Плодитесь и размножайтесь. Эволюция как основа геймплея в компьютерных играх

Думаю, один из самых завораживающих и интересных феноменов, о котором я узнал именно с Хабра — это клеточные автоматы ^[1]. О Джоне Конвее и его игре «Жизнь» я впервые прочитал в переводной статье уважаемого @SLY_G ^[2] «Джон Хортон Конвей: Жизнь, как игра ^[3]», а среди авторских материалов мне запомнились «Наша Вселенная — симуляция на основе большого клеточного автомата? ^[4]», которую мне довелось прочитать, будучи в жюри конкурса «Технотекст», «Простейшие клеточные автоматы и их практическое применение ^[5]» уважаемого @oshibka404 ^[6] и, наконец, блестяще иллюстрированная алгоритмическая работа «Эволюционирующие клеточные автоматы ^[7]» уважаемого @xcont ^[8]. Эти статьи натолкнули меня на размышления о том, почему биологическая (дарвиновская) эволюция ^[9] не слишком популярна в качестве источника сюжетов для компьютерных игр. Если как следует поискать, такие игры всё-таки существуют (пусть многие из них и напоминают образовательные пет-проекты), но мейнстримом они определённо не стали. Под катом попробую рассмотреть, так ли интересно играть в эволюцию и не слишком ли фаталистична и сложна эта тема в качестве развлекательной.

Эволюция – это не игрушки

Мне кажется, что интерес ^[10] к биологической эволюции постоянно подогревается из-за того, что теорию Дарвина постоянно пытаются оспаривать креационисты, сторонники «разумного замысла» и прочие тенденциозно настроенные авторы, считающие дарвиновские идеи «устаревшими», «натянутыми» или даже «давно опровергнутыми». Отчасти такие сомнения связаны с тем, что Чарльз Дарвин в своей книге «Происхождение видов путём естественного отбора ^[11]» описывал принципы выживания наиболее приспособленных особей без учёта генетики и вообще не рассматривает такого феномена как «ген». Более того, на момент работы Дарвина ещё не была известна генетическая и информационная функция молекулы ДНК. Ранее я затрагивал эти вопросы в статье «На смерть Джеймса Уотсона ^[12]».  

Таким образом, в наше время теория эволюции действительно изучается не в дарвиновском, а в значительно более точном «докинзовском» изводе. Идеи Докинза популярно изложены в книгах «Расширенный фенотип: длинная рука гена ^[13]» и в особенности «Эгоистичный ген ^[14]». Отличную рецензию на эту книгу сделал на Хабре уважаемый Олег Антипов @olegantipovDDG ^[15] в статье ««Эгоистичный ген» Ричарда Докинза: жуткая и удивительная правда о смысле жизни ^[16]». Ещё две хорошие книги о современном состоянии теории эволюции — «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий ^[17]» Александра Маркова и Елены Наймарк и «От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни ^[18]» Сергея Ястребова. 

При поверхностном ознакомлении эволюция может показаться увлекательным и даже «красивым» процессом, но такая трактовка связана с некоторыми неверными допущениями о том, как она протекает. Прошу извинения у читателей, которым следующий список покажется набором азбучных истин, но он поможет нам при оценке тех игр, о которых речь пойдёт ниже.

1) Эволюция — это «выживание наиболее приспособленных» (survival of the fittest), а не «выживание самых сильных» или «выживание самых сложноорганизованных». Интересное переложение этого принципа в алгоритмическом виде предложено на Хабре в переводном тексте уважаемого @PatientZero ^[19] «Учим табуретку ходить ^[20]».

2) Эволюция поддерживает ту особь, которая оставит больше потомства, даже если для этого особи придётся остановиться в развитии, частично деградировать или уцелеть лишь в экзотической экосистеме (рефугиуме), где это преимущество у неё сохраняется.

3) Дарвиновский естественный отбор сочетается с описанным им же половым отбором ^[21], который поддерживает частичное повышение собственной уязвимости (например, отказ от маскировочной/покровительственной окраски, либо риск) для того, чтобы пользоваться успехом у противоположного пола и повысить собственные шансы на размножение.

