intelligence artificielle

Organismes digitaux : la vie in silico

Pour découvrir de nouvelles formes de vie intelligentes, inutile de réserver un voyage vers la planète Mars ! Dans les sous-sols de l’Université du Michigan, des milliards d’êtres venus d’ailleurs colonisent tranquillement un vaste réseau d’ordinateurs. Leur nom ? Les « organismes digitaux ». Dérivés des virus informatiques, ils sont capables de se reproduire, d’évoluer… Et même de dormir ou de coopérer !

Espèce : Avidien. Genre : organisme digital. Habitat : logiciel Avida. Signe particulier : ne possède pas d’ADN, mais des lignes de code pour seul génome. Voilà à quoi pourrait ressembler la carte d’identité de l’une de ces créatures étranges, développées au sein du département d’informatique de l’Université du Michigan. Elles ne sont pas faites d’eau et d’atomes de carbone, mais peuvent néanmoins vivre, se multiplier et s’adapter à leur environnement comme n’importe quel être vivant. Ces « avidiens » appartiennent en fait à la famille des « organismes digitaux », de petits programmes informatiques pouvant s’auto-répliquer, muter et évoluer à grande vitesse. Ils habitent un monde parallèle, fait de disques durs, de processeurs et de lignes de codes, et baptisé « Avida » par ses concepteurs.

L’évolution en un clic

Au sein du logiciel Avida, chaque organisme possède son propre programme génétique, composé de quelques dizaines de lignes de code. Il possède également sa propre région de mémoire et son propre processeur. Ce dernier constitue en quelque sorte le « cerveau » de la créature, et lui permet d’exécuter les commandes contenues dans son génome. Grâce à ces éléments, les avidiens sont capables de se reproduire à grande vitesse dans leur monde virtuel : quelques minutes suffisent pour faire naître et se reproduire des milliers d’individus sur une centaine de générations.

Mais comme tous les organismes naturels, les organismes digitaux ont aussi besoin d’énergie pour survivre et se multiplier. Cette énergie, ils ne la produisent pas à partir de la lumière ou de la nourriture, mais en accomplissant des opérations mathématiques. « S’ils font un calcul intéressant, nous les récompensons en augmentant la puissance de leur processeur », explique Benjamin Beckmann, chercheur à l’Université du Michigan. « Et plus le processeur est puissant, plus les organismes peuvent effectuer de calculs en un temps réduit. Donc plus ils gagnent de l’énergie supplémentaire, et plus ils peuvent se multiplier rapidement ». En clair, le programme Avida convertit tout simplement la lutte naturelle pour la survie en une lutte digitale pour résoudre des équations.

Par ailleurs, à chaque génération, des mutations aléatoires se produisent dans le « génome » des avidiens. En d’autres termes, quelques lignes du programme sont modifiées au hasard. À l’image de ce qui peut se produire dans le règne animal ou végétal, ces mutations peuvent provoquer des dysfonctionnements chez l’organisme et entraîner sa mort. Mais à l’inverse, elles peuvent aussi engendrer des progrès, et générer des individus plus efficaces que leurs ancêtres. C’est ainsi que la sélection naturelle entre en jeu : « un organisme ayant de « bons gènes », c’est-à-dire un programme capable d’accomplir de se multiplier rapidement, va surpasser les organismes ayant de mauvais gènes », explique Benjamin Beckmann. Dans cette réalité virtuelle, les chercheurs reproduisent ainsi en accéléré plusieurs milliards d’années d’évolution. Et surtout, ils peuvent retracer la descendance entière de chacun des individus, traquer chaque gène, chaque mutation, sans le moindre chaînon manquant. C’est d’ailleurs là tout l’intérêt des organismes digitaux : ils sont un précieux outil pour tester et comprendre les mécanismes naturels de l’évolution darwinienne.

Avida convertit la lutte naturelle pour la survie en une lutte digitale pour résoudre des équations.

