Prírodou inšpirované algoritmy

Biomorfy

Hoci je model opica/Shakespeare užitočným na vysvetlenie rozdielu medzi selekciou v jednom kroku a kumulatívnou selekciou, je zavádzajúcim v dôležitých bodoch. Jedným z nich je to, že v každej generácii selekčného "šľachtenia" mutované frázy "potomkovia", boli posudzované vzhľadom na kritérium podobnosti k vzdialenému ideálnemu cieľu. Ale život takýto nie je. Evolúcia nemá dlhodobý cieľ. Nejestvuje dlhodobý cieľ, konečná dokonalosť, ktorá by slúžila ako kritérium výberu, hoci ľudská ješitnosť sa ukája absurdnou predstavou, že náš druh je konečným cieľom evolúcie.

Naopak, v reálnom živote je kritérium výberu krátkodobé, buď jednoducho prežitie alebo všeobecnejšie úspech v reprodukcii. Ak sa pri pohľade späť po niekoľkých érach zdá, že to čo sa dosiahlo bolo dôsledkom vývoja k vzdialenému cieľu, pravdou je, že šlo o dôsledok mnohých generácií selekcií s blízkym cieľom. 'Hodinár' akým je kumulatívny prirodzený výber je slepý k budúcnosti a nemá dlhodobé ciele.

R. Dawkins zmenil svoj počítačový model, aby podchytil tento fakt a urobil svoj model realistickejším aj v iných aspektoch. Písmená a slová sú charakteristicky ľudským prejavom, preto nechal počítač kresliť obrázky. Dúfal, že vytvorí obrázky tvarov podobných zvieratám bez toho, aby začínal s preddefinovanými obrazcami podobnými zvieratám. Cieľom je teda aby sa objavili čisto ako výsledok kumulatívneho výberu z náhodných mutácií.

Jeho pôvodný program sa volal EVOLUTION a pozostával z dvoch procedúr DEVELOPEMENT a REPRODUCTION. Inšpiroval sa tree-growing procedúrou, ktorá začína nakreslením jedinej vertikálnej úsečky a potom jej rozvetvením o dve ďalšie. Takto sa rekurzívne pokračuje vo vetvení každej novovzniknutej úsečky. Toto jednoduché pravidlo zapracoval do procedúry DEVELOPEMENT, ako vhodnú analógiu k embryonálnemu vývoju(analógia delenia buniek). Obmedzil svoj model na 9 génov, ktoré rôzne ovplyvňujú pravidlá kreslenia (1-8: uhol vetvenia, dĺžka jedn. vetiev; 9: stupeň rekurzie, dĺžka jedn. vetiev).

Náhodne v jednom kroku mohol zmutovať len jeden gén a to len o hodnotu +1 alebo -1. Väčšie zmeny nemajú zmysel, pretože by znamenali obrovský posun v priestore prehľadávania (t.j. priestore možných hodnôt génov - možných potomkov), čo by znamenalo radikálnu zmenu v tvare jedinca a jeho zahynutie. Aj malé mutačné zmeny vo väčšine prípadov vyústia v zániku jedinca, a len v málo prípadoch vedú k zvýšeniu vhodnosti /fitness/ potomka.

Môžete si tiež všimnúť, že všetky tvary sú symetrické podľa vertikálnej osi. To je ďalším obmedzením z procedúry DEVELOPEMENT. Dôvodom k tomu bolo zčasti estetické cítenie, zčasti ušetrenie v počte potrebných génov a zčasti aj snaha o evolvovanie tvarov podobným zvieratám a väčšina tiel je symetrických.

Z tohto dôvodu prestal volať svoje výtvory "stromy" a začal im hovoriť "telá" alebo "biomorfy". Názov biomorf vytvoril Desmond Morris pre vágne tvary podobné živočíchom vo svojich surrealistických obrazoch. Morris tvrdí, že jeho biomorfy "evolvujú" v jeho mysli a že ich evolúcia sa dá vystopovať v následných maľbách.

