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Computer simulation of the evolution of foraging stratgies: application to the ichnological record

Oyvind Hammer

Plain Language Abstract

Trace fossils are fossilized remains of traces and trackways. Such fossils are very common, and they make it possible to follow the evolution of feeding strategies of invertebrate animals that eat food particles on the sea floor. [For illustrations of a large number of real trace fossils, see www.emory.edu/GEOSCIENCE/HTML/images.htm. These animals try to cover a large area efficiently, but it is evident from the fossil record that efficient foraging patterns took a long time to evolve.

In this paper, an attempt is made to simulate the evolution of neural networks that can give efficient foraging. An evolutionary system is set up in the computer, where simulated organisms contain artificial neural networks that can mutate and evolve. The organisms can also "mate", exchanging genetic material. In the experiments, efficient foraging strategies evolve, comparable to the patterns seen in nature. Meandering is one such strategy that emerges in the computer. The distribution of evolutionary rates over time can also be compared to natural patterns, including "punctuated equilibria".

Though these experiments are simplistic and primitive, they demonstrate how evolution can work and how small neural networks can give surprisingly complicated behaviour. This is a point to keep in mind when considering the evolution of foraging strategies.

Glossary (in order of appearance, in abstract and article):

Ichnology: The science of traces and tracks made by organisms
Neural network: A system of computer hardware or software modeled after the cells in a biological nervous system and intended to simulate the way in which a brain processes information, learns, and remembers (Computer Dictionary, Microsoft Press, 1991).
Ethology: The science of animal behaviour
Metazoan: Animal
Vendian: A geological period prior to the Cambrian
Phanerozoic: The time span from the Cambrian until now
Adaptive radiation: Fast evolutionary emergence of new forms
Punctuated equilibra: Long periods of evolutionary standstill, broken by rapid speciation
Stasis: Long period of evolutionary standstill
Neuron: Brain cell
Allopatric speciation: Formation of new species in isolated subpopulations

Resumen en Español

SIMULACIÓN MEDIANTE ORDENADOR DE LA EVOLUCIÓN DE LAS ESTRATEGIAS ALIMENTARIAS: APLICACIÓN AL REGISTRO ICNOLÓGICO

El registro icnológico puede proporcionar conocimientos inapreciables sobre la evolución del comportamiento. Muchos de los trabajos actuales acerca de la llamada "vida artificial" y las redes neuronales artificiales pueden aplicarse a la paleobiología etológica. En este trabajo se presentan algunos experimentos preliminares en esa línea. Para ello, se ha simulado mediante ordenador una comunidad de detritívoros en la que los individuos, de cada generación, se someten a procesos de selección basados en el éxito de sus estrategias alimentarias. También se simulan la reproducción sexual y las mutaciones. Lo cual da lugar a un proceso evolutivo que produce sistemas neuronales simulados de control cada vez más avanzados. Los "icnofósiles virtuales" resultantes pueden entonces compararse con los icnofósiles y la evolución del comportamiento, que conocemos a partir del registro fósil. No se pretende tanto el obtener una réplica de los procesos naturales, como el que estas simulaciones sean un medio educativo útil para la formación teórica.

Résumé en Français

SIMULATION À L’ORDINATEUR DE L’ÉVOLUTION DES STRATÉGIES DE FOURRAGE: APPLICATION AUX DONNÉES ICHNOLOGIQUES

Le record ichnologique peut nous aider à mieux comprendre l’évolution éthologique. Une grande partie des recherches impliquants la "vie artificielle" et les réseaux néurals artificiels sont utiles pour la paléobiologie éthologique. Ici, je présentes quelques expériences préliminaires de ce genre. Une communauté de détritivores a été simulé à l’ordinateur avec sélection des individus à chaque génération selon leur succès fourrageur. Les mutations et la reproduction sexuée sont aussi simulés, formant un processus d’évolution produisant des systèmes de contrôle néurals simulés de complexité croissante. Les ichnofossiles virtuels ainsi générés peuvent être comparés avec les ichnofossiles naturels bien reconnus, et avec le record évolutif du comportement. Quoique cette étude n’a pas l’intention de reproduire exactement les procès naturels, de telles simulations peuvent promouvoir les développements théoriques et servir d’outils éducatifs.

Mots clés: ichnologie, évolution, simulation

Deutsche Zusammenfassung

COMPUTERSIMULATION DER EVOLUTION VON STRATEGIEN IM NAHRUNGSERWERB: ANWENDUNG AUF DEN SPURENFOSSILBEFUND

Spurenfossilien kkönnen einen wertvollen Einblick in die Evolution von Verhalten geben. Neue Resultate aus den Bereichen "artificial life" und künstliche neuronal Netzwerke sind für die Paläobiologie von Organismengemeinschaften breit anwendbar. Ergebnisse von ersten Experimenten in dieser Richtung werden hier vorgestellt. Eine computergenerierte Gemeinschaft von Detritusfressern wurde simuliert, bei der jedes Individuum einer Selektion ausgesetzt wurde, die sich nach dem Erfolg der Fressstrategie richtet. Simulation von Mutation und sexueller Reproduktion führen zu einem evolutionären Prozess, der zunehmend fortschrittliche neuronale Kontrollsysteme schafft. Die entstehenden "virtuellen Spurenfossilien" können mit bekannten, natürlich vorkommenden Spurenfossilien und dem Fossilbefund zur Evolution von Verhalten verglichen werden. Diese Arbeit beabsichtigt nicht die exakte Abbildung natürlicher Prozesse. Die Simulationen können aber Theoriebildung unterstützen und ein instruktives Mittel im Unterricht sein.

Italiano

SIMULAZIONE AL COMPUTER DELL'EVOLUZIONE DELLE STRATEGIE DI ALIMENTAZIONE: APPLICAZIONE AI DATI ICNOLOGICI

I dati icnologici possono essere di inestimabile aiuto per la comprensione dell'evoluzione del comportamento. Molto del lavoro odierno nei campi della cosiddetta ""vita artificiale" e delle reti neurali artificiali può venire applicato alla paleobiologia etologica. In questo lavoro vengono presentati alcuni esperimenti preliminari in questa direzione. Viene simulata al calcolatore una comunità di organismi limivori in cui gli individui di ogni generazione vengono soggetti a selezione in base al successo delle loro strategie nutritive; vengono inoltre simulate mutazioni e riproduzione sessuale. Tutto questo dà luogo ad un processo evolutivo che produce sistemi di controllo neurale simulati sempre più avanzati. La risultante "traccia fossile virtuale" può essere paragonata a tracce fossili reali e note ed ai dati fossili dell'evoluzione del comportamento. Sebbene questo studio non sia stato inteso come un'esatta replica dei processi naturali, tali simulazioni possono aiutare durante l'apprendimento e lo studio teorici e possono costituire un utile strumento educativo.

 

 

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