Эволюция естественных и искусственных систем

Эволюция (лат. evolutio – развертывание, развитие) – это необратимое историческое развитие естественных и искусственных систем (объектов), в результате которого происходят количественные и качественные изменения. При этом каждое новое состояние системы (объекта), как правило, имеет по сравнению с предыдущим более высокий уровень развития и организации. Эволюция приводит к формированию адаптаций (приспособлений) организмов к условиям их существования. Основные характерные черты биологической эволюции это:

· преемственность;

· возникновение в эволюционном процессе целесообразности;

· усложнение и усовершенствование структур.

Согласно второму началу термодинамики все совершающиеся в природе процессы направлены в сторону разрушения структур, снижению уровня сложности, увеличению доли беспорядка (энтропии) во всех системах. А в процессе эволюции происходит лишь местное усложнение системы, которое достигается ценой затраты энергии на развитие организма.

Впервые термин эволюция был использован швейцарским ученым Ш.Бонне в 1782 году. Эволюция приводит к формированию адаптаций (приспособлений) организмов к условиям их существования, изменению генетического состава от популяции видов, а также отмиранию неприспособленных видов.

Эволюционный поиск с точки зрения преобразования информации – это последовательное преобразование одного конечного нечеткого множества промежуточных решений в другое. Само преобразование можно назвать алгоритмом поиска, или генетическим алгоритмом. Генетические алгоритмы – это не просто случайный поиск. Они эффективно используют информацию, накопленную в процессе эволюции.

Ген – реально существующая независимая комбинирующая и расщепляющаяся при скрещиваниях единица наследственности, самостоятельно наследующийся наследственный фактор. Понятие ген и генетика ввел датский ученый В.Иогансен. Ген определяют как структурную единицу наследственной информации, неделимую в функциональном отношении. Его рассматривают как участок молекулы ДНК, копирующий синтез одной макромолекулы или выполняющий какую-либо другую элементарную функцию. Ч.Вильсон в 1900г. определил, что гены находятся в хромосомах.

Хромосома – нитевидная структура или нить, на которую, словно бусины, нанизаны гены, находящаяся в клеточном ядре.. Каждый вид характеризуется определенным числом хромосом. Во всех случаях это число четное и их можно попарно разделить. Каждая клетка организма имеет одинаковое число хромосом. Потомки имеют то же самое число, причем ровно половина от отца, а половина от матери. При таком обмене передаются наследственные признаки.

Комплекс генов, содержащихся в наборе хромосом одного организма, образует геном. Совокупность всех генов, находящихся в хромосомах организма, составляет генотип. Генотип – генетическая конструкция организма. Изменения, произошедшие в структуре генотипа и передаваемые по наследству образуют генетическую изменчивость. Изменчивость живых организмов и наследственность изучает биологическая наука генетика.

Гены могут иметь числовые или функциональные значения. Обычно эти числовые значения берутся из некоторого алфавита. Генетический материал элементов обычно кодируется на основе двоичного алфавита {0, 1}, хотя можно использовать буквенные, а также десятичные и другие алфавиты. Примером закодированной хромосомы длины девять на основе двоичного алфавита может служить хромосома P_i= (001001101).

Все генетические алгоритмы работают на основе начальной информации, в качестве которой выступает популяция альтернативных решений Р.

Популяция Р^t = { Р ₁ Р ₂, … ,Р_i,…,P_np } есть множество элементов P_i, t = 0,1,2 ... – номер генерации генетического алгоритма, N _p– размер популяции. Каждый элемент этой популяции P_i, как правило, представляет собой одну или несколько хромосом или особей, или индивидуальностей (альтернативных упорядоченных или неупорядоченных решений). Как уже отмечено, хромосомы состоят из генов P_i = { g ₁, g ₂,…, g_v }(элементы, части закодированного решения), и каждый конкретный ген занимает определенную позицию на хромосоме. Ее называют лоци или локус для одной позиции, т. е, ген – подэлемент (элемент в хромосоме).

Для многих локусов известно не одно, а несколько устойчивых состояний генов. Такие состояния генов называют аллеломорфными генами, аллероморфами, или просто аллелями. Иными словами, аллель – это различные формы гена или это– функциональное значение гена. Например, модель, поясняющая понятия локусов и аллелей, может быть представлена в виде (рис. 3.1):

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6

Рис. 3.1. Модель локусов и аллелей: A, B, C, D, E, F – код гена; 1…6 – локусы

Ген А расположен в локусе 1, ген В – в локусе 2, С – 3 и т.д. Гены A, B, C, D, E, F могут принимать устойчивые различные состояния, например, А = {00, 01, 11}.

