Das Leben geht weiter
Wir setzen die im vorigen Artikel begonnenen Experimente mit dem Zellularautomaten fort (Eine
Variation zum Thema Lebensmodellierung. Teil 1 ).
Wir erinnern uns kurz an die wichtigsten Punkte. Das Modell ist ein unendliches (geschlossenes) Feld, das aus Zellen besteht. In jeder Zelle kann sich nur ein einfacher Organismus befinden, den wir willkürlich eine Pflanze nennen. Anfänglich kann das Feld in jeder Zelle eine bestimmte Menge der für die Pflanzenernährung erforderlichen Ressource enthalten.
Ordnen Sie eine Pflanze mit folgenden Parametern zu:
a) Ausgangsmasse (in Einheiten),
b) Nahrungsangebot (in Einheiten),
c) Lebenserwartung (in Maßen),
d) Anzahl der Sporen für die Reproduktion.
Der Feldstatus ändert sich nach bestimmten Regeln schrittweise.
1. Mit jedem Schritt erhöht sich die Masse der Pflanze um die Menge der Nahrung.
B. Dementsprechend nimmt die Masse der Ressource in der Zelle, in der die Pflanze wächst, um den gleichen Betrag ab. Wenn die Zelle keine Nahrungsquelle hat, stirbt die Pflanze an Hunger.
2. Das Alter der Pflanze erhöht sich mit jeder Maßnahme um eins.
3. Das reproduktive Alter oder die Reife wird durch Abhängigkeit ersetzt, um die Anzahl der Parameter zu verringern. Jetzt tritt die Reife ein, wenn die Pflanze eine Masse erreicht, die größer als
ad ist . Dann streut die Pflanze in benachbarte Zellen (die sogenannte Moore-Nachbarschaft) Sporen der Menge
d , von denen jede eine Anfangsmasse von
a hat . In diesem Fall nimmt die Masse der Mutterpflanze um die Gesamtmasse der Sporen ab.
4. Nach Erreichen des Höchstalters
c oder der Lebenserwartung stirbt die Pflanze im Alter. Die Masse der verstorbenen Pflanze erhöht die Masse der Ressource in der Zelle.
Mutation
Fügen Sie der Pflanze nun die Möglichkeit einer Mutation hinzu. Dies bedeutet, dass die Parameterwerte für einige der Nachkommen von den Werten des übergeordneten Elements abweichen können. Die Mutation hängt von einer gleichmäßig verteilten Zufallsvariablen ab. In diesem Fall ist die Mutation allmählich, dh der Wert des Nachkommenparameters unterscheidet sich vom übergeordneten Parameter nur um eins nach oben oder unten.
In diesem Fall kann es durchaus vorkommen, dass nicht lebensfähige Arten (keine Ernährung, keine Lebenserwartung) oder nicht reproduktionsfähige Arten (keine anfängliche Sporenmasse, keine Anzahl von Sporen, mit der bestehenden Lebenserwartung nicht erreichbare Reife) auftreten.
Mit Hilfe des neuen Parameters hoffen wir, die einfachste Form der Evolution zu beobachten.
Versuch 2.1. Günstiges Umfeld
Betrachten Sie eine Pflanze der Art Lime mit den Werten der Parameter:
a) Ausgangsmasse - 1 Einheit,
b) Nahrungsversorgung - 1 Einheit,
c) Lebenserwartung - 10 Maße,
d) Anzahl der Sporen für die Fortpflanzung - 4 Stück.
Füllen Sie das Feld gleichmäßig aus, damit jede Zelle 7 Einheiten der gelben Ressource enthält. Aus Experiment 1.1 im vorhergehenden Teil des Artikels ist bereits bekannt, dass eine solche Umgebung für eine Pflanze der Limettenart günstig ist, oder mit anderen Worten, diese Art ist für das Leben in dieser Umgebung gut geeignet. Kann man sich in diesem Umfeld noch besser an das Leben anpassen?
Stellen Sie eine Kalkpflanze auf das Feld (Abb. 1) und starten Sie den Modellierungsprozess. Von der Kalkart wird erwartet, dass sie den gesamten Lebensraum ausfüllt (Abb. 2). Nach einiger Zeit nimmt die Kalkansicht die Durchschnittswerte der Parameter an:
a) Die anfängliche Masse beträgt 1 Einheit,
b) Die Ressource beträgt 1 Einheit,
c) Die Lebensdauer beträgt 16 Ticks,
d) Die Anzahl der Sporen für die Reproduktion beträgt 1 Stück.
Schlussfolgerung 1. Da die Möglichkeit einer Mutation besteht, passt sich die Art besser an den Lebensraum an.
Um sicherzustellen, dass sich die Art genau an den Lebensraum anpasst, werden wir ein weiteres Experiment durchführen. Füllen Sie das Feld gleichmäßig aus, sodass jede Zelle 27 Einheiten der gelben Ressource enthält. Betrachten Sie eine Pflanze der Art Lime mit den Anfangswerten der Parameter:
a) Die Anfangsmasse beträgt 1 Einheit,
b) Die Ressource beträgt 1 Einheit,
c) Die Lebensdauer beträgt 10 Zyklen,
d) Die Anzahl der Sporen für die Vermehrung beträgt 4 Stück.
Offensichtlich sollte dieses Umfeld für Pflanzen der Art Kalk sehr günstig sein. Stellen Sie eine Kalkpflanze auf das Feld (Abb. 3) und starten Sie den Modellierungsprozess. Die Kalkansicht wird natürlich den gesamten Lebensraum ausfüllen (Abb. 4).
