Естественный отбор
Естественный отбор
Отвлечемся теперь от нейронных сетей и поговорим о том, что является фундаментом современной науки,— об эволюционном учении Ч. Дарвина. Теория естественного отбора знакома, конечно, всем. Но, поскольку существенная часть дальнейшего изложения в этой книге далее будет опираться именно на нее, считаю необходимым напомнить ее основные положения.
Идею о том, что в живой природе действует механизм, подобный осуществляемому человеком искусственному отбору, впервые высказали английские ученые Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес. Смысл их идеи состоит в том, что для создания удачных существ природе вовсе не обязательно понимать и анализировать ситуацию, а можно действовать наугад. Достаточно постоянно создавать у особей широкий спектр разнообразных качеств — и в конечном счете выживут наиболее приспособленные.
Итак, три этапа:
1. Сначала появляется особь с новыми, при этом совершенно случайными свойствами.
2. Взаимодействуя с внешней средой и конкурируя с другими, особь либо дает потомство, либо погибает раньше.
3. Наконец, если исход предыдущего этапа оказывается положительным и она оставляет потомство, ее потомки наследуют новоприобретенные свойства и испытание естественным отбором продолжается.
Эти этапы иллюстрируют три столпа эволюционного учения: наследственность, изменчивость и естественный отбор.
Информация о том, каков будет организм и какими свойствами он будет обладать, полностью содержится в хромосомном наборе. Каждая хромосома, в свою очередь, состоит из последовательности генов. Гены своим типом и местоположением в хромосоме кодируют какое-либо свойство организма.
Рисунок 10. X и Y хромосомы человека под электронным микроскопом.
При бесполом размножении происходит копирование генов родителя, и потомок получает все те же свойства, что и его предок. Однако под воздействием внешней среды (естественного радиационного фона, химических веществ, вирусов и др.) происходят мутации, то есть изменения в генном наборе.
В современной литературе принята классификация мутаций, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом:
— генные или точковые (изменения молекулярной структуры генов, возникающие в результате замен, вставок или выпадения простейших элементов ДНК);
— хромосомные (структурные изменения хромосом, возникающие вследствие перемещения или выпадения значительных по протяженности частей хромосом);
— геномные (изменения числа хромосом).
Изменение генов приводит к появлению новых, порой совершенно неожиданных свойств. Если эти свойства оказываются положительными, то существо выживает, а его потомки это свойство наследуют. Если мутация оказывается вредной, то существо умирает. Среда обитания создает пищевые ограничения, а у многих существ есть враги, для которых они сами являются пищей. Естественно, в таких условиях конкуренции выживает тот, кто более приспособлен.
Эволюция живых существ может идти быстрее, если кроме мутаций будет происходить обмен генов между разными особями. Так, среди растений существует перекрестное опыление, и потомство, соответственно, получает наследственные свойства от двух родителей — частично от одного, частично от другого. Благодаря появлению организма с новым, возможно более благоприятным, набором свойств достигается дополнительная изменчивость. В случае полового размножения животных появляется дополнительный критерий отбора: самка и самец по неким улавливаемым ими признакам подбирают партнера с наиболее ценным «наследственным материалом».
Повторим еще раз:
Мутации позволяют получить гены, которые несут новые, ранее отсутствовавшие признаки. Вследствие скрещивания возникают разнообразные сочетания этих признаков. Половое размножение ускоряет действие естественного отбора.
Забавный факт: у живых существ, которые размножаются через внутреннее оплодотворение, в том числе и у человека, у особей мужского пола яички — этот жизненно важный орган — находятся снаружи и защищены слабо. Скорее всего, причина в том, что только при наружном расположении и достаточно тонком кожном покрове естественный радиационный фон в состоянии вызывать мутации в генетическом материале. Из тех же соображений развитие плода происходит достаточно глубоко в утробе, что значительно снижает воздействие естественного радиационного фона на развитие зародыша. Кстати, здесь часто путают причину и следствие. Встречается утверждение, что опускание яичек из брюшной полости, происходящее к моменту рождения, необходимо для нормального созревания сперматозоидов, которое требует температурного режима на несколько десятых долей градуса ниже, чем температура в брюшной полости. Берусь утверждать, что в действительности — наоборот: сперматозоиды приспособились к более низкой температуре именно вследствие необходимости наружного расположения яичек и, соответственно, более прохладного режима.