Des aptitudes complexes

Au cours d’une étude menée en 2003, Chris Adami et Charles Ofria, les « pères » du logiciel Avida, ont même constaté un phénomène étonnant : génération après génération, grâce aux mutations aléatoires et à la sélection naturelle, les avidiens s’avèrent capables d’acquérir des caractéristiques particulièrement complexes. Bien sûr, ils ne peuvent pas respirer, voir, ni entendre comme les animaux ou les humains. Mais ils peuvent utiliser les informations de manière sophistiquée. Pour comprendre, place à l’expérience. Les chercheurs ont commencé par créer une population d’organismes digitaux identiques. Au départ, tous étaient parfaitement « naïfs », totalement incapables de résoudre les problèmes mathématiques les plus simples.

Mais à chaque réplication, une mutation aléatoire pouvait se produire et apparaître dans la descendance. En de rares occasions, cette mutation permettait à un organisme de faire quelque chose avec les nombres qui lui étaient présentés. Par exemple, il pouvait devenir capable de lire un nombre, de le reproduire à l’identique, ou de le stocker dans sa mémoire. Dès qu’un avidien se montrait capable d’effectuer une opération simple, Adami et Ofria le récompensaient en augmentant la puissance de son processeur, accélérant ainsi sa capacité de reproduction. Puis, si à la génération suivante, un organisme était capable de lire deux nombres en même temps, ils augmentaient encore sa vitesse de reproduction. Et s’il pouvait additionner ces deux nombres, ils lui donnaient une récompense encore plus grande. Résultat : en quelques mois, les organismes digitaux étaient devenus de véritables experts des mathématiques.

Additions, soustractions, multiplications… Les calculs n’avaient plus aucun secret pour eux ! Publié dans la revue Nature en mai 2003, ce travail démontre que, dans le monde digital des avidiens comme dans notre monde réel, les caractéristiques complexes sont bâties à partir de fonctions anciennes beaucoup plus simples. Ce qui confirme la validité de la théorie darwinienne de l’évolution et de la sélection naturelle… Et réfute par la même occasion celle du « dessein intelligent », qui considère que les organes complexes,
comme l’œil ou le système circulatoire, doivent forcément résulter de l’intervention d’un agent supérieur intelligent, une sorte de « grand architecte ». « Les créationnistes sont agacés par notre travail car il remet en cause leurs préceptes », précise Robert T. Pennock, philosophe à l’Université du Michigan et spécialiste de l’évolution artificielle. « Mais jusqu’à présent, malgré leurs recherches intensives, ils n’ont pas trouvé la moindre faille à notre système ».

Une nouvelle forme de vie ?

Plus de 10 ans après leurs premiers pas dans leur monde virtuel, les organismes digitaux d’Avida peuvent-ils être considérés comme des êtres vivants ? Il peut sembler étrange de parler de lignes de code comme on le ferait d’un dauphin ou d’une bactérie… Mais pour Robert Pennock, la différence n’est peut-être pas si grande. « Les avidiens se répliquent, mutent, entrent en compétition… Ils subissent aussi le processus de sélection naturelle », souligne le philosophe. « Si l’on considère la définition de la vie donnée par les biologistes, alors ces choses remplissent quasiment toutes les conditions requises ! ».

Depuis quelques années, l’imitation de la nature va même plus loin : les organismes digitaux sont désormais capables de communiquer entre eux, d’échanger des informations, et de coopérer pour accroître leurs chances de survie. Plus étonnant : comme au sein des sociétés humaines ou animales, les liens familiaux revêtent une importance particulière chez les avidiens. « Nous avons réalisé des expériences au cours desquelles nous donnions la possibilité aux avidiens de percevoir les liens de parenté qu’ils partageaient avec leurs voisins », explique Robert Pennock. « Comme la théorie de l’évolution le prédit, nous avons alors constaté que les organismes digitaux évoluaient de telle sorte qu’ils se mettaient à partager leurs ressources avec les membres de leur famille. Nous avons également observé l’émergence de formes de collaboration et d’altruisme, et même de sacrifice personnel pour favoriser la survie des autres ».