4) Горизонтальный перенос генов ^[22], обычный среди прокариотов, среди эукариотов практически не встречается. В немногочисленных случаях, когда он всё-таки фиксируется ^[23] у многоклеточных, речь идёт о заимствовании генов у бактерий, живущих в организме хозяина. В качестве основной стратегии полового размножения он, по-видимому невозможен, так как половое размножение происходит именно с представителями собственного вида. Столь же фантастично выглядит «заражение» жертвы собственным геномом у многоклеточных, то есть, вирусоподобный жизненный цикл у высокоразвитого животного.

5) Эволюционного древа не существует, так как у эволюции нет магистрального пути развития («ствола»). Все организмы постоянно эволюционируют, поэтому «древо» непрерывно ветвится во всех направлениях. «Дерево» скорее напоминает «плоский куст», схему которого можно представить в виде кладограммы ^[24]. По этой же причине не существует венца творения

6) Мутации действительно являются важным движущим фактором эволюции, однако они происходят на клеточном уровне и в большинстве своём не оказывают влияния на развитие или приспособленность организма. На основе таких нейтральных мутаций (фиксации нейтральных аллелей ^[25]) можно прослеживать эволюцию биологического вида и проверять степень межвидового родства. Полезные мутации закрепляются лишь у потомков своего обладателя, вредные мутации отбраковываются отбором (их обладатель является уязвимым, бесплодным или нежизнеспособным). Поэтому мутации не могут быть основным и тем более единственным фактором биологической эволюции.

7) Разумного замысла не существует

Со всеми этими оговорками играть неинтересно. Поэтому эволюционные симуляторы и игры являются либо упрощениями и приближениями реальной эволюции, либо прямо построены на разумном замысле игрока (и в более широком смысле — разработчика игры, задавшего её правила), то есть, дарвиновскими моделями не являются. 

Компьютерная игра и эволюционный симулятор

Компьютерная игра — это виртуальная среда с набором правил, в которой действуют правила, внутренняя логика ^[26], а также психологические механизмы, нацеленные на удержание внимания ^[27] игрока. Важная черта игры — правдоподобие (и оно даже важнее реалистичности), об этом я в своё время переводил для корпблога издательства «Питер» статью «Важнейшие заблуждения о разработке игр ^[28]». Игра должна быть интересной, и это совсем не означает, что она должна быть простой. Тем не менее, игровой процесс должен осваиваться на практике и не восприниматься как рутинное распутывание узлов (даже если игра обучающая). Наконец, современная компьютерная игра должна быть максимально интерактивной и наглядной.   

Симуляторы эволюции, которые мы рассмотрим ниже, не повторяют ^[29] эволюцию в точности, но их геймплей содержит модели таких эволюционных механизмов, как естественный отбор, мутации, наследственность, изменчивость, а также развитие целых популяций, среди которых могут встречаться представители инвазивных видов ^[30]. Эволюционный симулятор служит виртуальной окружающей средой, в которой развивается множество поколений виртуальных организмов. Организмы конкурируют друг с другом, размножаются и приспосабливаются к условиям среды (на что обычно влияет сам игрок).

Рассмотрим несколько компьютерных игр, которые являются развлекательными или учебными симуляторами эволюции.

Демоны Дарвина (Darwin’s Demons)

Игра «Демоны Дарвина ^[31]», разработанная в университете штата Айдахо в 2017 году, построена на принципе, в соответствии с которым враг эволюционирует, реагируя на действия пользователя. Геймплей игры заимствован из классического аркадного шутера «Space Invaders ^[32]». «Демон Дарвина ^[33]» — это мысленный эксперимент, названный так по аналогии с «демоном Лапласа»; он описывает ^[34] гипотетическое идеально приспособленное к жизни существо, которое могло бы возникнуть, если бы естественный отбор был ничем не ограничен.