С момента издания в 1859 году основополагающей работы Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» и до наших дней постоянно звучат сообщения о том, что теория Дарвина неверна, что найдены «достоверные факты», ее опровергающие. Как правило, за этим стоят либо религиозные взгляды, либо непонимание, либо невозможность проследить эволюционный процесс в сложных системах при воздействии большого числа факторов. Сегодня сам факт эволюции сомнению учеными не подвергается, так как имеет огромное число прямых подтверждений.
Печально известный академик Лысенко утверждал, что основной двигатель эволюции — это наследование приобретенных при жизни свойств. Как-то на заседании Президиума АН СССР (еще в бытность его президентом АН СССР) один из академиков выступил в защиту генетики. Выступление было долгим и горячим, изобиловало фактами, цифрами и было подкреплено результатами экспериментов. После выступления этого академика товарищ Лысенко выступил с разгромной речью, направленной против этого академика, заявив всем уже известное: что генетика — это «проститутка капитализма- империализма», и далее в том же духе.
После столь страстных слов «главного академика страны», сказанных против генетики, выступать, казалось бы, не мог уже никто.
Ан нет! Встал сэр (он к тому времени уже был сэром) Капица (еще Капица-отец) и спросил «главного научного»:
— Стало быть, вы утверждаете, что если мы отрубим корове один рог и будем проводить ту же самую процедуру с ее последующими поколениями, то в результате мы выведем однорогую корову?
— Да! Это только вопрос времени! — уверенно ответил ««генералиссимус от профессуры».
— Времени, говорите? Тогда как же это получается, что все женщины вот уже со дня сотворения мира и по сей день рождаются девушками, а евреи — необрезанными?
Вспомним ненадолго о нейронных сетях.
Еще один алгоритм обучения нейронных сетей, заимствованный у природы, носит название «генетический». Суть его проста: сначала строится нейронная сеть, входами и выходами отвечающая поставленной задаче. Количество нейронов сети и их связи выбираются экспертно, исходя из опыта решения других, схожих по сложности задач. Веса на входах нейронов задаются случайным образом. Затем на вход сети подаются обучающие сигналы, оценивается успешность работы сети. Далее производятся случайные мутации, и если какие-либо из полученных сетей справляются с решением задач «лучше», то далее процесс мутаций повторяется на них. Иногда, после длительного эволюционного процесса, удается получить сеть, которая успешно справляется с решением исходной задачи.
Часто, при применении генетического алгоритма, для ускорения его работы используют скрещивание исходных сетей (называя при этом исходные сети хромосомами). Я считаю, что это не очень корректный подход. Как и отождествление матрицы весов нейронной сети с хромосомами. Дело в том, что при скрещивании на уровне реальных хромосом происходит обмен генами, каждый из которых является носителем определенного свойства. Результирующий ген получается «осмысленным». При скрещивании нейронных сетей происходит обмен весами, которые являются частью «осмысленных» конструкций. При этом, если скрещиваемые нейронные сети далеко разошлись друг от друга — результат будет «бессмысленным», если же они не далеко разошлись друг от друга, то это подмена алгоритма мутации.
Каждое свойство, которое приобретается по ходу эволюции, оказывается «выгодным» для его носителя на тот момент, когда оно возникает. Но, возникнув и закрепившись, оно служит фундаментом для появления новых свойств. В итоге далеко не всегда понятен смысл тех или иных информационных достижений. Далее в этой книге мы будем неоднократно разбирать разные эволюционные загадки.
Рассмотрим для примера несложную эволюционную головоломку. Почему человеку, чтобы научиться ходить, нужен год, а котятам три недели?
Ходьба человека не сложнее ходьбы кошки, поэтому причину следует искать не в более сложном устройстве двигательной системы человека. Причина проста. Система инстинктов у человека значительно сложнее, чем у кошки, а значит, и формируется значительно дольше. Если бы ребенок начал ходить слишком рано, многократно бы возросли риски упасть куда-либо или попасть в иную неприятность. Оказалось эволюционно выгодно «<отложить» начало ходьбы ребенка до момента более полного формирования инстинктов, способных его уберечь от различных неприятностей.