Читать книгу Применение эволюционных моделей в современном бизнесе - Евгений Клочков - Страница 6

Биологическая эволюция (от лат. evolutio – «развертывание») – естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.

Ч. Дарвин был первым, кто сформулировал теорию эволюции путем естественного отбора в своей работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». Он доказал, что изменчивость и наследственность – это общие свойства всех организмов. Организмы благодаря интенсивному размножению создают достаточное количество исходного материала для отбора «лучших» путем уничтожения (элиминации) «худших». При этом естественный отбор функционирует при наличии двух факторов – интенсивности размножения и борьбы за существование. Борьба за существование неизбежно вытекает из большой скорости, с которой организмы увеличивают свою численность. Далее Ч. Дарвин предполагает, что, так как производится больше особей, чем может выжить, неизбежно должна вестись борьба за существование либо между особями того же вида, либо между особями различных видов, либо с физическими условиями жизни. Рассмотрим каждый вид борьбы по отдельности.

Межвидовая борьба – состязание за выживание между особями разных видов. Она носит сложный характер и проявляется в следующих видах вредных и полезных взаимоотношений:

а) конкуренция – любые антагонистические отношения, связанные с борьбой за существование, за доминирование, за пищу, пространство и другие ресурсы между организмами, видами или популяциями видов, нуждающимися в одних и тех же ресурсах;

б) хищничество – явление, при котором один организм питается органами и тканями другого, при этом не наблюдается симбиотических отношений. Стоит отметить, что умерщвление жертвы необязательно;

в) паразитизм – форма симбиоза, при которой один организм (паразит) использует другой (хозяина) в качестве источника питания или/и среды обитания, возлагая при этом (частично или полностью) на хозяина регуляцию своих отношений с внешней средой. Паразитизм также бывает облигатным, когда паразит не может существовать без хозяина (типичный пример – вирусы), и факультативным (вши, блохи, паразитические черви и т. д.);

г) комменсализм – один вид без ущерба и пользы для себя способствует процветанию другого вида (пример – овцы, рогатый скот на своей шерсти распространяют семена растений);

д) мутуализм – два вида взаимно поддерживают друг друга (пример – насекомые и птицы опыляют цветки; злаковые и бобовые растения способствуют произрастанию друг друга в травосмесях).

Внутривидовая борьба включает взаимоотношения между особями одного вида, имеющими сходные потребности в пище, территории. Она носит наиболее острый характер, так как представителям одного вида, особенно одной популяции, для жизни и воспроизведения потомства требуются одинаковые условия. Например, рыжие тараканы полностью вытесняют черных, серая крыса – черную, европейская пчела – австралийскую. Конкурентные внутривидовые отношения широко известны повсюду. Птицы одного и того же вида конкурируют из-за мест гнездования. Самцы многих видов млекопитающих и птиц в брачный период вступают друг с другом в борьбу за обладание самкой. Чрезмерное увеличение численности популяции обостряет борьбу за пищу, поэтому, например, среди рыб широко распространен каннибализм – поедание особей своего вида. В процессе эволюции у многих животных выработались приспособления, помогающие им избежать конкуренции с другими особями своего вида, – разметка границ своего участка, жизнь стадами, угрожающие позы.

Борьба с неблагоприятными условиями внешней среды. Огромное число растений уничтожается почти ежегодно поздними заморозками, засухой, резкими климатическими колебаниями. Масса семян заносится ветром в неблагоприятные условия и гибнет. Много животных гибнет во время суровых малоснежных зим. При недостатке в воде кислорода происходит замор рыб. Результатом этой борьбы является выживание особей с наиболее благоприятными для данных условий жизни наследственными изменениями. Например, у растений пустыни длинные корни и мелкие листья.

