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Konzept

Titel: Artbildung in einer Computersimulation

Einleitung

Für meine Maturaarbeit möchte ich ein Computerprogramm schreiben, das eine virtuelle Tierpopulation simuliert. Darin sollen sich die einzelnen Individuen gegenseitig beeinflussen und es soll eine Fortpflanzung der künstlichen Lebewesen mit Vererbung von verschiedenen Merkmalen geben stattfinden. Zudem sollen sich auch zufällig Mutationen zutragen können.
Anschliessend möchte ich beobachten, wie sich in dieser Simulation verschiedene Arten entwickeln.

Motivation

Die Idee für mein gewähltes Thema habe ich bereits vor dem Beginn der Maturaarbeiten gehabt, jedoch habe ich damals nicht unbedingt an eine Realisierung des Projekts gedacht. In der Maturaarbeit sehe ich eine Möglichkeit, diese Idee in die Praxis umzusetzen. Die Tatsache, dass ich gerne programmiere und mich die Themen Evolution und Entwicklung von Lebewesen interessieren, hat mich schlussendlich dazu gebracht, dieses Gebiet zu thematisieren.

Leitfrage

Wie lässt sich mit einer Simulation am Computer prüfen, unter welchen Voraussetzungen in einer virtuellen Tierpopulation neue Arten entstehen?

Erarbeitung

Theorieteil

Die Theorie, die ich mir während meiner Maturaarbeit erarbeiten werde umfasst vor Allem folgende Punkte: Ich werde mich zuerst mit der Vererbung von Genen auseinandersetzen müssen, um diese in meiner Simulation so realitätsgetreu wie möglich zu gestalten. Zudem muss ich mir die verschiedenen Theorien der Artbildung aneignen und herausfinden, welche Voraussetzungen diese für die Artbildung vorsehen, um diese mit den Voraussetzungen in der Simulation vergleichen zu können. Um dieses Themengebiet zu erarbeiten, lese ich "Das egoistische Gen" von Richard Dawkins und "Evolution" von Walter Kleesattel.
Ein zweiter Theorieteil ist das Erlernen resp. Verbessern meiner Programmierkenntnisse. Dafür kann ich meine benötigten Informationen am einfachsten aus dem Internet beziehen. Häufig werde ich vermutlich die Seiten (extern link)http://developer.apple.com und (extern link)http://cocoadevcentral.com besuchen.

Feldarbeit

Meine Feldarbeit besteht aus der Programmierung eines Programms, welches eine virtuelle Tierpopulation simuliert und aus der darauf folgenden Auswertung der Ergebnisse von Simulationen mit verschiedenen Parametern. In dieser Simulation soll eine Umgebung (der Einfachheit halber eine Insel), ähnlich einem Brettspielfeld definiert sein, auf der sich einzelne Individuen wie Spielfiguren bewegen können. Die einzelnen Spielfelder sollen je einige Attribute wie z.B. den Tarnfaktor oder die Nahrungsmittelressourcen speichern. Jedes Individuum speichert zudem einige persönliche Daten, wie z.B. sein Körpergewicht oder seine bestehenden Energiereserven.
Nun berechnet der Computer der Reihe nach für jedes Individuum, was es in dieser Runde tun soll. So kann es z.B. essen, schlafen oder sich fortbewegen. Bei dieser Entscheidung spielen sowohl Faktoren des Individuums wie Hunger, sowie auch äussere Faktoren wie den Nahrungsgehalt der unmittelbaren Umgebung eine Rolle. So wird jeder mögliche Zug, den das Individuum machen kann, bewertet. Bei dieser Bewertung wird jedem Situationsaspekt (z.B. ein naher Feind) mit einbezogen werden. Der Faktor, wie stark ein Situationsaspekt Einfluss auf das Verhalten des Individuums haben soll, soll mutieren können. Dadurch wird sich der beste Wert durchsetzen. Ein Zug, der eine hohe Bewertung hat, soll eine höhere Chance haben, durchgeführt zu werden.
Diese Population soll sich fortpflanzen, dank zufälligen Mutationen auch weiterentwickeln, und - wenn die Voraussetzungen richtig gewählt sind - auch verschiedene Arten hervorbringen können.
Die Programmierarbeit und die Suche nach geeigneten Parametern (z.B. wie viele Individuen müssen "ausgesetzt" werden, um eine stabile Population zu gründen) werde ich vorwiegend auf meinem Computer zu Hause erledigen. Für den rechenintensiven Teil der "Langzeitsimulationen" habe ich von Herrn Wisler die Bewilligung bekommen, die beiden iMacs der Fachschaft BiGe zu benutzen. Da diese nur montags und dienstags für den Videokurs verwendet werden, stehen sie mir den Rest der Woche zur Verfügung, um Simulationen laufen zu lassen.
Nach der Simulation folgt die Phase der Auswertung der Daten, die ich aus der Simulation gewonnen habe. Dafür muss ich die Voraussetzungen, dass eine neue Art entsteht in der Simulation mit den realen Voraussetzungen vergleichen.

