Algoritmik lens aracılığıyla ekoloji ve evrim

Ekoloji ve evrim çalışmaları giderek daha matematiksel hale geliyor, ancak teorik araçların çoğu fizikten geliyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, birçok durumda problemler çok ayrı bir yapıya sahiptir (bakınız örneğin SLBS00 ) ve bilgisayar bilimi perspektifinden faydalanabilir . Yine de, TCS'nin ekoloji ve evrimdeki belirli sorulara değinmeye çalışan ciddi sonuçlarının farkındayım. Akla gelen iki yön:

1. Livnat, A., Papadimitriou, C., Dusho, J. ve Feldman, MW [2008] "Cinsiyetin evrimdeki rolü için bir karmalık teorisi" PNAS 105 (50): 19803-19808. [ pdf ]

2. Valiant, LG [2009] "Evolvability" ACM Dergisi 55 (1): 3.

İlki, cinsel ve aseksüel organizmaların spor alanlarındaki davranış biçimleri arasındaki niteliksel bir farkı göstermek için genetik algoritmaların analizinden gelen fikri uygular ve gözlemlenen modülerliği haklı çıkarmaya yardımcı olan takiplere yol açmıştır . Sonuncusu, evrimleşebilirliği ve olanaksızlık sonuçlarını kanıtlamaya çalışmak için evrim ve hesaplamalı öğrenme teorisini birleştirir. Küçük bir kağıt koleksiyonunu etkilemiştir, ancak daha çok diğer bilgisayar bilimcilerince.

Bu damarlarda daha fazla sonuç var mı? Biyoloji uzmanları tarafından incelenen ekoloji ve evrimi anlamaya yönelik diğer derin / önemsiz teorik bilgisayar bilimi uygulamaları mı?

notlar

• Genel mühendislikle ilgili genetik veya evrimsel algoritmaların sonuçlarıyla ilgilenmiyorum. Bu, bilgisayar biliminin çok ilginç ve heyecan verici bir parçası olmasına rağmen, biyologlar tarafından incelenen evrim ile bağlantısı genellikle yüzeyseldir. Bazen (LPDF08'de olduğu gibi) somut bağlantılar yapılır, ancak çoğu standart sonuç biyolojik olarak ilgi çekici değildir ve bu nedenle bu yazıyla ilgilenmiyorum.

• Biyoinformatik yakın bir alandır, fakat aynı zamanda aradığım şey değil. Filogenetik ağaçlar gibi şeyleri yeniden yapılandırmak ve böylece evrim / ekolojiye yardımcı olmak için kullanılabilmesine rağmen, teorik CS yönleri merkezde yer almaz. Burada, CS sonuçları çoğunlukla mevcut köklü teorilerin içinden kara kutu olarak kullanılabilecek bir aracı mükemmelleştirmek ve yeni biyolojik teorileri inşa etmek veya uzatmamak için görünmektedir.

• Biyolojiyi teorik (ama yine de biyologlarla alakalı) düzeyde etkilemek için bilgisayar biliminin modern-önemsiz ve önemsiz yönlerini kullanan sonuçları tercih ederim. Bu nedenle, Chaitin'in metabiyolojisi gibi şeylerle ilgilenmiyorum .

İlgili sorular

• Genetik algoritmalar hakkında kanıtlanabilir ifadeler

• Sosyal bilimlerde algoritmik mercek

• Algoritmik Evrimsel Oyun Teorisi Kaynakları

• Nicel finansta hesaplamalı karmaşıklık

Hmmm. Bildiğim kadarıyla evrimsel dinamikleri / oyun teorisi giderse, benim kişisel görüşüm Bahsettiğiniz Livnat vd kağıt, çok güzel çalışmaları sırasında, evrimsel oyun teorisi (çalışmalarını görmek için standart matematiksel bir yaklaşım "dışında" düşmek görünmüyor olmasıdır mesela Martin Nowak'ın grubu , '05 "Grafiklerdeki Evrimsel Dinamikler" makalesi .

Dolayısıyla, iddia edeceğim iki iddia: Birincisi, bu, bilgisayar bilimcileri tarafından yapılan Evrimsel Dinamikte yapılan harika bir çalışma olsa da, kişisel olarak Teorik Bilgisayar Bilimi içine veya TCS ile yakından ilgili olan her şey olarak kişisel olarak yerleştirmem. Çünkü evrimsel ve algoritmik oyun teorisi arasındaki mevcut ilişki. İkincisi, aynı fikirde olmaya eğiliminiz varsa, Evrimsel Dinamikler alanının zaten TCS ile felsefî olarak ne kadar paylaştığını / paylaştığını görünce şaşırabilirsiniz (ancak tekniklerin benzer olduğundan hala emin değilim).