 

Les organismes digitaux sont désormais capables de communiquer entre eux, de coopérer pour accroitre leur chance de survie…

S’adapter coûte que coûte

L’évolution artificielle ne semble pas avoir de limite… Ces créatures digitales se nourrissant de nombres pourraient-elles un jour devenir incontrôlables ? Pour le savoir, les chercheurs de l’Université du Michigan ont récemment décidé d’empêcher l’adaptation des avidiens. Pour cela, une simple manipulation était nécessaire : dès qu’un organisme subissait une mutation, il était soumis à un test pour savoir si cette dernière était bénéfique. Si c’était le cas, l’organisme était tué. Un véritable génocide des plus fort, qui aurait dû mettre fin à la société avidienne… Mais c’était sans compter sur l’extraordinaire capacité d’adaptation de ces petits êtres artificiels ! Soumis à une telle pression, ils ont en effet appris à tromper la vigilance de leurs expérimentateurs : dès qu’un individu se rendait compte qu’il était soumis à un test, il cessait immédiatement d’effectuer des calculs.

Autrement dit, il faisait le mort. Résultat : il n’était pas tué, et pouvait ensuite continuer de se reproduire et d’évoluer en toute tranquillité. Bien qu’il ait donné la vie à ces créatures, l’Homme n’aurait donc pas le pouvoir de les empêcher de se développer… Mais de là à imaginer qu’elles puissent un jour se transformer en véritables prédateurs, il y a un pas… Que nous ne sommes pas prêts de franchir. Car heureusement, les avidiens évoluent dans un monde parallèle, et seraient bien incapables de survivre dans le nôtre. En outre, nous possédons une arme imparable contre ces êtres venus d’ailleurs : si nous souhaitons vraiment les empêcher de vivre, nous pouvons toujours débrancher l’ordinateur dans lequel ils évoluent ! ♦

La colonie d’organisme au sein du logiciel Avida

Cette série d’images montre l’évolution d’une colonie d’organismes digitaux au sein du logiciel Avida. Chaque couleur représente une variété d’organisme possédant un génome donné. Au début de l’expérience, la population n’est pas constituée que de quelques individus quasi identiques. Mais générations après génération, les avidiens se reproduisent, subissent des mutations, et évoluent. Résultat: en quelques heures, la boîte de pétri artificielle compte plusieurs milliers d’habitants dotés d’aptitudes différentes.

“The evolutionary origin of complex features”, Richard E. Lenski, Charles Ofria, Robert T. Pennock, & Christoph Adami, Nature, mai 2003.
“Digital Evolution”, Bill O’Neill, PLoS Biol, 2003
« Harnessing Digital Evolution » Philip McKinley, Betty H.C. Cheng, Charles Ofria, David Knoester, Benjamin Beckmann, Heather Goldsby, Computer, Janvier 2008.
“Evolution of an Adaptive Sleep Response in Digital Organisms”, Benjamin E. Beckmann, Philip K. McKinley, and Charles Ofria, ECAL 2007 

Le sommeil des machines

 Au cours d’une expérience menée en 2007, les chercheurs de l’équipe Avida ont soumis les organismes digitaux à un environnement divisé en deux périodes : le jour, où l’énergie (c’est-à-dire la puissance de processeur) était disponible en abondance, et la nuit, où aucune ressource n’était accessible. « La diminution des ressources pendant la nuit confrontait les organismes à un problème », explique Benjamin Beckmann.

« Ils pouvaient continuer à exécuter des calculs et à dépenser de l’énergie sans rien gagner en échange, ou bien ils pouvaient se mettre à dormir pour économiser de l’énergie ». Résultat : après plusieurs générations, les avidiens ont choisi de dormir. Plus étonnant : certains individus ont même développé l’équivalent d’une horloge biologique, qui synchronise les temps de veille et de sommeil avec les périodes de disponibilité des ressources. « Celle-ci a permis aux organismes de savoir quand la ressource deviendrait de nouveau accessible, et d’anticiper son retour. », souligne Benjamin Beckmann. Ainsi, les créatures artificielles s’endormaient juste avant que l’énergie ne disparaisse, et se réveillaient juste avant qu’elle ne soit de nouveau accessible. L’adage « le monde appartient à ceux qui se lèvent tôt » semble donc valable dans le monde réel comme dans celui des avidiens