Eboluzioa bizi artifizialean

Bizidunak zer diren azaltzeko orduan, testuliburuetan haien ezaugarrien zerrendak ematen dira beste definizio hobeagorik ezean (1. taula). Gainera, bizia ez da gertakari homogeneoa; alderantziz, biziaren ezaugarririk garrantzitsuenetakoa ugaritasuna dela esan daiteke. Gaur egun lurreko espezie biziak 5 milioiren bat dira (ornodunak 50.000 baino ez). Biziak lilura ikaragarria sortzen digun arren, orain arte zientziak edo injinerutzak garatutako sistema artifizialik konplexuenak ere ezin izan du bizidunen parekorik lortu. Edo hala zirudien bederen.

• Bizia espazio-denboran ematen den patroia da.
• Biziak ugalketa behar du (bizidunak bere burua sortzen du edota ugalketa prozesuaren ondorioa da).
• Bizidunak bere burua sortzeko behar duen informazioa du bere baitan.
• Bizidunek inguruko materiaz eta energiaz barne-materia eta barne-energia lortzen dute metabolismoaren bidez.
• Bizidunek inguruarekin elkarreragin funtzionala dute.
• Bizidunek bere zatien arteko menpekotasun handia dute.
• Bizidunak egonkorrak dira kanpoko eraginaren aurrean.
• Biziak eboluzionatu egiten du.

1987an izenburu bitxia zuen kongresua izan zen Los Alamosen (EEBB). Bertan bizia eta haren ezaugarriak ikertzerakoan, arlo berria sortu zen: Bizi Artifiziala (BA). Orain arte Biologiak ezagutzen dugun bizia aztertu du eta BA-aren eginkizuna berriz, izan litekeen bizia ikertzea da. Era horretan, biologiak Lurreko eboluzioaren historian agertu diren ezaugarri kontingenteak (hau da, ezinbestekoak ez diren eta beste era batean izan zitezkeenak) ikertzen dituen bitartean, BA-ak biziaren zientzia unibertsala eratzea du helburu.

Bi eratako helburuak ditu eginkizun horrek: alde batetik, konputaziozko sistema berriek biziaren zientzietan izan ditzaketen ondorioak aztertzea eta bestetik, orain arte emaitza garbirik ez zuten problema askorentzat tratamendu berriak asmatzea, bizidunak eta beren ezaugarriak inspirazio iturritzat hartuz. Hiru motako sistema artifizialak eratu dira: software -an bizidunen ezaugarriak agertzen dituzten sistemak programatzen dira, hardware -an robotak eraiki edo konputagailuentzako txipak eboluzioaren bidez diseinatzen dira, eta wetware delakoan, molekulaz eraturiko osagai artifizialak sortzen dira (adibidez, RNA molekula berriak sintetizatzea entseiu-tutuan).

3800 milioi urte
- 2000 milioi urte
- 700 milioi urte
- 400 milioi urte
- 7,5 - 5 milioi urte

Ikertzaile asko hurbildu da BA-era azken urteotan helburu ugariren atzetik: bizi artifiziala sortu, biologia teorikoaren oinarriak sendotu, sistema konplexuak azaltzeko eredu egokiagoak aurkitu, konputazio-sistemak garatzeko estrategia naturalak erabili, inguru ezezagunetan (adibidez, beste planetaren batean) portaera egokia izango luketen makinak edo robotak garatu eta azkenik, arazo filosofikoak tresneria kontzeptuala baino sofistikatuagoa izan daitekeen esparruetan aurkezteko aukera zabaldu. Horrela, BA-ean gure pentsamenduaren mugak zabalduko lituzketen protesiak garatuko lirateke.

Artikulu honen xedea Bizi Artifizialak eboluzioari buruz garatu dituen azterbideak aurkeztea da. Eboluzio artifiziala ardatz harturik beraz, hiru eszenatoki desberdin aztertuko ditugu. Lehenengoan, Informatikak eboluzio biologikoa erabiltzen du bere eremuan agertzen diren problemak ebazteko. Bigarrenean, alderantzizko egoera aurkezten da, hots, Biologia tresneria informatikoaz baliatzen da naturan gertatzen diren eboluzio-prozesuak simulatzeko. Eta azken adibidean ez da oso garbi gelditzen non dagoen Informatikaren eta Biologiaren arteko muga.