Genel olarak, bu satırlar boyunca, bahsettiğiniz referans da dahil, aradığınız şeye uyan herhangi bir çalışma olmadığını söylemeye meyilliyim, bence TCS'deki bazı temel kavram / teknikler arasında derin bir bağlantı olduğunu düşünüyorum. ve evrim çalışması. (Tabii ki, eğer birinin farklı bir görüşü varsa, lütfen söyleyin!)

Bunun evrimsel oyun teorisi veya evrimsel dinamikleri sizce olabilir (örneğin Livnat vd gibi) daha algorithic yaklaşımlar, yararlanırlar. Belirli bir örnek için, örneğin sonlu durumlu makinelerle modellendiği gibi (sınırlı) tamamlama kabiliyetine sahip evrimleşilebilir maddeleri değerlendirmek için olası güzel uzantıları görüyorum . Bu, ayrık ajanların evrimini tit-to-tat gibi daha karmaşık koşullu stratejilerle incelememize olanak sağlayacaktır. Bu konuya biraz baktım ve bu satırlar boyunca bazı ön çalışmaları duydum, ancak referans göstermedik.

Ancak bu örnek bile oldukça basit bir uygulamadır, bu nedenle bu tür sonuçlar muhtemelen sorunuzu yanıtlamaz.

Öte yandan, öğrenme teorisi için bir gün evrimsel dinamiklerle de güzel bağlantılar kurabilecek umutlarım var. Ancak, bu sonuçlara pek aşina değilim, bu yüzden başkalarının yorum yapmasına izin vereceğim.

(Düzenleme) Bahsedilmesi gereken potansiyel bağlantılardan biri, bilinen öğrenme ilişkisidir (örneğin, "uzman sorunu") ve tekrarlanan oyunlarda dengeye yakınlaşma. Spesifik olarak, örneğin (detaylar için Aaron Roth'ın yorumuna bakınız), tekrarlanan bir oyunda, eğer tüm oyuncular pişmanlık duymadan stratejiler oynuyorsa, eylemlerin geçmiş dağılımı, tek turlu oyunun kaba bir korelasyonuna yakınlaşır. Evrimsel oyun teorisi merceği aracılığıyla görüldüğü gibi bu konuda söylenecek ilginç ve yeni bir şeyler olabilir; Emin değilim.

İlaç tasarımına yönelik uygulamalarla aseksüel evrim ile ilgili bir (son) çalışma dizisi ve ilginç Markov zincir tekniklerini kullanıyor: Cinsiyetsiz Evrim

Evrim / genetiği Multiplicative Weight Update algoritmasına bağlayan yeni bir bildiri yazdı , aynı zamanda sadece Simons Vakfı tarafından da belirlendi ve soruda belirtilen bir ortak yazar içerir (Papadimitriou):

• Algoritmalar, oyunlar ve evrim Erick Chastain, Adi Livnat, Christos Papadimitriou ve Umesh Vazirani

  Darwin'in kendisiyle başlayan evrimin en tecrübeli öğrencileri bile, doğal seleksiyon mekanizmasının etrafımızda gördüğümüz Yaşamın tamamını yarattığını duyduğu şaşkınlığı dile getirdi. Aynı şaşkınlığı dile getirmenin hesaplamalı bir yolu var: “Bunları sadece üç buçuk milyar yıl içinde hangi algoritma elde edebilir?” Bu yazıda bir cevap öneriyoruz: Zayıf seçim rejiminde standart olduğunu gösterdik. cinsiyet varlığında doğal seçilimi tanımlayan popülasyon genetiği denklemleri, bilgisayar bilimlerinde şaşırtıcı derecede güçlü ve çok yönlü olduğu bilinen bir algoritma olan çoğul ağırlık güncellemelerine (MWUA) göre çalınan genler arasında tekrarlanan bir oyunla aynıdır. MWUA kümülatif performans ve entropi arasındaki bir takası en üst seviyeye çıkarır,

Misha Gromov'un son geniş kapsamlı araştırması Kristaller, proteinler, stabilite ve izoperimetri (Bull. Amer. Math. Soc. 48 (2011), 229-257), biyoloji ile ilgili matematiksel konulardan oluşan zengin bir damardır (TCS'ye bağlanan birçok konu dahil) yöntemler).

Soru bir liste için istedi

Algoritmik bir mercekle […] çok ayrık bir yapıya sahip bilgisayar bilimlerinin modern-önemsiz ve önemsiz yönlerini kullanan sonuçlar

Gromov'un anketi, belirli araştırma programlarından çok genel matematik sorularına yöneliktir. Böylece, anket Gromov'un seçimi olarak okunabilir.

