home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Giga Games 1 / Giga Games.iso / net / vir_real / faq / other / alife < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1991-12-30  |  15.1 KB  |  284 lines

  1. 91-03/ALIFE.inf
  2. From: ray@chopin.udel.edu (Thomas Ray)
  3. Subject: Synthetic Life (evolving computer worms) (LONG)
  4. Date: 17 Mar 91 20:46:33 GMT
  5. Organization: University of Delaware
  6.  
  7.  
  8.  
  9. [MODERATOR'S NOTE:  The following is posted as a test of this group's
  10. interest in the topic at hand, "artificial life" (i.e., "organisms"
  11. that dwell in programs running on computers).  I would appreciate your
  12. response, via private email to me, regarding how useful or not you find
  13. this information.
  14.  
  15. [Thomas originally posted this information for a group studying artificial
  16. life at the University of Delaware, so there is some site-specific reportage
  17. at the end which you may or may not find useful. -- Bob Jacobson]
  18.  
  19.  
  20. Peter Arensburger writes:
  21.  
  22. >      A couple of days ago I was listening to a talk by Richard Dawkins about 
  23. > modeling evolutionary processes on a computer. He mentioned an experiment
  24. > by Thomas Ray in which small (40 instructions long) autoreproducing programs
  25. > where allowed to spread freely in a certain amount of memory. Then, by 
  26. > randomly mutating some of the programs you could see mutant programs   
  27. > become better adapted for reproduction.
  28.    ...
  29. > Has anyone heard about this experiment? If so please answer by e-mail.
  30.  
  31.      The work Peter describes is in press, and should be available in May:
  32.  
  33. Ray, T. S.  In Press.  An approach to the synthesis of life.
  34. In: Artificial Life II, Santa Fe Institute Studies in the Sciences of
  35. Complexity, vol. XI, (Farmer, J. D., C. Langton, S. Rasmussen, & C. Taylor,
  36. eds).  Redwood City, CA: Addison-Wesley, 1991.
  37.  
  38.      Although I don't have a paper in it, you might be interested in the
  39. following book which is available now:
  40.  
  41. Langton, Christopher G. [ed.].  1989.  Artificial life: proceedings of an
  42. interdisciplinary workshop on the synthesis and simulation of living systems.
  43. Vol. VI in the series: Santa Fe Institute studies in the sciences of
  44. complexity.  Addison-Wesley.
  45.  
  46.      Also, I will present the work in a seminar at Princeton (biology) on
  47. April 5, 1991. 
  48.  
  49.      If anyone can't wait till May, I could email them a LaTeX version
  50. of the manuscript.  Below I attach an abstract, and then a summary of
  51. the current activities of my research group.
  52.  
  53. This is a slightly expanded version of an abstract describing this work, which
  54. was submitted to:
  55.  
  56. European Society for Evolutionary Biology, Third Congress.  Debrecen, Hungary
  57. September 2 - 6.  Contact: Dr. Liz Pasztor - Department of Genetics -
  58. Eotvos University 1088 Budapest - Muzeum krt. 4/a. - Hungary.
  59.  
  60. -------------------------begin abstract-----------------------------------
  61.  
  62. Synthetic Life: co-evolution in digital organisms.
  63. THOMAS S. RAY.  University of Delaware, Newark, DE, 19716, USA,
  64. ray@brahms.udel.edu.  302-451-2753
  65.  
  66. Ideally, the science of biology should embrace all forms of life.  However
  67. in practice, it has been restricted to the study of a single instance of
  68. life, life on earth.  Because our science of biology is based on a sample
  69. size of one, we can not know what features of life are peculiar to earth,
  70. and what features are general, characteristic of all life.  A practical
  71. alternative to a truly comparative inter-planetary biology, is to create
  72. synthetic life.  Evolution in a bottle provides a valuable tool for the
  73. experimental study of evolution and ecology.
  74.  
