Nakarm mnie pamięcią operacyjną

Tierra to symulacja komputerowa opracowana przez ekologa Thomasa S. Ray’a na początku lat 90. XX wieku, w której programy komputerowe konkurowały o czas (czas jednostki centralnej) i przestrzeń (dostęp do pamięci operacyjnej). W tym kontekście programy komputerowe w Tierra są uważane za podlegające ewolucji – miały zdolność mutacji, samoreplikacji oraz rekombinacji.

Słowa kluczowe: Tierra Simulator, Avida, Digital Organism, Tierran organisms, open-ended evolution, experimental evolution, Artificial life systems, cyber-ekosystem, Virtual Life

W 1990 roku Thomas Ray [1991] stworzy w swoim komputerze mały wszechświat, który nazwał Tierra. Umieścił w nim programy komputerowe zdolne do replikacji. Programy te mutowały, ewoluowały i miały swoisty „metabolizm”. Rolę energii odgrywał czas procesora (CPU) a materii – pamięć RAM [Hołyst 2019].

Tierra to system sztucznego życia ewoluujący w obrębie komputera cyfrowego [Standish 1999]. Jest równocześnie systemem operacyjnym i językiem programowania. W systemach podobnych do Tierry organizmy cyfrowe same się replikują in silico i nie stoi przed nimi żaden globalny cel do wypełnienia. Organizmy cyfrowe, które nie spełnią zaprogramowanych kryteriów i nie będą wystarczająco szybko się replikować zostaną skasowane [Egri-Nagy i Nehaniv 2003].

Symulator Tierra uruchamiany był na wirtualnej maszynie oraz oprogramowaniu, które zostało napisane w języku C. W świecie Tierra funkcjonowali Tierranie, tzw. „stworzenia”, tj. samoreplikujące się algorytmy (creature – self-replicating algorithm) zamieszkujące pamięć RAM komputera wirtualnego. Pamięci RAM wirtualnego komputera przypisano rolę tzw. zupy* (soup). System operacyjny w świecie Tierra zapewniał m.in. kontrolę nad przebiegiem ewolucji, rozbudowany system monitoringu, prowadził rejestr „narodzin i zgonów”, sekwencjonował kod każdego stworzenia i utrzymywał bank genów udanych genomów. Rejestrował także rodzaje interakcji zachodzących między „stworzeniami” [Tierra 1991].
*Jest to analogia do tzw. zupy pierwotnej lub zupy organicznej, tj. hipotetycznej mieszaniny związków organicznych, która według jednej z teorii dała początek życiu na Ziemi.

Tierra to środowisko, w którym programy rywalizowały ze sobą o dostęp do procesora i pamięci RAM (ryc. 1). W przypadku Tierry ewolucja przebiegała bez wcześniej zaprogramowanego celu. Organizmy cyfrowe funkcjonowały w wirtualnym świecie pamięci operacyjnej i nie miały styczności z dyskiem twardym. Gdy system operacyjny szukał bloku wolnej pamięci o żądanym rozmiarze, jednak taki blok nie był dostępny, lub gdy „zupa” zapełniała się – wywoływał żniwiarza (reaper). Reaper „zabijał komórki” znajdujące się na szczycie listy stworów (cyfrowych istot) do unicestwienia, tj. kasował programy, zwalniając zasoby pamięci RAM [Tierra 1991].

Gdy system operacyjny szukał bloku wolnej pamięci wywoływał żniwiarza…

Rycina 1. Tierra simulation
Źródło: http://bit.ly/2XvGxck

Organizmy Tierran (Tierran organisms) ewoluowały w kierunku zoptymalizowania własnej replikacji. Mogły wchodzić ze sobą w interakcje, dając początek ekologii fenotypów (ecology of phenotypes) [Standish 2003]. Programy, które w wyniku mutacji utraciły procedurę replikowania wykorzystywały procedurę kopiowania sąsiadów, pełniąc rolę swoistych pasożytów. W trakcie cyber-ewolucji programy dostosowywały się do innych programów [Hołyst 2019]. W przypadku systemu Avida organizmy nie mogły oddziaływać bezpośrednio na siebie, co powodowało stagnację ewolucji. Aby temu przeciwdziałać do systemu dodawane były zadania narzucone zewnętrznie (np. obliczanie operacji logicznej) [Standish 1999].

Avida znaczy sztuczne życie

Nazwa „Avida” to skrót od hiszpańskiego określenia „vida artificial” tzn. sztuczne życie. Avida to platforma oprogramowania (artificial life software platform) do eksperymentów z samoreplikującymi się i ewoluującymi programami komputerowymi (organizmami cyfrowymi). Zapewnia szczegółową kontrolę ustawień eksperymentalnych i protokołów, dużą gamę narzędzi pomiarowych i wyrafinowanych metod analizowania i przetwarzania danych [Ofria i Wilke 2004]. Pierwsza wersja Avidy została zaprojektowana w 1993 roku i była zainspirowana systemem Tierra. W przeciwieństwie do Tierry, Avida przypisuje każdemu organizmowi cyfrowemu swój własny chroniony obszar pamięci. Domyślnie inne organizmy cyfrowe nie mogą uzyskać dostępu do tej przestrzeni i nie mogą wykonywać kodu, który nie znajduje się w ich własnej przestrzeni pamięci [Ofria i Wilke 2004, Smith i in. 2016].