(Potansiyel olarak) bilgisayar biliminin modern-önemsiz ve önemsiz yönlerini kullandığı sorular […] (çoğu) algoritmik bir merceğin […] çok ayrı bir özelliğidir.

Bilinen sonuçların bir listesi yerine cevaplanmamış soruların bir listesi olarak, Gromov'un makalesi okuyucuya önemli yaratıcı talepler getiriyor.

Belki de makalenin asıl erdemi yazarın… Misha Gromov !

ne yazık ki burada bilimsel ilgide / önemde, gerçek bilimsel araştırmada, bu soruya yüksek oylarda da kanıtlandığında, cevaplara düşük oylarda (ve buradaki paterne meydan okumayı beklemeyince) ciddi bir boşluk var gibi görünüyor. Bilimsel teorinin merkezinde, henüz bebeklik döneminde çok önemli bir çalışma / araştırma programı gibi görünmektedir. şimdi evrim teorisini yanlışlanabilirlik kısıtlamalarına maruz bırakabilecek , en azından evrim teorisi doğruysa, en azından bir bilgisayarda modellemenin / simüle etmenin mümkün olması gerektiği anlamında hesaplanabilir deneyler yapmak için araçlara sahibiz ; Ancak, projeyi denemek için çok az şey var gibi görünüyor (ki bu, kesinlikle, en azını söylemek kesinlikle çok hırslı olan).

örneğin, filogenetik ağaçtaki milyarlarca yıl boyunca bilinen evrimsel değişikliklerle eşleşen bir simülasyon var mı? Zorluk disiplinlerarası ve çapraz kesimdir ve mevcut bilimsel alanlara / sınırlara tam olarak / tam olarak uymuyor gibi görünmektedir. dikkat çekici bir şekilde, böyle bir araştırma programı öneren herhangi bir büyük bilim insanı veya biyolog bile görünmüyor .

Burada , soruda belirtilen dar ölçütlere kesinlikle uymayacağına ancak kabaca yakın olabileceğine dair birkaç referans geldi.

• "Yapay yaşam" alanında, " kimyasal çorba" nın kendi kendini organize etmesine neden olan koşulları, replikasyon vb. işlemlerinin temel yönlerini gösteren bir tür yarı-yaşam formlarına benzetme girişimlerine bir miktar ilgi vardır. örneğin: EVOGRID: Hayat Çabalar Hesaplamalı Origins Bir Yaklaşım damer

  Dünyadaki yaşamın kökeninin mekanizmalarını anlama arayışı, moleküler düzeyde yaşamın yaşamdan ortaya çıkmasında yaşanabilecek aşamaların bilgisayar simülasyonları ile geliştirilebilir. Bu simülasyon sınıfı daha sonra paralel laboratuvar kimyasal deneyleri yoluyla test ve doğrulamayı destekleyebilir. Hesaplamalı veya “siber” bir bileşen ile kimyasal abiogenezdeki paralel çaba araştırmasının bu kombinasyonu, siberbiyogenez yaklaşımı olarak adlandırılabilir. Siberbiyogenez çabalarının önündeki temel teknolojik zorluk, birden fazla karmaşıklık eşiğiyle de, prebiyotik ve biyolojik sanal moleküler yapı ve işlemlerin ortaya çıkmasına izin veren bilgisayar simülasyon modelleri tasarlamaktır. Bu tez, böyle bir simülasyon modelini tasarlama, uygulama ve analiz etme zorluğunu üstlenir.

• İNSANLAR VE DİĞER İLKELERDEN HAZIRLIK SAVAŞI, XENOPHOBİ VE ALTRUİZMİN GRUP SEÇİM MODELİ Agner Fog

  Özet: Grup toprakları üzerindeki teorik bir savaş modeli, kooperatif savaş, adalet, özgecilik ve yabancı dışlanma gibi davranışsal özelliklerin, yüksek primatlarda ve tarih öncesi insanlarda birlikte ortaya çıkabileceğini göstermektedir. Toprak savaşının etkili bir grup seçim mekanizması olması için koşullar tartışılmaktadır. Bu koşullar kabile toplumlarında tarih öncesi zamanlarda mevcut olabilir, ancak modern zamanlarda olmamıştır. Bölgelerin coğrafi evrimi bilgisayar simülasyonları ile gösterilmiştir.

• Dikkate değer bir soru çok benzer görünüyor: bazı misc refs ile 2008 taşması üzerine yeryüzünde evrim sürecinin bilgisayar simülasyonu .