Все вышеперечисленные виды борьбы за существование приводят к истреблению огромного числа особей или к невозможности оставить потомство. В результате естественного отбора выживают особи, наиболее приспособленные к тем условиям среды, где обитает данный вид. При этом в природе нет идеально, абсолютно приспособленных к условиям их жизни органических форм. Это и невозможно, учитывая изменяемость окружающей среды. Органы, первоначально сформировавшиеся под влиянием естественного отбора, сделавшись бесполезными, могут проявлять большую изменчивость под влиянием новых факторов среды. При изменении условий, сформировавших данный признак, может оказаться, что то, что было полезным, станет вредным. Поэтому и возникает представление об относительной целесообразности в органической природе. Эволюционный процесс всегда носит приспособительный характер. В качестве примера выживания в рамках естественного отбора можно привести белого медведя. В условиях низких температур на Крайнем Севере у него сформировалась особая шерсть с полыми шерстинками, обладающими высокими теплоизоляционными свойствами. Подошвы ног подбиты шерстью, чтобы не скользить по льду и не мерзнуть. Между пальцами есть плавательная перепонка, а передняя часть лап оторочена жесткими щетинками. Крупные когти могут удержать даже сильную добычу. Это необходимое и достаточное условие для выживания. Особи с другими мутациями просто не выжили. Не выдержали суровых климатических условий, конкуренции между собой и конкуренции с другими видами.

Однако в условиях непрерывно колеблющихся параметров окружающей среды адаптационных механизмов недостаточно. Природа предусмотрела еще один способ приспособиться к внешним условиям – смену поколений. Этот механизм является гарантией выживания вида. Организм должен родиться, освоить жизненное пространство, привнести что-то новое, благоприятствующее выживанию при освоении жизненного пространства, воспроизвести потомство, передать ему это новое приобретение, помочь освоиться в жизненном пространстве и умереть самому. Таким образом, ключевая идея выживания заключается в том, что организмы должны находиться в состоянии постоянной адаптации к внешним пульсирующим условиям, приобретать некоторые мутации и передавать их по наследству, тем самым закрепляя в генетическом коде эффективные механизмы выживания.

В процессе исследований Ч. Дарвин подметил и сделал еще один интересный практический вывод, который будет полезен и для мира бизнеса: естественный отбор может быть дополнен искусственным отбором. В своей работе он описал процесс создания новых пород и сортов культурных растений с ценными для человека свойствами и признаками в ряду поколений. В итоге важное практическое применение получил искусственный отбор, когда селекционеры ставят задачу и ведут отбор по нескольким признакам, выводя культуры растений и породы животных с заданными свойствами и признаками. В качестве одного из примеров Ч. Дарвин приводит фермеров в Виргинии, у которых все свиньи были черного цвета. На вопрос почему, они сообщили ему, что свиньи едят красильные корни (Lachnanthes), отчего их кости окрашиваются в розовый цвет и у всех, кроме черных разновидностей, отпадают копыта. А один из фермеров добавил: «В каждом помете мы отбираем для выращивания черных поросят, так как только они обладают несомненной возможностью выжить». Постепенно данная теория развивалась, и активное развитие получила наука селекция, теория мутаций, учение о структуре гена и молекулярные основы наследственности. Селекционеры посредством направленного подбора исходного материала для селекции, гибридизации, массового и индивидуального искусственного отбора получают необходимые свойства. Например, при селекции животных происходит выведение пород с высокой продуктивностью, жизнеспособностью, устойчивостью к болезням и неблагоприятным условиям окружающей среды.

В качестве примера направленной селекции можно привести удивительную и дорогую породу кошек под названием «саванна». Это домашний вариант дикого сервала, саванна была выведена в 1980-х. Дикие кошки всегда были популярны у представителей элиты, и, чтобы защитить настоящих гепардов и леопардов, селекционеры создали альтернативу. Зверь с виду грозный и опасный, но на самом деле ласковый и коммуникабельный. Первую саванну в 1986 году представил миру заводчик бенгалов Дж. Фрэнк. Она получилась в результате скрещивания самца настоящего сервала с домашней сиамской кошкой. А в 2001-м порода была официально признана и зарегистрирована.