Algoritmo genetikoak

Lurreko izadia eboluzio-prozesu baten ondorioa da eta denbora luzea iragan da gaur ezagutzen ditugun formak ager daitezen (2. taula). Eboluzioa kontutan hartu baino lehen, ez zen milioka urtetako denbora-eskalarik behar: XVIII. mendera arte Lurraren adina Adanetik hasi eta Bibliako profeten bizitzen iraupenak gehituz kalkulatzen zenez, askoz gazteagoa zela uste zen (ikerketa horien arabera, K.a. 4004. urteko urriaren 23an, goizeko 9etan amaitu zen kreazioa). Gaur egungo zenbait ikerlarik ere antzeko jarrera erakutsi dute, BA-a gaurtik biharko eginkizuna balitz bezala. Baina eboluzioak behar izan duen denboraren aurrean, pentsaera inozoa da hori.

Eboluzioaren ideia Darwin-en aurrekoa izan arren, berak proposatu zuen eboluzioa azaltzeko mekanismorik onartuena: hautespen naturala. Darwin naturalista trebea zen eta mundu osoko izadia eta espezie desberdinak arakatzen bost urte igaro zituen. Hala ere, eboluzioaren mekanismoa nekazaletxeetan usoak edo abereak hazteko erabiltzen ziren teknikak behatuz otu zitzaion. Hazleek aldaketa txikiekin jokatzen dute ezaugarri jakina sortuko duen nahasketa egokiak lortzeko. Naturan ere antzekoa izango litzateke prozesua, baina kontzientea ezik, itsua eta helburugabea den indarrak agindu eta hautatzen ditu aldaketa egokienak.

3. irudia. Emearen eta arraren sare neuronalak. Emearen sarearen sarrerak arren posizioa eta norabidea bere ikuspegitik irudikatzen ditu (adibidean, ar bat hegoekialdean dago ekialdera begira). Emearen sarearen irteerak soinu bat adierazten du, eta hori da arrak entzuten duena (bere sarearen sarrera). Horren irteera berriz, mugimendua bezala interpretatzen da (“geldirik geratu”, “eskuinera jo”, “ezkerrera jo” edo “aurrera egin”).

BA-ean prozesu darwindar hori eboluzio artifiziala ekoizteko erabili da, hiru printzipiotan oinarrituz: herentzia, aldakuntza eta hautespena (1. irudia). Eredu artifizialetan, Darwini hautespen naturala iradoki zioten kasu artifizialetan bezalaxe, Algoritmo Genetikoetan ikerlariak zein helbururantz jo erabakitzen du.

Algoritmo Genetikoa problema bat ebazteko erabilgarria da, beti ere soluzio-espazioa ezaguna eta mugatua denean eta soluzio bakoitzaren egokitasuna neurtzeko funtzio objektiboaz hornitzea bideragarria denean. Oso normala da problemaren soluzioa algoritmo bat izatea (programa, automata, sare neuronala edo sistema adituaren bidez kodetuta).

Gure asmoa ahalik eta soluziorik onena aurkitzea da. Eboluzioaren printzipioak aplikatzeko, lehenik hasierako belaunaldia osatzen duen ausazko soluzio-multzoa sortzen dugu (gehienak desegokiak izango bide dira). Belaunaldi bakoitzetik hurrengoa eratortzeko, ondoko pausuak jarraituko ditugu (2. irudia):

• Ebaluazioa: egokitasun-funtzioa aplikatzen zaio populazioko indibiduo bakoitzari.
• Ugalketa: ebaluazioaren emaitzen arabera, indibiduoek hurrengo belaunaldian irauteko probabilitatea dute.
• Mutazioa: aukeratutakoek ausazko aldaketa lokalak jasaten dituzte.
• Gurutzaketa: zenbait zati elkar trukatzen dute binaka.

