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Simulierte Evolution

Simulieren von Evolutionsprinzipien mit Javascript im Webbrowser

Gleichmäßige Nahrungsverteilung

Die Simulation beginnt mit viel Nahrung, die in etwa gleichverteilt ist und mit nur wenigen Mikroben. Die Gene der Mikroben werden zufällig gesetzt. Das bedeutet, das es unwahrscheinlich ist, das sie eine bevorzugte Bewegungsrichtung haben. Sie kreiseln ziellos umher und bewegen sich dabei nicht sehr weit von ihrem Ursprungsort fort. Am Anfang ist das noch kein Problem, weil es reichlich Nahrung gibt. Egal, wie ungeschickt sich eine Mikrobe bewegt, sie wird vermutlich genügend Nahrung finden um sich fortzuflanzen. Die Gesamtzahl der Mikroben steigt und plötzlich konkurrieren mehrerer Generationen um die gleichen Nahrungsresourcen. Die Mikroben tendieren immer noch zu Kreiselbewegungen. Das lokale Nahrungsangebot wird schnell reduziert. In dieser Situation ist es nun von Vorteil, in der Lage sein, sich von der Konkurrenz fortzubewegen. Mikroben, deren Gene weniger Richtungsänderungen hervorrufen haben plötzlich einen Wettbewerbsvorteil. Sie benötigen weniger Energie zum Überleben, denn Richtungsänderungen kosten Energie und sie können größere Strecken schnell zurück legen und somit neue Nahrungsquellen erschliessen.

Bald wird ein Gleichgewicht erreicht und die Population stabilisiert sich. Mikroben wandern weite Strecken geradeaus und ändern gelegentlich ihre Richtung. Die Populationsdynamik ähnelt in diesem Stadium einer normalen Räuber-Beute-Simulation wie zum Beispiel der Wator-Simulation.

Bild 5: Bei gleichverteiltem Nahrungsangebot lernen die Mikroben schnell sich für kurze Zeit gerade fortzubewegen. Dadurch können sie weiter entfernt gelegene Nahrungsmittelresourcen erschließen und der lokalen Konkurrenz entgehen.

Der Garten von Eden

Das nächste Szenario wird in [2] auch als der "Garten von Eden" bezeichnet. Die Nahrung erscheint immmer noch zufällig über das Simulationsgebiet verteilt aber es gibt einen kleinen rechteckigen Bereich in der Mitte in dem deutlich mehr Nahrung entsteht. Mikroben, die diese Region erreichen zeigen bald Degenerationserscheinungen und beginnen sich wild in engen Kreisen zu drehen. Durch dieses Verhalten können es die Mikroben vermeiden sich aus dem "Garten von Eden" heraus zu bewegen. Sie bleiben in der Region mit dem reichhaltigsten Nahrungsangebot und profitieren daher auf lange Sicht von dem deutlich höheren Nachrungsaufkommen in diesem Gebiet.

Auch außerhalb des "Gartens von Eden" entsteht Nahrung, jedoch in geringerem Maße. Einige Mikroben passen sich sich an und schaffen es dort zu überleben. Die Nahrung ist spärlich und die Mikroben müssen weite Strecken schnell zurück legen um zu überleben. Es bildet sich eine zweite Population mit Genen, die für das überleben in diesen Randbereichen optimiert sind.

Bild 6: Der Garten von Eden. Degenerationserscheinungen der Mikroben im Garten von Eden führen zu permanenten Kreiselbewegungen der Mikroben dort. Nur Mikroben, die den Garten von Eden nicht verlassen können von seinem reichhaltigen Nahrungsangebot profitiern.

Linienläufer

Was passiert, wenn man den Grundgedanken des "Gartens von Eden" fortführt zeigt sich mit diesen Simulationsparametern. Hier entsteht Nahrung fast ausschliesslich entlang gerader, horizontaler und vertikaler Linien. In den Zwischenräumen entsteht gerade genug Nahrung um ein Aussterben der Mikroben zu verhindern. Zunächst fallen die Mikroben auf ihre einfachste Strategie zurück und beginnen sich längere Strecken geradeaus zu bewegen. Richtungswechsel werden seltener, da so Energie gespart werden kann und die Mikrobe schnell in weiter entfernte noch unberührte Teile des Simulationsgebietes vorstoßen kann. Dieses Verhalten bleibt einige Zeit stabil.

Irgendwann stößt eine der Mikroben durch Zufall auf eine Linie und gewinnt so in kurzer Zeit viel Energie. Damit steigt auch ihre Chance sich fortzupflanzen. Um so länger die Strecke, die sie auf der Linie zurückgelegt hat, um so größer der Gewinn für die Mikrobe. Sie wird die Linie bald wieder verlassen, hat aber in dieser Zeit genug Energie gesammelt um einen oder mehrere Nachkommen zu erzeugen. Unter diesen Nachkommen gibt es möglicherweise auch Genmutationen, die längere gerade Bewegungen begünstigen. Irgendwann trifft einer der Nachkommen erneut auf eine Linie und der Trend verstärkt sich. Nach einiger Zeit sindet eine der Mikroben, die nun kaum noch ihre Richtung ändern eine Linie. Fast alle ihre Nachkommen werden ihr folgen und die Population konzentriert sich fast ausschlieslich auf die Linien

Bild 7: Nahrung entsteht vorzugsweise entlang von Linien. Nach einiger Zeit bildet sich eine Population von auf den Linien lebenden Mikroben, welche die Fähigkeit zum Richtungswechsel fast vollstndig verloren haben.
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