Artificial Chemistries

572 Pages·2015·7.59 MB·English

by  Wolfgang Banzhaf

ARTIFICIAL CHEMISTRIES

ARTIFICIAL CHEMISTRIES
WolfgangBanzhafandLidiaYamamoto
TheMITPress
Cambridge,Massachusetts
London,England
©2015MassachusettsInstituteofTechnology
Allrightsreserved.Nopartofthisbookmaybereproducedinanyformbyanyelectronicormechanicalmeans(including
photocopying,recording,orinformationstorageandretrieval)withoutpermissioninwritingfromthepublisher.
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ThisbookwassetinNewTimesRomanusingtheLaTeX—Memoirclass. PrintedandboundintheUnitedStatesof
America.
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Banzhaf,Wolfgang,1955—
Artificialchemistries/WolfgangBanzhafandLidiaYamamoto.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-0-262-02943-8(hardcover:alk. paper)1. Biochemistry. 2. Molecularevolution. 3. Chemistry,Physicaland
theoretical.4.Evolution(Biology)5.Life—Origin.I.Yamamoto,Lidia.II.Title.
QD415.B242015
572—dc23
2014046071
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
artificial,a.,contrivedbyartratherthannature:”artificialflowers”;
http://www.thefreedictionary.com/artificial,accessed2014
Madeorproducedbyhumanbeingsratherthanoccurringnaturally,typicallyasa
copyofsomethingnatural.
https://www.google.ca,accessed2014
chemistry,n.,abranchofphysicalsciencethatstudiesthecomposition,structure,
propertiesandchangeofmatter,[fromGreek:χημ(cid:4)ια],
http://en.wikipedia.org/wiki/Chemistry,accessed2014
Theinvestigationofsubstances,theirpropertiesandreactions,andtheuseofsuch
reactionstoformnewsubstances.
http://www.oxforddictionaries.com/definition/english/chemistry,accessed2014

CONTENTS
Preface xi
I Foundations 1
1 Introduction 3
2 BasicConceptsofArtificialChemistries 11
2.1 ModelingandSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 ChemistryConcepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 GeneralStructureofanArtificialChemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 AFewImportantDistinctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5 TwoExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 FrequentlyUsedTechniquesinACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 TheMatrixChemistryasanExample 45
3.1 TheBasicMatrixChemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 TheSimplestSystem,N=4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 TheSystemN=9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 SystemswithLargerN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4 ComputingChemicalReactions 63
4.1 FromMacroscopictoMicroscopicChemicalDynamics. . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 StochasticReactionAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 SpatialandMulticompartmentalAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
II LifeandEvolution 75
5 TheChemistryofLife 77
5.1 WhatIsLife? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 TheBuildingBlocksofLife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 TheOrganizationofModernCells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4 MulticellularOrganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
viii CONTENTS
6 TheEssenceofLife 111
6.1 AMinimalCell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 OriginofLife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3 ArtificialChemistryContributionstoOriginofLifeResearch. . . . . . . . . . . 130
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7 Evolution 139
7.1 Evolution:TamingCombinatoricstoImproveLife . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.2 EvolutionaryDynamicsfromanACPerspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.3 ArtificialChemistriesforEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.4 SummaryandOpenIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8 ComplexityandOpen-EndedEvolution 159
8.1 Evolution:SteeringSelf-OrganizationandPromotingInnovation . . . . . . . . 159
8.2 CoevolutionaryDynamicsinEcologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3 RobustnessandEvolvability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.4 ComplexityGrowth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.5 TowardOpen-EndedArtificialEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
III ApproachestoArtificialChemistries 179
9 RewritingSystems 181
9.1 LambdaCalculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2 Gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.3 TheChemicalAbstractMachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.4 ChemicalRewritingSystemonMultisets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.5 Psystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.6 MGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.7 OtherFormalCalculiInspiredbyaChemicalMetaphor . . . . . . . . . . . . . . 193
9.8 L-SystemsandOtherRewritingSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10 AutomataandMachines 195
10.1 FiniteStateAutomata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
10.2 TuringMachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.3 VonNeumannMachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.4 CellularAutomata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.5 ExamplesofArtificialChemistriesBasedonTuringMachines . . . . . . . . . . 202
10.6 ArtificialChemistriesBasedonvonNeumannMachines . . . . . . . . . . . . . 207
10.7 ArtificialChemistriesBasedonCellularAutomata . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11 Bio-inspiredArtificialChemistries 225
11.1 String-BasedArtificialChemistries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11.2 Lock-and-KeyArtificialChemistries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11.3 Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
11.4 SpatialStructuringandMovementinArtificialChemistries . . . . . . . . . . . 248
11.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
CONTENTS ix
IV OrderConstruction 255
12 TheStructureofOrganizations 257
12.1 BasicDefinitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
12.2 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
12.3 BringingOrderintoOrganizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
12.4 NoveltyandInnovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
12.5 ExamplesoftheStaticsofOrganizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.6 HowtoCalculateClosedandSelf-MaintainingSets . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
13 TheDynamicsofOrganizations 275
13.1 Flows,StoichiometryandKineticConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
13.2 ExamplesoftheDynamicsofOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
13.3 ObservingOrganizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
13.4 ProbabilisticNotionsofClosureandSelf-Maintenance . . . . . . . . . . . . . . 283
13.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14 Self-OrganizationandEmergentPhenomena 287
14.1 ExamplesofSelf-OrganizingSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
14.2 ExplanatoryConceptsofSelf-Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14.3 TheEmergenceofPhenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
14.4 ExplanatoryConceptsofEmergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
14.5 EmergenceandTop-DownCausation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
15 ConstructiveDynamicalSystems 307
15.1 Novelty,Innovation,Emergence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
15.2 BirthProcessesattheSameLevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
15.3 TheEmergenceofEntitiesonaHigherLevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
15.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
V Applications 321
16 ApplicationsofArtificialChemistries 323
16.1 RobotsControlledbyArtificialChemistries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
16.2 ACsforNetworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
16.3 LanguageDynamicsandEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
16.4 MusicCompositionUsingAlgorithmicChemistries . . . . . . . . . . . . . . . . 338
16.5 ProofSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
16.6 ArtificialChemistryandGeneticProgramming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
16.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
17 ComputingwithArtificialChemistries 345
17.1 Principlesofimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
17.2 SearchandOptimizationAlgorithmsInspiredbyChemistry . . . . . . . . . . . 355
17.3 DistributedAlgorithmsUsingChemicalComputing . . . . . . . . . . . . . . . . 358
17.4 InSilicoSimulationofWetChemicalComputing. . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
17.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372