Kres złożoności w ewoluującym (sztucznym) systemie

W ewolucji naturalnej (biologicznej) istnieje pogląd, że życie w swej początkowej formie było proste i ewoluowało w kierunku coraz bardziej złożonych form. Według zasady antropicznej człowiek jest obserwatorem otaczających go procesów i jednocześnie najbardziej rozwiniętym organizmem (ludzie zajmują wyróżnione miejsce we wszechświecie). W rzeczywistości istnieje prawdopodobieństwo, że w przeszłości istniały (lub nadal istnieją) bardziej złożone organizmy niż homo sapiens, lecz ślady ich bytności „rozpływają się we mgle” [Standish 1999]. Wiele artefaktów przeczy ogólnie przyjętej historii oraz ewolucji, przez co są one spychane na margines nauki i często traktowane jakby nie istniały (czytaj: zakazana archeologia).

Świat Tierry został wykorzystany do zbadania in silico podstawowych procesów dynamiki ewolucyjnej i ekologicznej. Godną uwagi różnicą między Tierrą a innymi modelami obliczeń ewolucyjnych, takimi jak algorytmy genetyczne, jest brak wbudowanej w model wyraźnej lub egzogenicznej funkcji przydatności. Często w takich modelach istnieje pojęcie „optymalizacji funkcji”. W przypadku Tierry funkcja sprawności jest endogenna: po prostu przetrwanie i śmierć. Według Thomasa S. Ray’a pozwoliło to na bardziej „otwartą” ewolucję, w której dynamika sprzężenia zwrotnego między procesami ewolucyjnymi i ekologicznymi zmieniała się z czasem.

Krytycy ekosystemu Tierra zarzucają mu brak czynnika ewolucyjnego, czyli wzrostu złożoności cyfrowych organizmów. Podobnie jak w przypadku innych systemów ewolucji cyfrowej, również ekosystem Tierry w końcu osiągał punkt, w którym „nowość” przestawała być tworzona, a cały system się zapętlał i przestawał „ewoluować” [Bedau i McCaskill 2000].

Ewolucja (open-ended evolution) jest przeważnie utożsamiana ze wzrostem złożoności. Biosfera Ziemi wydaje się stale generować nowe i zróżnicowane formy życia. Tymczasem systemy sztucznego życia (Artificial Life systems), takie jak Tierra i Avida, początkowo wytwarzały bogatą różnorodność organizmów, jednak ostatecznie potencjał generowania złożoności wyczerpywał się. W środowisku Tierra nie zaobserwowano wzrostu złożoności cyfrowych organizmów, chociaż ich liczba i rozmiary zwiększały się [Standish 2003]. Pojawia się zatem pytanie przy jaki warunkach (cyfrowy) system ewolucyjny będzie stale wytwarzał nowe formy życia? Pytanie to pozostaje otwarte.

Źródła

Bedau, M.A., McCaskill, J.S., Packard, N.H., Rasmussen, S., Adami, C., Green, D.G., Ikegami, T., Kaneko, K., Ray, T.S. (2000). Open problems in artificial life. Artificial Life, 6(4), 363-376. https://doi.org/10.1162/106454600300103683
Egri-Nagy, A., Nehaniv, C.L. (2003). Evolvability of the Genotype-Phenotype Relation in Populations of Self-Replicating Digital Organisms in a Tierra-Like System. In: Banzhaf W., Ziegler J., Christaller T., Dittrich P., Kim J.T. (eds) Advances in Artificial Life. ECAL 2003. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2801. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-39432-7_26
Hołyst, R. (2019). Życie w pamięci RAM – ewolucja cyber-organizmów. Instytut Chemii Fizycznej PAN i Szkoła Nauk Ścisłych, pepe.ichf.edu.pl/Softmatter/wirus/superwirusy.pdf
Ofria, C., Wilke, C.O. (2004). Avida: A software platform for research in computational evolutionary biology. Artificial Life, 10(2), 191-229. https://doi.org/10.1162/106454604773563612
Ray, T.S. (1991). An approach to the synthesis ofłife. In C. G. Langton, C. Taylor, J. D. Farmer, and S. Rasmussen (eds.), Artificial Life II, page 371. Addison-Wesley, New York.
Smith, J.J., Johnson, W.R., Lark, A.M., Mead, L.S., Wiser, M.J., Pennock, R.T. (2016). An Avida-ED digital evolution curriculum for undergraduate biology. Evolution: Education and Outreach, 9(1). https://doi.org/10.1186/s12052-016-0060-0
Standish, R.K. (1999). Some Techniques for the Measurement of Complexity in Tierra. In: Floreano D., Nicoud JD., Mondada F. (eds) Advances in Artificial Life. ECAL 1999. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1674. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/3-540-48304-7_16
Standish, R.K. (2003). Open-ended artificial evolution. International Journal of Computational Intelligence and Applications, 3(02), 167-175.
Tierra (1991). Tierra.doc 17-3-98 documentation for the Tierra Simulator, https://dendrit.tuke.sk/~newalife/kapitola/1263/Doc.htm