vakiintunut, rajanveto on vaikeaa. Adami tuo esille myös entropiaan perustuvan määritelmän - jos järjestelmä pystyy pitämään merkittävän ajan entropiansa ympäristöään pienemmällä tasolla, sillä voidaan sanoa olevan ainakin yksi elämän ominaisuus.

3. Esimerkkejä keinoelämäjärjestelmistä

Kirjan mukana tulevalta rompulta löytyy animaatio Karl Simsin kuuluisista laatikkoeliöistä. Fysikaalisesti mallinnetussa maailmassa (kitka, väliaineen vastus jne.) laatikko-olennot kehittyivät muutamassa sukupolvessa oivallisiksi juoksijoiksi tai uimareiksi. Olentojen morfologia (muoto) ja liikkeitä ohjaava neuroverkko sisältyivät niiden perintötekijöihin, joten tulokset saatiin alun perin satunnaisilla geeneillä varustettuja olentoja valikoivasti risteyttämällä.

Sims tutki lähinnä yksilöiden kehitystä. Samantyyppisiä kokeita teki Terzopoulos simuloiduilla kaloillaan, joilla oli mallinnetussa meressään apunaan lihakset ja evät, ympäristöä havainnoivat silmät ja monipuolinen aivoja emuloiva neuroverkko. Kalat oppivat pian liikkumaan, väistämään esteitä ja pakenemaan saalistajilta liittymällä parviksi.

Avida-ohjelmisto on tarkoittu lähinnä populaatioiden dynamiikan tutkimiseen. Tästä syystä teoksessa esitellään tämän alan historiaa, esimerkkeinä mm. parvihyönteisten pesänrakennusmekanismit. Osoittautuu, että esimerkiksi termiitit rakentavat kekonsa ilman keskitettyä koordinointia. Kun kukin similoitu termiitti tekee päätöksensä itsenäisesti ympäristöstään saamiensa tietojen perusteellä, saadaan aikaan termiittikekoa muistuttava rakennelma.

Luonnollisestikaan Turingin ja von Neumannin automaatien kanssa tekemää työtä ei voi ohittaa. Von Neumannin tutkimat itsereplikoivat soluautomaatit olivat alku polulla, jota seurasivat mm. John Conway (game of Life) ja Chris Langton, keinoelämätutkimuksen uuden aallon kummisetä.

Soluautomaatit osoittautuivat liian yksinkertaisiksi, jotta niistä olisi helppo rakentaa itseään kopioivia Neumannin automaatteja, joilla evoluutio olisi mahdollinen. Tietokonevirukset ovat esimerkki uudenlaisesta lähestymistavasta. Niiden lajiutumista voidaan seurata, mutta niitä ei välttämättä voi laskea keinoelämän piiriin kuuluviksi, sillä niiden mutaatiot aiheuttaa ihminen, ei sattuma. Periaate on kuitenkin se, että tietokonetta käytetään populaatioiden kasvualustana. Tähän ideaan perustui uraauurtava, biologi Tom Rayn kehittämä Tierra.

Tierra sisälsi tietokoneen tietokoneessa, virtuaalisen keskusyksikön, rekistereitä ja muistin, jossa itseään kopioivat ohjelmanpätkät kilpailivat muistitilasta ja kehittyivät mutaatioiden ajamana. Mitä nopeammin ohjelma pystyi kopioimaan itseään ja mitä pienempään tilaan se mahtui, sitä paremmin se menestyi. Heti ensimmäisellä kokeilukerralla Ray pääsi seuraamaan ohjelmien koon pienenemistä ja jopa loisohjelmien syntyä ja nousua, kunnes maailmaan syntyi resistentti isäntäkanta... Tierrasta on kehitetty myös internet-versio.

4. Keinoelämän matematiikkaa

Jotta keinoelämäpopulaatioita voidaan verrata toisiinsa ja todellisiin, lihaa ja verta oleviin populaatioihin, tarvitaan melkoisesti matemaattisia työkaluja. Adami ei tyydy heiluttelemaan käsiä, vaan vyöryttää esiin mm. informaatioteoriaa (montako bittiä tarvitaan viruksen määrittelyyn?), termodynamiikkaa (äkillisiä evolutiivisia muutoksia voidaan verrata faasitransioitioihin) ja kompleksisuutta (kuinka paljon siitä on eliölle hyötyä?).

Teos ei olekaan varsinaisesti johdatus keinoelämään kenelle tahansa, vaan oppikirja, jonka lukijalle suositellaan varsin poikkitieteellisten esitietojen hankkimista. Paljon luettavampi johdantoteos on esimerkiksi Steven Levyn "Artificial Life - A Report from the Frontier Where Computers Meet Biology", Vintage books, 1993.

5. Avida

Kolmannes kirjasta käsittelee Avida -ohjelmiston käyttöä. Avida on Tierran insipiroima järjestelmä, jossa Tierran yksiulotteinen maailma, jossa kaikki ohjelmat voivat vuorovaikuttaa kaikkien kanssa, on Avidassa korvattu kaksiulotteisella tasolla, jossa ohjelmat voivat vaikuttaa vain lähellä oleviin soluihin. Avidassa populaatioiden leviämistä voidaan seurata visuaalisesti, rompulla on aiheesta esimerkkianimaatioita.

Kuten Tierrassa, Avidan ohjelmat koostuvat tietystä joukosta tietokoneen konekieltä muistuttavia komentoja. Avidassa voidaan määritellä populaation koko ja mutaatioiden määrä ja tyyppi, sekä muita ympäristömuuttujia.

Avida on saatavissa netistä ilmaiseksi, siitä on Unix- ja Windows95/NT -versiot.

Lisätietoa