  75. Synthetic organisms have been created based on a computer metaphor of
  76. organic life in which CPU time is the ``energy'' resource and memory is
  77. the ``material'' resource.  Memory is organized into informational
  78. patterns that exploit CPU time for self-replication.  Mutation generates
  79. new forms, and evolution proceeds by natural selection as different
  80. genotypes compete for CPU time and memory space.  The creatures are
  81. self-replicating computer programs, however, they can not escape because
  82. they run exclusively on a virtual computer in its unique machine language.
  83. The virtual computer is effectively a containment facility.
  84.  
  85. A single rudimentary ancestral ``creature'' has been designed; it is 80
  86. machine instructions long and contains only the code for self-replication.  
  87. This creature examines itself, determines its size and location in the
  88. memory ``soup'', and then copies itself, one instruction at a time, to
  89. another location in the soup.  The ancestral creature does not interact
  90. directly with other individuals, although there is scrambling competition
  91. for access to memory space.
  92.  
  93. A reaper kills creatures, assuring that there is always free space into which
  94. creatures can reproduce.  When creatures are born, they enter the bottom of
  95. the reaper queue, and the reaper always kills off the top, which is usually
  96. the oldest creature.  However, mutant creatures often generate errors, which
  97. cause them to rise in the reaper queue and be killed.
  98.  
  99. >From a single rudimentary ancestral ``creature'' there have evolved tens of
  100. thousands of self-replicating genotypes of many hundreds of genome size
  101. classes.  Bit flipping mutations cause changes in the sequence of instructions
  102. in the genome, but they do not cause changes in the size of the genome.
  103. However, mutant genotypes make errors in their self-examination and
  104. replication, resulting in different sized genomes.  As genetic change
  105. generates new genotypes, variants appear which are able to replicate more
  106. rapidly that their ancestors, and those variants increase in frequency in
  107. the soup.
  108.  
  109. Very quickly there evolve parasites, which are not able to replicate in
  110. isolation because they lack a large portion of the genome.  However, these
  111. parasites search for the missing information, and if they locate it in a
  112. nearby creature, they parasitize the information from the neighboring genome,
  113. thereby effecting their own replication.  This informational parasitism is
  114. a commensal relationship, as it is not directly detrimental to the host.
  115. However, the parasites do compete with the hosts for space, and may be
  116. superior competitors because they can more rapidly replicate their smaller
  117. genome.  However, their advantage is frequency dependent.  As the parasites
  118. increase in frequency, the hosts decline, and many parasites fail to locate
  119. hosts.  In ecological runs, without genetic change, hosts and parasites
  120. demonstrate Lotka-Volterra cycles.
  121.  
  122. In some runs, hosts evolve immunity to attack by parasites.  One immune
  123. mechanism that has been worked out is based on the fact that the creatures
  124. only examine themselves once, and rely on retaining the information on their
  125. size and location for all subsequent replications.  Immune hosts cause their
  126. parasites to loose their sense of self by failing to retain the information
  127. on size and location.  Immune hosts function with this forgetful code by
  128. re-examining themselves before each repliction, thus there is a metabolic
  129. cost to the immunity.
  130.  
  131. When immune hosts appear, they often increase in frequency, devastating the
  132. parasite populations.  In some runs where the community comes to be
  133. dominated by immune hosts, parasites evolve that are resistant to immunity.
  134. The above mentioned immune mechanism can by circumvented by parasites which
  135. also re-examine themselves before each replication.
  136.  
  137. Hosts sometimes evolve a response to parasites that goes beyond immunity to
  138. actual hyper-parasitism.  Hyper-parasites allow themselves to be parasitized,
  139. letting the parasite use their code for a single replication.  After the
  140. first replication, the hyper-parasite deceives the parasite by replacing the
  141. parasite's record of its size and location with the size and location of the
  142. hyper-parasite genome.  Thereafter, the parasite will devote its energetic
  143. resources to replication of the hyper-parastie genome.  This is a highly
  144. deleterious interaction, which drives the parasites to extinction.  The
  145. hyper-parasites are facultative, getting an energy boost when the parasites
  146. are present, but not requiring them for replication.