После того, как вы пройдёте в этой игре очередной уровень, на следующем уровне вам встретятся потомки перебитых вами демонов. Это поколение опаснее предыдущего, так как особи с очередного уровня приспосабливаются к вашему стилю игры и становятся увёртливее и опаснее. В отличие от «демона Дарвина», враги в этой игре не развиваются до абсолютной непобедимости (эта способность ограничена разработчиками), но сама игра не просто линейно усложняется. В основе игры заложен генетический алгоритм, действующий по принципу дарвиновского естественного отбора. Демоны в этой игре являются гермафродитами и размножаются половым (диплоидным ^[35]) путём. Поколения демонов развиваются на основе заложенного в них генотипа ^[36], в котором заложены такие признаки как доминирование (dominance), агрессия (aggression), продолжительность жизни (lifespan) и точность (accuracy). Чем дальше демону удаётся пробраться по экрану, тем выit уровень его приспособленности (fitness). На следующем уровне вам придётся иметь дело с потомками наиболее успешных особей.

Кроме того, геймплей от уровня к уровню немного отличается, поэтому демон развивается именно в том направлении, в котором вынуждает его пользователь — то есть, потомки выживших демонов адаптируются к тактике пользователя. В результате игра подстраивается под пользователя, и побеждать демонов становится всё сложнее.

Барри Робинсон (один из разработчиков игры) отмечал в интервью, что здесь открываются интересные возможности обмануть игровую механику, то есть, упростить прохождение игры – можно попытаться укротить врага. Наиболее выигрышная стратегия — перебить самых агрессивных, а в живых оставить ту часть популяции демонов, которая сидит поближе к верхнему краю экрана и не лезет в драку. Именно эта часть популяции получает шанс оставить потомство. В результате спустя несколько уровней вражеская стая становится практически безобидной.

Так или иначе, в «Демонах Дарвина» удалось реализовать лишь одностороннюю эволюцию: давление отбора испытывают враги, но не испытывает персонаж. С точки зрения ^[37] разработчиков, ближайший аналог такого развития в живой природе — эволюция паразитов и в особенности патогенов, которые постепенно приспосабливаются к хозяину, а заболевание из острого перетекает в хроническое (так как патогену выгодно, чтобы хозяин подольше оставался в живых).

Споры (Spore)

Это коммерчески успешная игра-симулятор, выпущенная компанией «Electronic Arts» в 2008 году — типичный пример сеттинга, в котором ради вовлечения пользователя эволюция сделана не вполне дарвиновской; в ней наблюдаются черты направленного ламаркизма ^[38]. Организмы получаются чрезвычайно изменчивыми, причём, новоприобретённые признаки не сказываются на их выживаемости. Пользователь может вмешиваться в развитие особи и помогать ей действовать умнее или завоёвывать экологическую нишу. Предусмотрены «очки ДНК», которые являются своеобразной системой бонусов, и существо приобретает их, поедая полезную пищу.

Эволюция — не единственная сюжетная линия этой игры. Во-первых, игра связана с освоением и развитием собственной планеты (в том числе, требует защищать её от набегов космических пиратов). Во-вторых, в игре есть сложные (не строго биологические) этапы «Племя» (Tribal) и «Цивилизация» (Civilization). Но в рамках этой статьи наиболее интересно сравнить два ранних этапа: «Клетка» (Cell) и «Существо» (Creature) — то есть, прокачку одноклеточных и многоклеточных организмов.

На стадии «Клетка» игрок управляет крошечным одноклеточным персонажем, который плавает в воде, питается растительной или животной пищей, начинает охотиться. Достигнув порогового размера, особь начинает превращаться в более крупное существо.

На стадии «Creature» (а также на стадиях Tribal» и «Civilization») действуют элементы симбиоза — можно вступать в союз с другими существами либо сражаться против них. Так, чтобы подружиться с другим существом, нужно подражать ^[39] его действиям. Очки ДНК зарабатываются как за заключение таких союзов, так и за убийство врагов. Более того, можно эволюционировать, например, собирая найденные кости; удивительно, что этот ход практически предвосхищает эмерджентную эволюцию-самосборку ксеноботов ^[40], о которой я ранее писал на Хабре.

