Ökologie und Evolution durch die algorithmische Linse

Das Studium von Ökologie und Evolution wird immer mathematischer, aber die meisten theoretischen Werkzeuge scheinen aus der Physik zu stammen. In vielen Fällen sind die Probleme jedoch sehr diskret (siehe z. B. SLBS00 ) und könnten aus Informatiksicht von Nutzen sein . Dennoch sind mir nur wenige ernsthafte Ergebnisse von TCS bekannt, die versuchen, bestimmte Fragen in Bezug auf Ökologie und Evolution zu berühren. Die zwei Richtungen, die mir einfallen, sind:

1. Livnat, A., Papadimitriou, C., Dusho, J. & Feldman, MW [2008] "Eine Mischbarkeitstheorie für die Rolle des Geschlechts in der Evolution" PNAS 105 (50): 19803-19808. [ pdf ]

2. Valiant, LG [2009] "Evolvability" Journal der ACM 56 (1): 3.

Ersteres wendet eine Idee aus der Analyse genetischer Algorithmen an, um einen qualitativen Unterschied zwischen dem Verhalten sexueller und asexueller Organismen in Fitnesslandschaften aufzuzeigen, und hat zu Follow-ups geführt , die die beobachtete Modularität rechtfertigen. Letzteres verbindet Evolutionstheorie und Theorie des rechnergestützten Lernens, um zu versuchen, Evolvabilitäts- und Impositibilitätsergebnisse zu beweisen. Es hat eine kleine Sammlung von Arbeiten beeinflusst, aber hauptsächlich von anderen Informatikern.

Gibt es weitere Ergebnisse in diesen Adern? Sind ihre anderen tiefen / nicht trivialen Anwendungen der theoretischen Informatik das Verständnis von Ökologie und Evolution, wie es von Biologen untersucht wird?

Anmerkungen

• Ich interessiere mich nicht für generelle genetische oder evolutionäre Algorithmen. Obwohl dies ein sehr interessanter und aufregender Teil der Informatik ist, ist seine Verbindung zur Evolution, wie sie von Biologen untersucht wird, oft oberflächlich. Manchmal (wie in LPDF08) werden konkrete Verbindungen hergestellt, aber die meisten Standardergebnisse sind nicht von biologischem Interesse, und daher interessiere ich mich nicht für sie in diesem Beitrag.

• Bioinformatik ist ein naheliegendes Gebiet, aber es ist auch nicht das, wonach ich suche. Obwohl es verwendet werden kann, um Dinge wie phylogenetische Bäume zu rekonstruieren und damit der Evolution / Ökologie zu helfen, stehen die theoretischen CS-Aspekte nicht im Mittelpunkt. Hier scheinen die CS-Ergebnisse in erster Linie ein Werkzeug zu perfektionieren, das weitgehend als Black-Box innerhalb bestehender, gut etablierter Theorien verwendet werden kann und keine neuen biologischen Theorien aufbaut oder erweitert.

• Ich bevorzuge Ergebnisse, die modernistische und nicht-triviale Aspekte der Informatik nutzen, um die Biologie auf theoretischer (aber für Biologen immer noch relevanter) Ebene zu beeinflussen. Als solches interessiert mich Dinge wie Chaitins Metabiologie nicht so sehr .

Verwandte Fragen

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• Rechenkomplexität in der quantitativen Finanzierung

Hmmm. Was die evolutionäre Dynamik / Spieltheorie angeht, ist meine persönliche Meinung, dass die von Ihnen erwähnte Arbeit von Livnat et al., Obwohl sehr gute Arbeit, nicht "außerhalb" des mathematischen Standardansatzes der evolutionären Spieltheorie zu liegen scheint (siehe Arbeit von z Martin Nowaks Gruppe , wie das '05 Paper "Evolutionary Dynamics on Graphs" ).

Die zwei Behauptungen, die ich machen würde, lauten: Erstens, obwohl dies eine großartige Arbeit in Evolutionary Dynamics ist, die zufällig von Informatikern geleistet wird, würde ich sie nicht persönlich in Theoretische Informatik einordnen oder als mit TCS eng verwandt bezeichnen, außer für die bereits bestehende Beziehung zwischen evolutionärer und algorithmischer Spieltheorie. Zweitens, wenn Sie dazu neigen, anderer Meinung zu sein, werden Sie überrascht sein, wie sehr das Gebiet der Evolutionären Dynamik TCS bereits philosophisch teilt (aber ich bin mir immer noch nicht sicher, ob die Techniken so ähnlich sind).

