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Artificial Life (ALife)

Seit der ersten Konferenz über Artificial Life (kurz ,,ALife`` genannt, zu deutsch: ,,künstliches Leben``) im Jahr 1987 sind viele Arbeiten unter diesem Schlagwort veröffentlicht worden, siehe [41] und [43]. Eine Begriffsdefinition für ALife läßt sich dem einleitenden Artikel der Proceedings dieser Konferenz von LANGTON entnehmen [42]: Gegenstand der ALife-Forschung ist ,,Leben, wie es sein könnte`` im Gegensatz zu ,,Leben, wie wir es kennen``. Modelle für ALife sollten nach seiner Auffassung wie in der Natur eine ,,bottom-up``-Struktur aufweisen, also von einfachen Basiselementen ausgehen, aus denen sich durch Selbstorganisation komplexe Strukturen entwickeln können. In diesen Modellen gilt das primäre Interesse weniger dem Endresultat als vielmehr der fortdauernden Dynamik. LANGTON stellt in dem oben zitierten Artikel eine Liste der essentiellen Bestandteile von computerbasierten ALife-Modellen vor:

Inzwischen sind viele solcher Definitionen von Autoren aus dem ALife-Umfeld veröffentlicht worden, siehe z.B. [21]. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser Definitionen ist eine gewisse Willkür in der Auswahl der Grundlagen, was durch die mehr oder weniger emotionale Vorbesetzung des Begriffs ,,Leben`` erklärbar ist. Das gleiche Phänomen ist bei der Verwendung des Begriffs ,,emergent`` zu verzeichnen, der immer häufiger im Zusammenhang mit Alife- bzw. Evolutionsmodellen auftaucht (siehe z.B. [24]). Die deutsche Übersetzung des englischen Worts ,,emergent`` liest sich in einem Wörterbuch [6] wie folgt:

Einige Autoren des ALife-Umfelds versuchen auch hier, ihre eigene Definition oder gar eine Abstufung des Emergenzbegriffs einzuführen, wie z.B. ASSAD und PACKARD in [2]. Diese Versuche sind jedoch nicht frei von (nicht näher begründeten) Willkürlichkeiten, so daß die Verwendung des Wortes ,,emergent`` für bestimmte Eigenschaften eines Modells immer subjektiv erscheint. Es existieren auch völlig diffuse Definitionen dieses Begriffs, dazu ein Beispiel aus [19], S. 130:

,,Während mit ,,Evolution`` die Gesamtheit komplexer Strukturveränderungen (struktureller Instabilitäten) in zeitlicher Extension bezeichnet wird, bezeichnet ,,Emergenz`` den jeweils lokalen kleinsten Wirkungsübertrag, wobei die Verkettung bzw. Verstärkung dieser Emergenzereignisse in iterativer Folge das evolutive Resultat, letztlich die neue Phase relativer Stabilität bewirkt.``

Ein Extrakt aus unterschiedlichen Ansätzen in der ALife-Literatur zur Definition dieses Begriffs führt zur folgenden wesentlichen Aussage:

Eine eindeutige Zuordnung von Evolutionsmodellen zum Komplex ,,ALife-Modelle`` ist nicht möglich, da bei vielen in der Literatur zitierten Modellen nicht entscheidbar ist, ob sie z.B. der LANGTONschen Definition von ALife genügen. Dazu gehören unter anderem ,,zellulare Automaten``-Modelle in endlichen Systemen mit streng deterministisch vorgegeben Regeln ohne Stochastizität, wie z.B. das ,,Game of Life`` von CONWAY [27], sowie Modelle mit einer komplizierten, durch vorgegebene Regeln bedingten Dynamik, die von den jeweiligen Autoren explizit unter dem Schlagwort ,,ALife`` vorgestellt werden.

Als Beispiel für ein solches ALife-Modell sei das ,,Artificial-Organism``-Modell von ASSAD und PACKARD [2] kurz vorgestellt. Die Autoren präsentieren ein System, das aus einer Population von Individuen auf einem zweidimensionalen Gitter mit periodischen Randbedingungen besteht. Jedes Individuum besitzt eine aus binär dekodierten ,,Genen`` aufgebaute Strategietabelle, die das Verhalten des Individuums bestimmt. Die Individuen bewegen sich über das Gitter und suchen nach ,,Handelspartnern``, mit denen sie Futter austauschen. Es sind vier verschiedene Spezies definiert, die sich zirkular katalysieren: Was Spezies 1 ausscheidet, wird von Spezies 2 als Futter verwertet, was Spezies 2 ausscheidet, wird von Spezies 3 aufgenommen, usw. Die Individuen verbrauchen für ihre Existenz und für jeden Schritt auf dem Gitter eine bestimmte Menge Futter, die von ihnen ausgeschieden wird. Die Strategie der Individuen legt fest, mit welcher Spezies sie Futter austauschen und welches Futter einer anderen Spezies gespeichert wird, um es gegen das benötigte Futter auszutauschen. Die einzelnen Gene der Strategietabelle werden mit Mutationen auf die Nachkommen vererbt, so daß die Dynamik als Optimierungsprozeß für die günstigsten Einträge in dieser Tabelle wirkt. Das Ergebnis der veröffentlichten Simulationen zeigt im wesentlichen ein Verhalten der Kolonienbildung, was dadurch zu erklären ist, daß es für ein Individuum am günstigsten ist, mit jeder beliebigen anderen Spezies jedes beliebige Futter auszutauschen, weil dann die Wahrscheinlichkeit am größten ist, die für den eigenen Bedarf benötigte Sorte im Austausch zu erhalten. Diese Kolonienbildung wird von den Autoren als ,,emergentes`` Ereignis, als Folge einer evolutiven Entwicklung dargestellt. Bei Berücksichtigung der vorgegebenen Regeln ist das Verhalten jedoch trivial. Bei dieser Art von Dynamik wird ein globaler Optimierungsprozeß simuliert, dessen globales Ziel vorhersagbar ist, weil es durch die vorgegebene Regelsammlung erzwungen wird. Eine interessante Frage ist in diesem Zusammenhang, welches Verhalten auftaucht, wenn man die Stabilität des Systems testet. Dies wäre z.B. durch Hinzufügen von Individuen mit zufälligen Strategien nach der Phase der Kolonienbildung oder durch Herausnehmen einzelner Individuen aus einer Kolonie und anschließendes Aussetzen dieser Individuen in unbewohnte Teile des Gitters möglich. Ein solcher Test wird jedoch von den Autoren nicht vorgenommen.

In einigen Evolutions- und ALife-Modellen wird eine explizite räumliche Umgebung vorgegeben (z.B. ein Zentralkraftfeld in einem dreidimensionalen Raum in TANGENs Modell [62]), die ebenfalls einen Teil der vermeintlich komplexen Dynamik von Populationen zwangsläufig entstehen läßt.

Nach diesen Ausführungen wird deutlich, daß für die Beurteilung von ,,evolutiven`` oder ,,emergenten`` Ereignissen und Eigenschaften solcher Modelle der direkte Vergleich des simulierten Systems mit Zufallsversionen dieses Systems (siehe auch [24] und [25]) oder äquivalente Stabilitätstests notwendig sind. In einem Vergleichsmodell werden dabei Zufallsregeln statt der beabsichtigten Regelsammlung verwendet, so daß die Dynamik nur durch Rauschen bestimmt wird. In der vorliegenden Diplomarbeit werden daher die Ergebnisse exemplarisch mit einer solchen Zufallsversion des jeweils vorgestellten Modells verglichen.


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RW 2008-07-16