Metodo horrekin jarraituko da soluzio optimoa aurkitu arte edo belaunaldi-kopuru maximoraino iritsi arte. Lortutako emaitzak gero eta hobeagoak dira (zein puntutaraino ere aukera dezakegu). Gainera, algoritmo genetikoa erabiltzeko ez dugu problema konkretuari buruzko ezagupenik behar. Izan ere, propio egindako algoritmo eraginkorrak garatzeko oztopo handiak dituzten problema askorentzat, oso soluzio onak bermatzen dituzte algoritmo genetikoek; hori horrela, BA-aren industria aplikazio nagusi bilakatu dira.

Mundu artifizialak

BA-aren adibiderik ezagunenetakoa mundu artifizialena da, hots, bere baitan mundu osoa (izaki bizidunak eta bizigabeak, espazio egituratua, eguraldi desberdinak, etab.) biltzen duten ingurune simulatuak. Mundu horietan garatuko dute bere bizialdi osoa organismo artifizialek: jaio, ikasi, elikatu, harrapariengandik ihes egin... Sarritan organismoen portaera eta eboluzioa konputagailuaren pantailan zuzenean ikusteko aukera eskaintzen da. Baliabide horietaz jabeturik, ikerlariek eboluzioaren alderdi desberdinak ikertzeko erabili dituzte mundu artifizialak: eboluzioaren eta ikastearen arteko harremana, hautespen sexuala, espezieen dinamika, harrapari eta harrapakinen arteko erlazioa, hizkuntzaren sorrera eta beste hainbat gai.

4. irudia. Mundu artifizialean gertaturiko istorioa (eboluzioaren bidez hizkuntza garatu ondoren). a) Emearen ikusmen eremuan ez dago arrarik eta beraz esanahirik gabeko kantua egiten du; arra gidatua izan gabe aurrera doa. b eta c) Emea arra ikusteko gauza da eta aurrera jotzeko kantua egiten du. d) Arra bere parean dagoenez eskuinera jotzeko eskatzen dio emeak. e) Arra biratu ondoren emeak berriz ere aurrera egiteko esaten dio.

Mota honetako lanen adibide polita Werner eta Dyer-ek asmatutako mundua da. Ikertu nahi zuten arazoa honako hau da: nola sor daiteke komunikaziorako hizkuntza? Galdera horren aurrean, ez zuten gizakion hizkuntzan oinarritu, animalienean baizik eta inspirazio iturri gisa igelek ernaltzeko erabiltzen duten kantua hartu zuten. Komunikazioaren eboluzioa aztertzeko, espeziearen barruan jaiotzetiko zeinuen garapena ikertu zuten.

Horretarako animalia artifizialen bizileku gisa laukiekiko saretxoa definitu zuten. Saretxo horren begi bakoitza hutsik ala beterik egon daiteke eta eme- eta ar-kopuru bera dago. Animalia horien zeregina bikotea aurkitzea da, ernaldu eta kumeak izateko. Arrak itsuak izanik, ez dituzte emeak ikusten; emeak aldiz, ezin dira mugitu eta arrak erakartzeko, bidea adierazi behar diete kantuen bidez. Animalia bakoitzaren portaera genoma batean kodetuta dagoen sare neuronalak agintzen du (3. irudia). Orduan, algoritmo genetiko baten bidez, eboluzioa ahalbidetzen da.

Komunikazioa egon dadin, hau da, emeak arra bereganatzeko, emeak arrek ulertuko dituzten zeinuak egin behar ditu, eta arrak zeinuak interpretatzen ikasi behar du. Emearen zeinuaren eta arraren mugimenduaren arteko erlazioa arbitrarioa da. Helburua zeinuen interpretazio posible batean ados dagoen populazioa bilakatzea da. Arrak emearekin topo egitean, parekatu eta bi kume egiten dituzte: bata emea eta arra bestea.