Im Allgemeinen würde ich sagen, dass es keine Arbeit in dieser Richtung gibt, einschließlich der von Ihnen erwähnten Referenz, die zu dem passt, wonach Sie suchen, was ich für eine tiefe Verbindung zwischen einem Kernkonzept / einer Kerntechnik in TCS halte und das Studium der Evolution. (Natürlich, wenn jemand eine abweichende Meinung hat, bitte sagen Sie es!)

Ich denke, dass die Evolutionstheorie oder die Evolutionsdynamik von mehr algorithmischen Ansätzen profitieren könnte (wie Livnat et al.). Bei einem speziellen Beispiel sehe ich möglich nette Erweiterungen für die Prüfung evolvable Mittel mit (begrenzt) Computational Fähigkeiten, wie modellierten zB Finite - State - Maschinen. Dies würde es uns ermöglichen, die Entwicklung diskreter Wirkstoffe mit komplexeren bedingten Strategien wie Tit-for-Tat zu untersuchen. Ich habe ein wenig darüber nachgedacht und von einigen Vorarbeiten in dieser Richtung gehört, habe aber keine Referenzen, die ich zitieren könnte.

Aber auch dieses Beispiel ist eine ziemlich einfache Anwendung, sodass Ergebnisse dieser Art Ihre Frage wahrscheinlich immer noch nicht beantworten würden.

Ich habe andererseits viel größere Hoffnungen auf das Erlernen der Theorie, was eines Tages auch gute Verbindungen zur evolutionären Dynamik herstellen könnte. Aber ich bin mit diesen Ergebnissen nicht sehr vertraut und überlasse es anderen, dies zu kommentieren.

(Bearbeiten) Eine mögliche Verbindung, die erwähnt werden sollte, ist die bekannte Beziehung des Lernens (z. B. das "Expertenproblem") und die Konvergenz zu Gleichgewichten in wiederholten Spielen. Wenn zum Beispiel in einem wiederholten Spiel (siehe Aaron Roths Kommentar für Details) alle Spieler No-Regre-Strategien spielen, konvergiert die bisherige Verteilung der Aktionen zu einem grobkorrelierten Gleichgewicht des Einzelrundenspiels. Es mag etwas Interessantes und Neues zu sagen geben, wenn man es aus der Sicht der Evolutionstheorie betrachtet. Ich bin mir nicht sicher.

Eine (aktuelle) Arbeit befasst sich mit der asexuellen Evolution mit Anwendungen für das Medikamentendesign und verwendet interessante Markov-Ketten-Techniken: Evolution ohne Sex

Hier ist eine neue bemerkenswerte Veröffentlichung, die Evolution / Genetik mit dem Algorithmus des multiplikativen Gewichtsupdates verknüpft, der ebenfalls gerade von der Simons-Stiftung vorgestellt wurde und einen in der Frage zitierten Mitautor enthält (Papadimitriou):

• Algorithmen, Spiele und Evolution Erick Chastain, Adi Livnat, Christos Papadimitriou und Umesh Vazirani

  Sogar die erfahrensten Evolutionsstudenten, angefangen bei Darwin selbst, haben gelegentlich Erstaunen darüber geäußert, dass der Mechanismus der natürlichen Auslese das gesamte Leben hervorgebracht hat, wie wir es um uns herum sehen. Es gibt einen rechnerischen Weg, um das gleiche Erstaunen zu artikulieren: „Welcher Algorithmus könnte all dies in nur dreieinhalb Milliarden Jahren erreichen?“ In diesem Artikel schlagen wir eine Antwort vor: Wir zeigen, dass im Regime der schwachen Selektion der Standard gilt Populationsgenetische Gleichungen, die die natürliche Selektion in Gegenwart des Geschlechts beschreiben, werden identisch mit denen eines wiederholten Spiels zwischen Genen, das nach dem in der Informatik als überraschend leistungsfähig und vielseitig bekannten Algorithmus der multiplikativen Gewichtsaktualisierung (MWUA) gespielt wird. MWUA maximiert einen Kompromiss zwischen kumulativer Leistung und Entropie,

Misha Gromovs kürzlich durchgeführte breit angelegte Umfrage zu Kristallen, Proteinen, Stabilität und Isoperimetrie (Bull. Amer. Math. Soc. 48 (2011), 229-257) enthält eine Fülle von biologischen mathematischen Themen (einschließlich vieler Themen, die mit TCS in Verbindung stehen) Methoden).

Die Frage stellte für eine Auflistung von

Ergebnisse , die moderne und nicht-triviale Aspekte der Informatik […] von sehr diskreter Natur […] durch eine algorithmische Linse nutzen

Gromovs Umfrage orientiert sich eher an allgemeinen mathematischen Fragen als an spezifischen Forschungsprogrammen. Somit kann die Umfrage als Gromovs Auswahl gelesen werden

Fragen , die (möglicherweise) modernistische und nicht-triviale Aspekte der Informatik verwenden […] (von denen viele), sind sehr diskret […], und zwar durch (was häufig der Fall ist) eine algorithmische Linse.