Существа (Creatures)

Игра «Creatures» появилась в открытом доступе в 2001 году ^[41], а разработана была в середине 1990-х Стивом Грандом ^[42] (род. 1958), информатиком и робототехником из Кембриджа. Пожалуй, её геймплей наиболее приближен к дарвиновской эволюции (другие проекты Гранда можете посмотреть здесь ^[43]).

В этой игре пользователь создаёт мультяшных существ, называемых «норнами» (norns), но может не только кастомизировать их внешний облик, но и корректировать их на генетическом уровне. Вот как выглядят норны: 

В игре предусмотрен режим «wolfing run», в котором пользователь может оценивать относительную приспособленность своих норнов к конкретному игровому сценарию.

В поколениях норнов обычны мутации, благодаря которым в популяции возникают новые признаки. Эти признаки могут быть унаследованы следующим поколением. Норн живёт около 40 часов, поэтому пользователь может наблюдать эволюцию на протяжении многих поколений. Игра допускает возникновение дефективных геномов — так, могут получиться глухие норны, либо особи с недостающими или лишними органами. С другой стороны, известны бессмертные норны — они не умирают, так как обладают сверхэффективной пищеварительной системой. Сам Гранд писал, что поведение ^[44] норнов запрограммировано по образцу крысиного, а интеллект ^[45] развивается как муравьиный. Норны существенно отличаются от любой земной жизни в том, что их метаболизм влияет на поведение ^[46], а не на физическое состояние существ. В одном из интервью Гранд пояснял, что норны могут учиться на опыте ^[47] и реагировать ^[48] на внешние стимулы, но «думать» в полном смысле этого слова не способны.  

Другие серьёзные отличия норнов от обычной жизни заключаются в том, что эти существа размножаются по гаплоидному, а не по диплоидному принципу и, следовательно, не имеют доминантных и рецессивных ^[49] признаков. По той же причине у них слабо выражена рекомбинация ^[50] между генетическими локусами. Наконец, поскольку поведение норнов зависит от питания, их характер может резко и даже непредсказуемо меняться. Однако естественный отбор в этих популяциях действует исправно, благодаря чему игра может рассматриваться как учебный материал по игрушечной генетике.

Evolva

На мой взгляд, это самая интересная и самая ненаучная эволюционная игра, о которой я собирался вам рассказать. Её автор — Уильям Лэтэм ^[51] (род. 1961), который кроме геймдева увлекается эволюционным искусством ^[52], о котором подробнее рассказано здесь ^[53]. Игра «Evolva ^[54]» была выпущена в 2000 году, её сюжет вдохновлён классическим триллером Джона Карпентера «Нечто ^[55]». Основная фишка этой игры — охота на фантастических тварей и мутация в результате заражения. На старте игры пользователь управляет отрядом из четверых «генохотников»

(genohunters). Это воины, способные впитывать геном добытой «дичи» и заимствовать её ДНК. Для этого нужно освежевать труп добычи, прикоснуться к ним и перейти на экран «Mutator».

Нажимаем кнопку «Mutate» — и генерируются две случайных вариации, в каждой из которых некоторые способности генохотника улучшаются, а другие ухудшаются. Как только вы подберёте комбинацию, которая вас устраивает, её можно выбрать и применить. Охотник мутирует так, как вы выбрали.

Персонаж может мутировать сколько угодно (в рамках того, насколько удачно он охотится), и разнообразие генетических вариантов настолько велико, что к окончанию игры команда генохотников будет не похожа ни на одну другую.

При помощи мутаций генохотники могут приобретать всевозможные способности: быстрее бегать, выше прыгать, кратковременно становиться невидимыми, приобретать толстую шкуру, распылять взрывоопасные споры, отращивать когти и пр.

