German Title: Evolution von Grund auf mit Amee - Von grundlegenden Konzepten zur explorativen Modellierung

Preview

PDF, English - main document Download (70MB) | Terms of use

Abstract

Evolutionary theory has been the foundation of biological research for about a century now, yet over the past few decades, new discoveries and theoretical advances have rapidly transformed our understanding of the evolutionary process. Foremost among them are evolutionary developmental biology, epigenetic inheritance, and various forms of evolu- tionarily relevant phenotypic plasticity, as well as cultural evolution, which ultimately led to the conceptualization of an extended evolutionary synthesis. Starting from abstract principles rooted in complexity theory, this thesis aims to provide a unified conceptual understanding of any kind of evolution, biological or otherwise. This is used in the second part to develop Amee, an agent-based model that unifies development, niche construction, and phenotypic plasticity with natural selection based on a simulated ecology. Amee is implemented in Utopia, which allows performant, integrated implementation and simulation of arbitrary agent-based models. A phenomenological overview over Amee’s capabilities is provided, ranging from the evolution of ecospecies down to the evolution of metabolic networks and up to beyond-species-level biological organization, all of which emerges autonomously from the basic dynamics. The interaction of development, plasticity, and niche construction has been investigated, and it has been shown that while expected natural phenomena can, in principle, arise, the accessible simulation time and system size are too small to produce natural evo-devo phenomena and –structures. Amee thus can be used to simulate the evolution of a wide variety of processes.

Translation of abstract (German)

Die Evolutionstheorie bildet seit etwa einem Jahrhundert die Grundlage der biologischen Forschung, doch in den letzten Jahrzehnten haben neue Entdeckungen und theoretische Fortschritte unser Verständnis des evolutionären Prozesses rasch verändert. Dazu gehören vor allem die evolutionäre Entwicklungsbiologie, die epigenetische Vererbung und verschiedene Formen von phänotypischer Plastizität, was zur Konzeption einer erweiterten evolutionären Synthese geführt hat. Ausgehend von abstrakten Prinzipien, beginnend mit Konzepten aus der Komplexitätstheorie, versucht diese Arbeit ein einheitliches konzeptionelles Verständnis jeder Art von Evolution, ob biologisch oder anderweitig zu erlangen. Dieses wird im zweiten Teil genutzt, um Amee zu entwickeln, ein agentenbasiertes Modell, das entwicklungsbiologische Prinzipien, Nischenkonstruk- tion und phänotypische Plastizität mit natürlicher Selektion auf der Grundlage einer simulierten Ökologie vereint. Amee wurde dabei im Utopia framework implementiert, das eine performante, integrierte Simulation beliebiger agentenbasierter Modelle ermöglicht. Der hier präsentierte phänomenologische Überblick über die Fähigkeiten von Amee reicht von der Evolution von Ökospezies über die Evolution von Stoffwechselnetzwerken bis zu einer biologischen Organisation jenseits der Spezies-Ebene, wobei sich diese Phänomene autonom aus der grundlegenden Dynamik entwickelen. Das Zusammenspiel von Entwicklung, Plastizität und Nischenkonstruktion wurde untersucht, und es wurde gezeigt, dass zwar die erwarteten natürlichen Phänomene prinzipiell auftreten können, aber die zugängliche Simulationszeit und Systemgröße zu klein sind, um naturähnliche Evo-Devo-Phänomene und -Strukturen zu erzeugen. Amee stellt damit ein umfassendes Werkzeug zur Simulation von Evolutionsprozessen auf einer Vielzahl von Ebenen dar.