  147.  
  148. Evolving in the absence of parasites, hyper-parasites completely dominate
  149. the community, resulting in a relatively uniform community characterize by
  150. a high degree of relationship between individuals.  Under these circumstances,
  151. sociality evolves, in the sense that the creatures evolve into forms which
  152. can not replicate in isolation, but which can only replicate in aggregations.
  153. These colonial creatures cooperate in the control of the flow of execution of
  154. their algorithms.
  155.  
  156. The cooperative behavior of the social hyper-parasites makes them vulnerable
  157. to a new class of parasites.  These cheaters, hyper-hyper-parasites, insert
  158. themselves between cooperating social individuals, and momentarily seize
  159. control of execution of the algroithm, just long enough to deceive the
  160. social creatures about their size and location, causing the social creatures
  161. to replicate the genomes of the cheaters.
  162.  
  163. In a separate experiment, two versions of the ancestral creature were made,
  164. each with a different portion of the genome deleted.  Neither of these
  165. genomes were able to replicate in isolation.  However, when cultured together,
  166. they each parasitize the missing code from the other, forming an ecologically
  167. stable obligate symbiotic relationship.  When genetic change is allowed in
  168. the system, a very complex series of changes follows, ultimately resulting
  169. in the merging of the two genomes into a single self-replicating genome.
  170.  
  171. The only kind of genetic change that the simulator imposes on the system is
  172. random bit flips in the machine code of the creatures.  However, it turns
  173. out that parasites are very sloppy replicators.  They cause significant
  174. recombination and rearrangement of the genomes.  This spontaneous sexuality
  175. is a powerful force for evolutionary change in the system.
  176.  
  177. A series of experiments were conducted on the effects of mutation rates on
  178. the rates of evolution.  The parameter used to compare rates of evolution
  179. was the rate at which self-replicating genomes decreased in size, indicating
  180. an optimization, in an environment favoring smaller sizes.  The optimal
  181. mutation rate was found to be a mutation affecting one in four individuals
  182. per generation.  At higher rates the community sometimes died out, as genomes
  183. melted under the mutational heat.  At lower rates, optimization was slower.
  184. Fully self-replicating (non-parasitic) genomes reduced from 80 instructions
  185. to 22 instructions overnight (more than 1500 generations, of populations
  186. ranging from 300 to 1000 individuals).  The ancestor of size 80 requires
  187. 839 CPU cycles to replicate.  The creature of size 22 requires 146 CPU cycles
  188. to replicate, a 5.75-fold difference in efficiency.
  189.  
  190. One of the most interesting aspects of this second instance of life is
  191. that the bulk of the evolution is based on adaptation to the biotic
  192. environment rather than the physical environment.  It is co-evolution
  193. that drives the system.
  194.  
  195. It is possible to extract information on any aspect of the system
  196. without disturbing it, from phylogeny or community structure through time
  197. to the ``genetic makeup'' and ``metabolic processes'' of individuals.
  198. Synthetic Life demonstrates the power of the computational approach to
  199. science as a complement to the traditional approaches of experiment and
  200. theory based on analysis through calculus and differential equations.
  201.  
  202. I will make an oral presentation.  I will need an overhead projector, and
  203. two three-pronged power outlets nearby to plug in the computer and LCD panel.
  204.  
  205. ---------------------------end abstract----------------------------------
  206.  
  207.      This message was distributed internally to the University of Delaware
  208. Synthetic Life group.  I thought that other AL fans might be interested
  209. to know what we are up to:
  210.  
  211.      We haven't met as a group for some time, so I thought I would send out
  212. this progress report.
  213.  
