Digevol数字生物平台的设计、建立和在生物进化模拟实验中的初步应用
【摘要】数字生物是人工生命领域中的一个重要分支,它以生物进化为模拟对象,以程序编码本身作为单个生物,可以进行自主生存、自我繁衍、变异、死亡和个体间相互竞争等一系列具有生物特征的行为活动。由于数字生物有着与真实的生命现象最接近的基础特征和自组织演化体系的特性,它从诞生之时开始,就成为了人工生命领域中最活跃的研究热点之一,并在生物起源和进化过程、基因组变异、环境压力下的选择作用等多个生物学研究方向中得到应用。在对过去各个数字生物系统实践经验的学习和深入分析之后,我们发现过去所有数字生物系统尽管完成了对生物个体生存、繁衍、变异和死亡等重要生命现象的模拟,但都存在一个严重不足,没有很好地实现数字生物个体之间的自由竞争和自然选择过程。竞争在生物进化过程中处于关键地位,因为不同基因组或表型在传递中的差别,主要是通过个体竞争和自然选择这一环节来体现的,个体竞争和选择过程可以直接决定实验结果和进化方向。所以数字生物系统设计中的这个环节,将对所模拟生物对象的实验结果和实验结论的准确性产生直接影响。然而已有的数字系统主要依靠制定游戏规则或是对数字生物内所设函数的运行结果进行评分的方法,用这些人为的筛选方法来代替自然的选择过程。这种设计不但使实验结果被人为主观认识所左右,并且严重制约了数字生物系统的应用范围,成为现今数字生物发展阶段的一个主要瓶颈。迄今为止对数字生物系统的设计和要求还没有过明确的理论阐述,本论文首先对数字生物的理论基础进行了整理,归纳为建立与生命系统相似的开放性可持续发展的自组织体系结构,并在此基础之上首次提出了数字生物系统所需具备的六个生命形态特征,它们分别是自主启动和自主生存、具有繁殖能力、可变异、有寿命并在程序“死亡”时退出所占用的全部硬件资源、个体具有相对封闭和独立结构、以程序运行所需的硬件资源作为直接的环境压力来源。我们认为这六个生命形态特征是一个完整的统一体,缺少任何一个特征都不能形成可持续发展的开放性的自组织仿生体系,并对每条特征的背后理论依据作了逐一论述。以这个理论为指导,我们设计和建立了一个新的Digevol数字生物系统。在新系统中,我们实现了数字生物个体在无人为干涉下的自由竞争和选择过程,成功解决了过去数字生物领域困扰多年的难题。在实验中,我们让数字生物直接竞争电脑硬件资源,并利用有限的资源本身所带来的环境压力,形成了自发的选择过程并筛选出适应这种环境压力的数字生物变异类型。这种竞争和选择过程减少了人为主观认识的干扰,能更加客观的模拟自然环境中的真实选择过程。同时,由于摆脱了预设游戏规则或人为评分系统的限制,Digevol系统可以建成为一个开放性系统,个体程序具有完全的独立性,与过去数字生物系统相比还增加了许多新的自由度,在仿生应用上也实现了多方面的突破。在本论文中,我们设计了两个不同的模拟进化的实验,一个实验观察了生物变异时,如果给个体带来竞争优势上的差异,会对进化方向产生怎样的影响；另一个实验探讨了环境的周期性变化对遗传性的个体活动周期的选择作用。在研究生物变异方向的实验中,我们通过给数字生物设置变异能力并且可以产生具有不同的竞争优势程度的后代,来模拟生物的进化过程。我们将进化过程分为3类,分别是能够产生持续有利变异的进化过程、中性突变的进化过程和产生多个有害变异的进化过程。在实验中,我们比较了三种进化过程各自特点和规律,并且检验了突变率、变异前后的竞争差异程度、进化所经历的中间类型的数目、群体规模等因素发生变化时对进化过程的影响。从实验中,我们可以看到,按照达尔文主义进化论的持续累积有利变异的过程是一个有明确方向的不可逆进化过程,个体总是朝着更有利变异的方向进化,突变率的大小和竞争优势的差异程度可以影响进化的速度。而按照中性学说的中性突变的进化过程,它的进化方向是随机的不可预测的,而群体的规模可以改变群体中不同变异类型的分布结构。最后,当进化路径中出现不利变异时,多数情况下会对沿这条路径的进化过程产生阻遏作用。在探讨环境的周期变化对遗传性个体活动周期的选择作用的实验中,我们设置了数字生物在出生后,可以按照一定的时间周期进行活动,这种生物周期是通过遗传得到的,并且可以通过变异调节周期长短并遗传给下一代。实验结果表明：环境的周期变化对个体活动周期起了决定性的选择作用,并且个体自身在每个周期内的活动量大小、环境周期中资源波动的剧烈程度、环境周期中资源供给的窗口期持续时间都可以对这种选择作用的强弱产生影响。本论文通过Digevol系统在实验中的初步应用,证明了我们对数字生物系统设计所提出的理论是可行的,自主开发的新一代数字生物系统也成功地解决了过去实验中依赖预设游戏规则或人工评分系统来模拟个体竞争过程和选择作用的重要缺陷,使得数字生物系统的发展有了一个新起点,能更好地服务于未来的生物学研究工作。同时,其它形式的各种人工生命仿生模型以及数学建模通常也需要经过评价适应度这个步骤来完成个体竞争过程或环境的选择作用,而Digevol数字系统可以不通过这个环节就实现竞争过程,所以这项研究工作也是仿生模型设计新理念的一次尝试。
【作者】林刚；
【导师】余龙；
【作者基本信息】复旦大学，遗传学，2011，博士
【关键词】突变；自组织系统；数字生物；自然选择；达尔文主义；模拟进化；
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