Ген – сложная структура, состоящая из мутирующих элементов, разделяемых при рекомбинации. Это связано с понятием кроссинговер. Кроссинговер – две гомологические хромосомы (одна от отца, а другая от матери) сближаются при созревании половых клеток и обмениваются частями. Оно происходит между разными генами случайным образом с разной частотой.

Процессы рекомбинации можно использовать при решении задач оптимизации. В этом случае любое решение задачи представляется как некоторая информация, способная к обновлению посредством введения элементов другого решения. В задачах оптимизации условно считают, что хромосомы являются закодированным представлением альтернативных решений. Хромосомы, представляющие собой отображения решений, должны быть гомологичны (Гомологичные хромосомы – пары одинаковых хромосом, несущие гены одинаковых признаков), так как являются взаимозаменяемыми альтернативами. Новый механизм решения оптимизационных задач в отличие от существующих механизмов осуществляет не замену одного сгенерированного решения на другое, что осуществимо простой оценкой исходных решений в соответствии с принятым критерием, а получение новых решений посредством обмена между ними информацией.

Каждый участок хромосомы (альтернативного решения) несет определенную функциональную нагрузку. Желательно создание такой комбинации участков хромосом, которая составляла бы наилучшее из решений, возможное при исходном генетическом материале. Поэтому целью рекомбинации является накопление в конечном решении всех лучших функциональных признаков, какие имелись в наборе исходных решений. Схема реализации кроссинговера в одной точкой разрыва представлена на рис. 3.2. Как предположил Т.Морган кроссинговер может происходить в двух и даже большем числе точек.

А Х А

В Х В

а) до кроссинговера

А Х B

В Х A

б) после кроссинговера

Рис. 3.2. A – маркер первой хромосомы; B – маркер второй хромосомы;

X – точка разрыва

В настоящее время существует большое число схем реализации механизма кроссинговера. В общей схеме реализации кроссинговера можно выделить два варианта обмена информацией:

1) используется одна точка разрыва;

2) используются две и более точек разрыва.

Естественный отбор закрепляет только те генотипы, которые дают приспособленный соответствующий данной внешней среде фенотип. Фенотип – совокупность всех внешних и внутренних признаков. Отбор – это, по форме, селектирующий фактор, а, по существу, – творческий процесс создания ЕС или ИС.

Под адаптацией понимается процесс приспособления строения и функций организмов и их органов к условиям окружающей среды. В науке под адаптацией понимают процесс накопления и использования информации в системе, направленной на достижение ее (системы) оптимального состояния, при первоначальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях. Теория генетики утверждает, что адаптация не является какой-то внутренней сущностью, заранее приданной организму, но она всегда возникает и развивается. Считается, что развитие природы идет по пути возникновения все новых и новых механизмов адаптации. Такое развитие осуществляется под воздействием четырех основных признаков:

1) наследственности;

2) изменчивости;

3) естественного отбора;

4) искусственного отбора.

Суть эволюции состоит в реализации целенаправленного процесса размножения – исчезновения, при котором размножению соответствует появление новых объектов, а гибели – удаление объектов из процесса в соответствии с определенным критерием естественного отбора (или селекции). Считается, что элементарной единицей эволюции являются популяция, и в ее основе лежат изменения наследственных структур, называемых мутациями.

Мутации – наследственные изменения отдельных генов, т.е. генетическое изменение, приводящее к качественно новому проявлению основных свойств генетического материала. Считается, что при мутации происходят внезапные скачкообразные изменения в структуре генотипа. Мутационная изменчивость – процесс изменения генетической структуры организма, его генотипа. При этом изменяется число хромосом, или их строение, или же структура слагающих хромосому генов.

Причем только отбор превращает мутационные сдвиги и изменения в адаптацию. Следовательно, отбор является одним из ведущих факторов адаптивной организации ЕС и ИС. Адаптация позволяет накапливать и использовать информацию в ИС, достигать ее оптимального состояния, при первоначальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях.

В ЕС и ИС роль мутаций заключается в том, что именно они генерируют новые функции, затем происходит дупликация, закрепляющая обе функции, а после этого начинается отдельная эволюция исходной и новой функции. Эта эволюция и показывает, что новая или возникшая в результате мутации функция обладает более высокими адаптационными качествами либо прежняя функция выполняет эту роль лучше.

В учении об отборе Ч.Дарвин доказал, что главной движущейся силой эволюции является отбор наилучших форм, требующий для успеха таких условий:

· правильный выбор исходного материала;

· точная постановка цели;

· проведение селекции в достаточно широких масштабах и возможно более жесткая браковка материала;