  214. TECHNOLOGY REVIEW ARTICLE - The next issue of Technology Review (April/May),
  215. due out in March, will include an article on Artificial Life.  They
  216. will describe (among other things) the work of our group, and will include
  217. a series of four color photos of the ALmond Monitor of Tierra that Marc Cygnus
  218. has developed.
  219.  
  220. ALMOND TALKS - Marc Cygnus has got the ALmond monitor program talking to
  221. the Tierra simulator using network communications.  We can now have multiple
  222. simulators running on multiple machines, and monitor them from multiple
  223. monitors on multiple machines.  The monitors can attach to and detach from
  224. the simulators without disturbing them.
  225.  
  226. AL AND GA - Chris Bryden has completed his term paper discussing the
  227. relationships between synthetic life and genetic algorithms.
  228.  
  229. THE MATRIX OF LIFE - John Billon has completed his independent study by
  230. exploring the possibility of implementing a synthetic life system in a
  231. matrix based environment.
  232.  
  233. THE GENETIC LANGUAGE - Dan Pirone has designed a much more powerful version
  234. of the Tierran language, and has the bulk of the new instruction set coded.
  235. The syntax is much more complex than the original Tierran.  We are hoping that
  236. it will be as evolvable.
  237.  
  238. OPTIMIZATION OF TIERRA - Tom Uffner has tackled the task of optimizing the
  239. tierra simulator code.  He is starting with the genebank manager which works,
  240. but is very inefficient.  His proposals for optimization sound very promising.
  241.  
  242. DIVERSITY AND TURNOVER - Eric Andrews and Jim Timmons are developing code to
  243. monitor diversity and turnover rates of size classes and genotypes in the
  244. soups.  They are already generating the diversity indices, and are working
  245. on the turnover rates.
  246.  
  247. AUTECOLOGY - Over winter session I automated the analysis of ecological
  248. interactions between creatures.  Now when genotypes are saved to disk, the
  249. code that is actually executed is marked, to distinguish it from "junk"
  250. (unexecuted) code.  Also, the basic classes of ecological interactions have
  251. been identified, and the interactions engaged in by a genotype are marked in
  252. a bit field that is saved with each genotype.
  253.  
  254. EVOLUTIONARY OPTIMIZATION OF MACHINE CODES - I completed a study of the effect
  255. of mutation rate on the rate of evolution.  As an index of the rate of
  256. evolution, I used the rate at which self-replicating machine code programs
  257. reduce their size.  The optimal mutation rate was one that hit about one in
  258. four programs per generation.  At higher rates, the communities sometimes
  259. died out, as genomes melted under the mutational heat.  The programs reduced
  260. themselves from 80 machine instructions to 22 machine instructions overnight
  261. (over 1500 generations, of populations ranging from 300 to 1000 individuals).
  262. There was a 5.75-fold decrease in the number of CPU cycles required for
  263. replication.
  264.  
  265. IRISVILLE OPENS - The two Silicon Graphics machines and the Sun in 114 Wolf
  266. are up and running and on the net.  life.slhs.udel.edu is a 4D25TG Personal
  267. Iris with 32MB of memory and a 1.2 GB disk.  tierra.slhs.udel.edu is a
  268. 4D258 (Iris) Data Station Server with 32MB of memory and a 1.2 GB disk.
  269. genie.slhs.udel.edu is a Sun 3/60 with 8MB of memory, about 300 MB of disk,
  270. and a color monitor.  The Irises are rated at 16 MIPS each, and the Sun at
  271. about 4 MIPS.  These machines are for the exclusive use of the School of
  272. Life and Health Sciences (SLHS), which so far has meant just for the alife
  273. group.  The two Irises have been running the Tierra simulator around the
  274. clock since they came up.
  275.  
  276.                              Tom Ray
  277.                        University of Delaware
  278.                   School of Life & Health Sciences
  279.                       Newark, Delaware  19716
  280.                         ray@brahms.udel.edu
  281.                          302-451-2281 (FAX)
  282.                             302-451-2753
  283.  
  284.