Притом, насколько далека эта игра от реальной дарвиновской эволюции, здесь мы наблюдаем именно эволюцию, но не поколенческую, а «динамическую», и здесь накопление мутаций аналогично зарабатыванию игровых очков и опыта.

Кладистика (Build A Tree)

Все вышеперечисленные игры являются правдоподобными, но лишь имитируют эволюцию, а не повторяют её. Это делается ради того, чтобы игра получалась как можно интереснее. В завершение этой статьи хочу рассказать о чисто научной выставочной игре «Build A Tree» (BAT), разработанной сотрудниками Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс — Майклом Хорном совместно с Флорианом Блоком и Чиа Шен. Игра призвана донести до пользователя три следующие идеи:

Во-первых, всё живое на Земле связано между собой (вся жизнь происходит из одного источника). Иными словами, если бы можно было отправиться в достаточно далёкое прошлое, то было бы реально найти общего генетического предка для любых двух организмов на планете, какими бы разными они ни казались. Общий предок был у человека и комара, ящерицы и курицы, осьминога и банана и так далее. Универсальный предок всех ныне живущих организмов был похож на бактерию и условно называется «LUCA» (Last Universal Common Ancestor). На Хабре о нём есть отличная статья «Познакомьтесь с общим предком всей современной жизни на Земле: LUCA ^[56]» от уважаемого @SLY_G ^[2].

Во-вторых, существуют ключевые эволюционные отсечки, разграничивающие основные группы живых существ. В таком качестве используются общие генетические признаки, возникшие в результате эволюционных процессов (естественного отбора, дрейфа генов, мутаций).  и позволившие организмам осваивать новые экологические ниши. Характерный пример — амниотический пузырь ^[57]; оболочка, благодаря которой общие предки современных птиц, млекопитающих и рептилий смогли откладывать яйца вне воды и заселять новообразованные внутренние местообитания. У земноводных этой фичи нет, поэтому они вынуждены возвращаться в воду для откладки яиц и размножения.

В-третьих, эта игра учит правильно представлять кладограммы (филогенетические деревья). В частности, речь о навыке правильно читать и понимать деревья, не искажая их смысла. К распространённым ошибкам относится предположение, что порядок расположения ветвей слева направо имеет значение, или что организмы, находящиеся в правой части, являются наиболее «эволюционно продвинутыми». Например, изображённое выше дерево можно превратно истолковать так, что жирафы — представители самого продвинутого здесь вида (что не так), а также что бабочки и птицы обладают более тесным генетическим родством, чем птицы и жирафы (что тоже не так). Вот как посетители выставки играют в эту игру:

Заключение

Надеюсь, получилось интересно (почти не делаю на Хабре таких обзоров). У меня сложилось впечатление ^[58], что биологическая эволюция так и не стала мейнстримовой темой ни в компьютерных, ни в настольных играх, поэтому я постарался подобрать достаточно разнообразные примеры, помогающие понять, почему так сложилось. Предположу, что реальный отбор действительно слишком слеп, произволен и неинтересен, чтобы в него играть. Эволюция наделяет организм не только полезными признаками, но и массой генетического легаси-кода, которое приходится тащить с собой из поколения в поколение. Как правило, он закомментирован, но порой даёт атавизмы. Кроме того, играть в эволюцию непросто и с эмоциональной точки зрения — отбор есть постоянная отбраковка наименее приспособленных особей, даже таких, которые кажутся вам красивыми, и которым вы успели прикипеть. Если оставлять в живых наиболее многочисленные и адаптивные популяции, то можно скатиться в зерг раш, не в силах позволить себе разводить кондоров, диплодоков и тем более химерных существ. Почему-то людям больше нравится играть в мутации и тератологию, чем в эволюцию, но этот вопрос уводит нас куда-то в психологию. Рад буду почитать в комментариях, почему, на ваш взгляд, мутации оказались для нас настолько интереснее обычной изменчивости.

Если же вы хотите почитать про некоторые другие компьютерные игры, построенные на основе эволюционных механизмов — можете посмотреть на Гитхабе эту ^[59] подборку.