Produkte

Dokumentation

1 Vorwort

2 Einleitung
2.1 Definition Art
2.2 allopatrische Artbildung
2.3 sympatrische Artbildung
2.4 andere Theorien zur Artbildung

3 Feldarbeit
3.1 Plattform / Programmiersprache
3.2 Funktionsweise / Aufbau der Simulation
3.3 Abstraktionsgrad / Realitätsbezug

4 Resultate
4.1 allgemeine Bewertung der Resultate
4.2 allopatrische Artbildung
4.3 sympatrische Artbildung
4.4 Zusammenfassung

5 Anhang
5.1 Glossar
5.2 Quelltext der Simulation
5.3 Quellenverzeichnis
5.4 Inhaltsverzeichnis

Produkt

Mein erzeugtes Computerprogramm sowie dessen Programmschemen und Quelltexte möchte ich als Produkt auf einer selbst gemachten Website veröffentlichen, sodass jeder, der darin Interesse findet, das Programm benützen und nach seinen Wünschen abändern oder erweitern kann. Auf derselben Website werde ich auch meine Auswertungsergebnisse sowie meine schriftliche Maturaarbeit allen Interessenten bereitstellen.
Das Zielpublikum dieses Produkts sind hauptsächlich Interessierte, welche über Programmierfähigkeiten verfügen. Diese können von dieser Website meine erstellte Simulation und die dazugehörigen Quelltexte herunterladen. Somit kann er die Simulation nach Belieben verändern. Da dieses Publikum relativ klein ist, werde ich eine internationalisierte Website (also auch mit englischer Übersetzung) kreieren. Zudem biete ich dem Benutzer an, eigene Beiträge, wie z.B. eine Erweiterung der Simulation, auf dieser Website zu veröffentlichen. Zudem werde ich mein Programm auf verschiedenen Downloadplattformen (z.B. ) zum Download anbieten.
Da ich auch meine Dokumentation auf dieser Website veröffentlichen werde, gehört jeder Interessierte ohne Programmierkenntnisse natürlich auch zu meinem Zielpublikum.
Wegen der relativ grossen Arbeit, die das Produkt beschert, möchte ich, dass es bewertet wird und zu einem Drittel der Dokumentationsnote angerechnet wird.
Zudem möchte ich mit meinem Produkt am Life Science Zurich Multimedia-Wettbewerb ((extern link)http://www.lifescience-zurich.ch/current/multimedia_contest_terms-de.asp) teilnehmen.

Präsentation

Für meine Präsentation gedenke ich, zuerst die Theorie zu erklären und danach mein Computerprogramm vorzuführen und zu erklären. Dafür benötige ich einen Beamer und die beiden iMacs. Meinen eigenen Computer werde ich vielleicht auch mitbringen. Zudem werde ich auch etwas über meine Auswertung der Daten und von meinem Produkt erzählen. Eine Vorführung meines Produkts wäre auch denkbar.

Kosten

Um die Programmierarbeit zu erleichtern, habe ich das Betriebssystem (extern link)Mac OS X 10.3 für meinen Computer gekauft. Die Kosten dafür belaufen sich auf etwa 200 Franken, wobei dieses Betriebssystem nicht ausschliesslich für meine Maturaarbeit verwendet wird, sondern auch für private Zwecke ist.
Zudem kostet mich das Buch "Evolution" von Walter Kleesattel etwa 16 Franken.

Zeitplan

Zeitplan

1. Programmierung

Die Programmierung meiner Simulation werde ich von jetzt bis kurz nach den Osterferien durchführen. In dieser Phase will ich auch die Parameter der Simulation so einstellen, dass eine möglichst realistische und aussagekräftige Simulation durchgeführt werden kann. Die Programmierung findet hauptsächlich an meinem Computer zu Hause statt.

2. Simulation

Während der Simulationsphase wird fast ununterbrochen eine Simulation laufen. Hier werde ich auch mit den Theorien zur Artbildung in der Simulation experimentieren. So werde ich die Voraussetzungen, die zur Erfüllung dieser Theorien erforderlich sind in die Simulation übernehmen. Diese Phase findet von der Blockwoche bis zu den Sommerferien statt und die meiste Rechenarbeit übernehmen die beiden iMacs des Kollegis.

3. Auswertung

In dieser Phase von den Sommerferien bis zu den freien Tagen für die Dokumentation werde ich mich mit der Auswertung der Daten aus der Simulation befassen. Hier muss ich herausfinden wie und wieso sich in meiner Simulation Arten gebildet haben.

4. Dokumentation

Von den freien Tagen für die Dokumentation bis in die Herbstferien werde ich mich damit befassen, die Dokumentation zu meiner Maturaarbeit zu schreiben.

5. Produkt

Einen Teil der Herbstferien und die Zeit danach werde ich dazu verwenden, einerseits mein Produkt, die Website, zu erstellen und andererseits, um die Präsentation vorzubereiten.

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Quick Links

(extern link)developer.apple.com

(extern link)cocoadevcentral.com

(extern link)Life Science Wettbewerb

(extern link)Mac OS X

Quelltexte


Author

Ivo Näpflin


Date

2004-11-14


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