Als Liste unbeantworteter Fragen und nicht als Liste bekannter Ergebnisse stellt der Artikel von Gromov erhebliche kreative Anforderungen an den Leser.

Vielleicht ist die Haupttugend des Artikels, dass der Autor ... Mischa Gromow ist !

Leider scheint es hier eine massive Lücke in Bezug auf das wissenschaftliche Interesse / die Bedeutung im Vergleich zur tatsächlichen wissenschaftlichen Forschung zu geben, was sich auch in hohen Abstimmungen bei dieser Frage im Vergleich zu niedrigen Abstimmungen bei den Antworten zeigt (und nicht erwartet, diesem Muster hier zu trotzen). Es scheint ein sehr wichtiges Studien- / Forschungsprogramm zu sein, das im Zentrum der wissenschaftlichen Theorie in den frühen Kinderschuhen steht. Wir haben jetzt die Werkzeuge, um Computerexperimente durchzuführen, die die Evolutionstheorie zumindest in dem Sinne Fälschbarkeitsbeschränkungen unterwerfen können, dass es, wenn die Evolutionstheorie genau ist, möglich sein sollte, sie zumindest grob auf einem Computer zu modellieren / zu simulieren. aber es scheinen sehr wenige zu sein, die das Projekt versuchen (was mit Sicherheit äußerst ehrgeizig ist).

Gibt es beispielsweise eine Simulation, die bekannten evolutionären Veränderungen im phylogenetischen Baum über Milliarden von Jahren entspricht? Die Herausforderung ist interdisziplinär und bereichsübergreifend und scheint nicht genau in bestehende wissenschaftliche Bereiche / Grenzen zu passen. Bemerkenswerterweise scheint es nicht einmal größere Wissenschaftler oder Biologen zu geben, die explizit ein solches Forschungsprogramm vorschlagen .

hier sind ein paar andere refs aufgetaucht, die sicher nicht genau in die engen kriterien passen, die in der frage skizziert sind, aber ungefähr nahe beieinander liegen können:

• Auf dem Gebiet des "künstlichen Lebens" besteht ein gewisses Interesse daran, die Bedingungen zu simulieren, die dazu geführt haben, dass sich "chemische Suppe" in eine Art Quasi-Lebensform organisiert, die grundlegende Aspekte der Replikation usw. zeigt. zB: THE EVOGRID: Ein Ansatz zur computergestützten Entstehung des Lebens bemüht sich Damer

  Das Bestreben, die Mechanismen des Ursprungs des Lebens auf der Erde zu verstehen, könnte durch Computersimulationen plausibler Stadien der Entstehung von Leben aus Nichtleben auf molekularer Ebene verbessert werden. Diese Simulationsklasse könnte dann das Testen und Validieren durch parallele chemische Laborexperimente unterstützen. Diese Kombination aus einer rechnergestützten oder "Cyber" -Komponente und einer parallelen Aufwandsuntersuchung in der chemischen Abiogenese könnte als Cyberbiogenese-Ansatz bezeichnet werden. Die zentrale technologische Herausforderung für die Cyberbiogenese besteht darin, Computersimulationsmodelle zu entwerfen, die es ermöglichen, prebiotische und biologische virtuelle molekulare Strukturen und Prozesse über mehrere Komplexitätsgrenzen hinweg de novo hervorzubringen. Diese Dissertation stellt sich der Herausforderung, ein solches Simulationsmodell zu entwerfen, zu implementieren und zu analysieren.

• Ein GRUPPENAUSWAHLMODELL FÜR TERRITORIALKRIEG, XENOPHOBIE UND ALTRUISMUS BEI MENSCHEN UND ANDEREN PRIMATEN Agner Fog

  Zusammenfassung: Ein theoretisches Modell von Kriegen um Gruppengebiete zeigt, dass Verhaltensmerkmale wie kooperative Kriegsführung, Gerechtigkeit, Altruismus und Ausgrenzung von Außenstehenden bei höheren Primaten und prähistorischen Menschen zusammengewachsen sein können. Die Bedingungen für einen Territorialkrieg als wirksamen Mechanismus der Gruppenauswahl werden diskutiert. Diese Bedingungen mögen in prähistorischen Zeiten in Stammesgesellschaften vorhanden gewesen sein, aber nicht in der Neuzeit. Die geografische Entwicklung der Gebiete wird durch Computersimulationen veranschaulicht.

• Bemerkenswerterweise scheint die Frage sehr ähnlich zu sein: Computersimulation des Evolutionsprozesses auf der Erde aus dem Jahr 2008 bei Stapelüberlauf mit einigen anderen Referenzen.