Теория Дарвина много раз подвергалась критике, но идея того, что жизнь развивалась, а не была создана в «готовом» виде, не вызывает сомнений у подавляющего числа ученых. Одним из практических выводов из теории эволюции стало появление генетических алгоритмов, предложенных Дж. Холландом в 1975 году. Генетические алгоритмы нам очень пригодятся для использования в рамках предлагаемой автором парадигмы, и об их применении будет сказано ниже.

Генетические алгоритмы – это адаптивные методы поиска, которые применяются для решения задач оптимизации. В них используется как аналог механизма генетического наследования, так и аналог естественного отбора. При этом сохраняются биологическая терминология в упрощенном виде и основные понятия линейной алгебры. Первая схема генетического алгоритма была предложена в 1975 году в Мичиганском университете Дж. Холландом, а предпосылками этому послужили работы Ч. Дарвина «Теория эволюции» и исследования Л. Дж. Фогеля, А. Дж. Оуэнса, М. Дж. Волша по эволюции простых автоматов, предсказывающих символы в цифровых последовательностях. Новый алгоритм получил название «репродуктивный план Холланда» и в дальнейшем активно использовался в качестве базового алгоритма в эволюционных вычислениях. Идеи Холланда развили его ученики К. Де Йонг из Университета Джорджа Мейсона (Вирджиния) и Д. Голдберг из Лаборатории генетических алгоритмов Иллинойса. Благодаря им был создан классический генетический алгоритм, описаны все операторы и исследовано поведение группы тестовых функций. Именно алгоритм Голдберга и получил название «генетический алгоритм». Для понимания сути генетических алгоритмов и возможности их применения в бизнесе стоит чуть более подробно остановиться на этапах этой модели.

1 этап. Создание новой популяции.

На первом этапе создается начальная популяция. Требования к качеству популяции согласно заданными параметрам некритично, так как в итоге алгоритм эту проблему исправит. Главное, чтобы популяция соответствовала «формату» и была приспособлена к размножению.

2 этап. Размножение.

Важно, чтобы потомок (ребенок) мог унаследовать от родителей их черты. При этом размножаются все представители популяции, а не только выжившие. В противном случае выделится один альфа-самец, гены которого перекроют все остальные, а это принципиально неприемлемо.

3 этап. Мутации.

Мутации схожи с размножением. Из мутантов выбирают некое количество особей и изменяют их в соответствии с заранее определенными операциями.

4 этап. Отбор.

На этом этапе начинается самое важное. Экспериментатор выбирает из популяции долю тех, кто «пойдет дальше». При этом долю «выживших» после отбора определяют заранее, указывая в виде параметра. Затем цикл повторяется с начала. Если результат не устраивает, эти шаги повторяются до тех пор, пока результат не начнет удовлетворять или пока не произойдет одно из нижеперечисленных условий: либо количество поколений (циклов) достигнет заранее выбранного максимума, либо будет исчерпано время на мутацию.

Генетические алгоритмы относят к области мягких вычислений. Термин «мягкие вычисления» был введен Л. Заде в 1994 году. Это понятие объединяет такие области, как нечеткая логика, нейронные сети, вероятностные рассуждения, сети доверия и эволюционные алгоритмы, которые дополняют друг друга и используются в различных комбинациях или самостоятельно для создания гибридных интеллектуальных систем.

Если упростить, то генетический алгоритм – это метод перебора имеющегося множества с отбором только тех решений, которые отвечают заданным параметрам. В качестве примера можно привести решение задачи о поиске кратчайшего пути из точки А к точке Б. Во-первых, нужно построить любые возможные пути из точки А к точке Б, искать все возможные варианты, смещать уже существующие точки маршрута, добавлять и удалять точки, через которые проходит маршрут, то есть создать максимальное количество вариантов. Затем для выбора кратчайшего пути необходимо посчитать длины маршрутов и сравнить их. В процессе перебора отбрасываем часть самых длинных маршрутов, сравниваем оставшиеся и в итоге оставляем только один – самый короткий. Только практика может показать, какой подход будет верен в контексте конкретной задачи.