Esperimentu horretako belaunaldi-bilakaera ondokoa izan zen: 1) arren eta emeen portaera ausazkoa da, 2) geldirik egoteko joera duten arrak desagertu egiten dira, 3) geratzen diren arren gehiengoak aurrera egiteko joera du; biraka aritzeko joera dutenak berriz, desagertu egiten dira, 4) maila horretan agertzen diren arrek emearen lerrora edo zutabera iristean biratzen badakite; bestalde, zeinu esanguratsuak egiten dituzten emeak ugaritu egin dira besteak gutxiagotuz. Arrek, emerik entzuten ez dutenean, aurrera egiten dute zuzenean eta hurbil daudenean berriz, biratu, 5) emeak egoera gehiago adierazteko erabiltzen dituzte zeinuak. 4. irudian ikus daiteke hizkuntza garatu ondoren gertatutako istorio bat.

Konputazio-ekosistemak

Orain arte ikusi dugunez, mundu artifizialetan naturaren lege fisiko eta biologikoak nolabait isladatzen saiatzen da eta ingurune informatikoa egoera errealen abstrakziotzat hartzen da. Aztertuko dugun azken hurbilketaren ikuspuntua ordea, oso desberdina da: konputazio-ekosistemen paradigman informazio digitalaren printzipioak nagusi dira, mundu erreala errepikatzen saiatu gabe. Beraz, agertzen diren eragileak programa hutsak dira (normalean, mihiztadura-lengoaia bereziaz kodeturik) eta beren funtzionaltasuna bitarte informatikoak (memoria, egikaritzeko ahalmena, etab.) kudeatzearen dinamikan datza.

Scientific American

aldizkariaren orrialdeetatik Dewdney-k Core Wars joko informatiko berria proposatu zuen 1983. urtean. MARS (Martitz) deituriko konputagailu birtual baten memorian elkar suntsitzeko helburua duten bi borroka-programa plazaratu behar ziren. Programa bakoitza izaki autonomotzat hartzen zen: programatzaileak ez daki zeintzuk izango diren bere arerioak bere “kreatura” diseinatzen duenean eta MARSen barruan askatu ondoren, programak bere kasa konpondu beharko du.

5. irudia. Tierra -ren Arbaso . Programak bi modulu berezi ditu: norbere-aztertzekoa eta kopiatzekoa. Norbere-azterketa modulua (horiz) egikaritzen denean, Arbaso k bere parametro batzuk irakurtzen ditu eta gero, bere alea beste nonbait idazteko erabiltzen ditu kopia-moduluak (urdinez). Gezi jarraiak kontrol-segida adierazten du eta ezjarraiak kopiatzeko ekintza.

Jokozale ugari sortzeaz gain, Dewdney-ren ideiak esparru informatikoan oso emankorrak izan zirela azpimarratzeko, lehen birus informatikoak teoria horietan inspiraturik sortu zirela aipa daiteke. Horrez gain, programa izaki autonomoen antzera ingurune ezezagunetan ibil daitekeela ikusi zen. Gainera, laster nabarmendu zen bizirauteko estrategia sasibiologikoak gara zitezkeela: programa agresiboak, adaptagarriak, ugalkorrak eta bere burua konpontzeko gai direnak agertu ziren.

1990. urtean Rasmussen, Knudsen eta Feldberg-ek Venus sistema proposatu zuten. MARS en iharduteko diseinatzen ziren programak eta horien tankerakoak berezko prozesuen ondorioz sor zitezkeen aztertu nahi zuten. Venus -en memoria zoriz banaturiko agindu deslaiez betetzean, horietatik batzuk egikaritzen hasten dira eta prozesu horretan, berez antolatzen diren konputazio-egiturak beha daitezke.

Sistema dinamikoen teknikak aplikatuz, zenbait ondorio adierazgarri aipa daitezke: agindu batzuek elkarrekin lan egiteko joera erakusten dute, unitate funtzional sinpleak eratzen dira eta jokabide inbarianteak eta erakarle dinamikoak agertzen dira. Sistemaren egileek autonomotzat har daitezkeen programen sorrera bultzatzeko, zenbait esperimentutan hasierako banaketa soslaitu zuten, baina ez zuten beraien helburua lortu.