Nach einiger Zeit nimmt die Kalkform die Durchschnittswerte der Parameter an:
a) Die anfängliche Masse beträgt 1,75 Einheiten,
b) Die Ressource beträgt 2 Einheiten,
c) Die Lebenserwartung beträgt 40 Zyklen,
d) Die Anzahl der Sporen für die Reproduktion beträgt 2 Stück. Es gibt bereits eine größere Artenvielfalt.
Schlussfolgerung 2. Je günstiger die Umwelt ist, desto größer ist die Vielfalt der vorhandenen Arten.
Versuch 2.2. Ungünstige Umgebung
Betrachten Sie ein ressourcenbeschränktes Feld. Darauf setzen wir eine Pflanze der Art Lime mit den Ausgangswerten der Parameter aus Versuch 2.1 (Abb. 5). Aus Experiment 1.2 im vorhergehenden Teil des Artikels ist bekannt, dass die Kalkart nicht an einen solchen Lebensraum angepasst ist und nach einiger Zeit verschwinden sollte.
Wir starten den Modellierungsprozess und sehen erneut, wie die Art ihren Lebensraum allmählich erweitert (Abb. 6). In jeder einzelnen Zelle nimmt die Menge an Ressourcen ab, aber diesmal mutiert die Art und passt sich an einen neuen Lebensraum an (Abb. 7).
Die Limettenart existiert weiterhin und nimmt nach einiger Zeit die Endwerte der Parameter an:
a) Ausgangsmasse - 1 Einheit,
b) Nahrungsversorgung - 1 Einheit,
c) Lebenserwartung - 10 Maßnahmen,
d) Anzahl der Sporen für die Fortpflanzung - 1 Stück.
Die Mutationsmöglichkeiten sind jedoch nicht unbegrenzt, und wenn die Ressourcenmenge unter eine bestimmte Schwelle gesenkt wird, kann sich die Art nicht mehr anpassen. Dieser Schwellenwert beträgt durchschnittlich zwei Einheiten der Ressource pro Feldzelle.
Schlussfolgerung 3. Die Art passt sich einer ungünstigen Umgebung an, sofern genügend Zeit für eine Mutation vorhanden ist.
Versuch 2.3. Wettbewerb
Füllen Sie das Feld gleichmäßig aus, damit jede Zelle 7 Einheiten der gelben Ressource enthält. Wir platzieren ein Exemplar einer Pflanze der Art Lime und sechs Exemplare der Pflanze der Art Azure auf dem Lebensraumfeld (Abb. 8).
Beide Arten haben die gleichen Parameterwerte:
a) Ausgangsmasse - 1 Einheit,
b) Nahrungsversorgung - 1 Einheit,
c) Lebenserwartung - 10 Zyklen,
d) Anzahl der Sporen für die Reproduktion - 4 Stück.
Der einzige Unterschied ist, dass die Azure-Art keine Mutationsmöglichkeit hat, während die Lime-Art eine solche Möglichkeit hat - 5%. Führen Sie den Simulationsprozess aus. Wie zu erwarten, hat das Feld dank des anfänglichen sechsfachen Vorteils zunächst einen überwältigenden Vorteil des Azure-Looks (Abb. 9). Dann passt sich die mutierende Limettenart jedoch besser an die Umgebung an und überlebt den Gegner unerwartet (Abb. 10).
Auf das gleiche Feld (gleichmäßig gefüllt mit 7 Einheiten der gelben Ressource in jeder Zelle) eine Pflanze der Art Lime und eine Pflanze der Art Azure stellen, beide mit der Möglichkeit einer Mutation (Abb. 11). Wenn Sie den Modellierungsprozess starten (Abb. 12), können Sie sehen, wie eine der Arten ausstirbt. Es ist unmöglich, irgendeiner Art den Vorzug zu geben wie in Experiment 1.3, das im vorherigen Teil des Artikels beschrieben wurde. Der Hauptunterschied besteht darin, dass dies bei einer Mutation extrem schnell geschieht.
Schlussfolgerung 4. Mutation stört im Allgemeinen das Gleichgewicht der Umwelt.
Natürliche Auslese
In allen obigen Experimenten nimmt zum Zeitpunkt der Anpassung der Spezies an die Umgebung das Ausmaß der Mutation zu. Auf diese Weise kann die Ansicht schnell Parameterwerte finden, die für die gegebene Umgebung optimal geeignet sind.
Schlussfolgerung 5. Während der Anpassung an den Lebensraum nimmt die Mutation der Art zu.
Dann erfolgt eine natürliche Selektion: Die Pflanzeninstanz, die am besten an die Umgebung angepasst ist, vermehrt sich schnell, und alle anderen Pflanzen überleben ihre Nachkommen. Danach nimmt der Mutationsgrad ab, da die optimale Kombination von Parameterwerten bereits gefunden wurde und alle anderen Kombinationen offensichtlich nur noch schlechter werden.
Je schlechter die Umgebung ist, desto schneller nimmt der Mutationsgrad ab, da in einer solchen Umgebung die Kombination von Parameterwerten sehr begrenzt ist.
Schlussfolgerung 6. Nach Anpassung an den Lebensraum nimmt die Mutation der Art ab.
Schlussfolgerung 7. In einem geschlossenen, unveränderten Lebensraum hört die Mutation der Arten früher oder später auf.
Fazit
Die Möglichkeit der Mutation ermöglicht es, die einfachste Art der Evolution in der Modellierung zu reproduzieren: Idioadaption - kleine evolutionäre Veränderungen, die zur Anpassung von Organismen an bestimmte Umweltbedingungen beitragen.
Die Möglichkeit der Mutation ermöglicht es Ihnen, äußerst interessante Experimente zu simulieren und interessante und manchmal unerwartete Schlussfolgerungen zu ziehen.
Quellen
https://en.wikipedia.org/wiki/Game_storyLife »https://ru.wikipedia.org/wiki/Cellular_automatonhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Evolution