Venus

-en emaitzak espero baino eskaxagoak izan ziren. Horrek garbi erakutsi zuen konputazio-ekosistematan gara daitezkeen biziraupen-estrategiak ez direla erraz sortzen hasierako baldintzetatik. Uste okerraz jabeturik, Tom Ray ikerlariak beste hurbilketa erabili zuen Tierra (Lurra) sistema diseinatu zuenean: salda primitibotik “organismoak” lortzen saiatu ordez, berak diseinatutako Arbaso programa hartu zuen abiapuntutzat. Horrek Mars -en bidean atzerapausoa dela dirudien arren, aipatzekoak dira bere ezaugarri berriak:

• Arbaso behin eta berriro bikoizteko gauza da (5. irudia) eta beraz, Tierra -n gertatzen diren fenomeno aipagarriak populazio-mailan ematen dira.
• Programen arteko elkarreragin zuzena debekaturik dago, programa bakoitzak idazkeraren aurkako babesa baitu: beste programa batek bere kodea irakur eta egikari diezaioke, baina eraldatzeko ahalmenik gabe; printzipioz zauriezinak direnez, programa zaharrenak edo desegokienak akabatzeko mekanismo segalaria sartzen da.
• Mutazioak sorrarazteko zenbait aukera dago: Tierra -n edozein bit zoriz alda daiteke (“izpi kosmikoak”), kopiatzeko mekanismoek noizbehinka huts egiten dute (“akats genetikoak”) eta aginduen portaerak porrot egin dezake (“errore funtzionalak”).

Eboluzioa plazaratzeko eszenatoki egokitzat har dezakegu Tierra , herentzia, hautespena eta aldakuntza gauzatzeko mekanismoak baitauzka. Egia esan, ekosistema horretan ematen den konplexutasunean jauzi oso handia ematen da eta eboluzioaren bidez jokabide sasibiologiko aberatsak sortzen dira. 6. irudian zehazten den bizkarroitasun inmunitate fenomeno ziklikoak esaterako, oso tipikoak dira.

Ondorio gisa

Bizi Artifizialak biziaren ikuspegia alda dezake eta bere eraginez, natura eta kulturen arteko erlazioak era berri batean agertu. Baina, batez ere, Bizi Artifizialak erakusten digu mendebaldeko Zientziak munduaren aurrean duen jarrera analitikoa fenomeno konplexuen teoriak garatzeko desegokia izan daitekeela. Horretarako fenomenoak gure arrazonamenduaren bidez deskonposatzen saiatzen garenean, ateratako zatiak osoa bezain konplexuak izaten dira, edo azalpenerako behar den elementu garratzitsuenak galtzen ditugu bidean. Aldiz, Bizi Artifiziala gauza sinpleen elkarreraginaren indarraz baliatzen da, Konplexutasunaren Zientzia berria izan daitekeenaren bidea argitzeko.

6. irudia. Bizkarroitasuna eta inmunitatea Tierra -n. Bizkarroi tipikoak ez dauka kopia-modulurik, baina beste batena erabil dezake bere kopiak burutzeko. Ostalaria Arbaso edo mutazioaren bidez agerturiko senide hurbila izan daiteke. Bizkarroitasunaren aurkako inmunitate-estrategiak garatzen dira eta horien artean, hiperbizkarroiena kontutan hartzekoa da. Bizkarroia hiperbizkarroiaren kopia-modulua erabiltzen saiatuz gero, azken horrek ezuste galanta gordetzen dio: bere kopia-moduluak atzera jotzeko agindu berezia dauka eta kopiatzen hasi baino lehen, hiperbizkarroiaren norbere-azterketa modulua egikaritzen da. Hortik aurrera, bizkarroiak bere parametroen ordez, ustezko ostalariarenak gordetzen ditu eta beraz, ostalariaren aleak soilik kopiatuko ditu. Hiperbizkarroien agerpenak dagozkien bizkarroien sarraskia dakar.