V reálnom živote samozrejme mutácie nevznikajú tak často, ale človek nemá trpezlivosť čakať tisíce generácií na zmeny a preto sa v počítačových simuláciách používa väčšia pravdepodobnosť mutácie, resp. mutácia v každej generácii.

Pohybujeme sa teda v 9-rozmernom príznakovom priestore (9 génov) a jeden jedinec má v ďalšej generácii 18 možných potomkov (18 susedov). Toto je podstatou jeho procedúry REPRODUCTION. Ide o asexuálnu reprodukciu, pretože Dawkins má predstavu biomorfov ako samičiek, pretože asexuálne druhy ako napr. vošky sú takmer vždy samičej povahy.

Je dôležité aby procedúry DEVELOPEMENT a REPRODUCTION boli navzájom nezávislé a len REPRODUCTION posielala gény do DEVELOPEMENT, kde ovplyvňujú pravidlá rastu (ak by DEVELOPEMENT posielala gény späť do REPRODUCTION, išlo by o lamarckizmus). Celý program EVOLUTION teda pozostáva z nekonečného opakovania procedúry REPRODUCTION. V každej generácii táto procedúra preberá gény z predchádzajúcej generácie a podáva ich ďalšej generácii, ale s náhodnými chybami - mutáciami. Ale to, ktorý z potomkov prežije nie je náhodné, narad prichádza darwinov výber. Kritériom výberu nie sú gény, ale telá, ktorých tvary gény ovplyvňujú prostredníctvom procedúry DEVELOPEMENT. Agentom výberu je teda ľudské oko. Človek vyberá potomka, ktorý sa mu najviac páči.

Jednorodičovské biomorfy

Applet simulujúci jednoduchú mutáciu Dawkinsových biomorfov s implementáciou 9-tich základných génov a jeho zdrojové kódy.

Dvojrodičovské biomorfy

Popíšeme si teraz bližšie konkrétny program, vytvorený v Jave (prístupný je zdrojový kód), ktorý je v origináli na tejto stránke. V tomto programe na rozdiel od väčšiny ostatných programov tohto typu musíte vybrať v danej generácii dvoch rodičov (matku a otca), kliknutím na check-boxy pri dvoch z počiatočných ôsmych morfov. Potom kliknite na tlačidlo Reproduction a dostanete prvú generáciu potomkov, ktorých genómy sú kombináciami genómov dvoch zvolených rodičov. Samozrejme genómy týchto detí sú vzájomne odlišné vďaka kríženiu rodičovských génov a mutácii vlastných génov.

Takto pokračujte z generácie na generáciu a populácia morfov vám bude evolvovať pred očami. Je to demonštrácia rovnosti <reprodukcia + mutácia = evolúcia>.

K dispozícii je možnosť stlačenia tlačítka Clone, ktoré umožňuje klonovať zvoleného jedinca (t.j. vytvoriť osem kópií toho istého jedinca, líšiacich sa len jemne náhodnými mutáciami. Ak sa diverzita morfov príliš nezväčšuje, máte moľnosť tlačidlom Migrate získať osem nových morfov.

Parameters

Mutácie: máte možnosti voľby medzi none, low, medium or high mutation. Voľba sa prevedie double-clickom.

Transkripcia: možnosť zmeny spôsobu transkripcie génov. Najlepšie výsledky sa dosahujú s prednastavenými hodnotami a pevným poradím, ale môžete napr. vyskúšať náhodné poradie génov.

Genómy

Chromozómy týchto biomorfov sa skladajú z deviatich génov reprezentovaných písmenami. Prvých osem génov má hodnoty z intervalu A až M, posledný gén má hodnotu z I až N (možno teda zobraziť 4,894,384,326 rôznych morfov).

Stlačením tlačidla how Genome zobrazíte pod jedincom jeho genóm - sadu 9 písmen. Ľubovoľný genóm si môžte jednoducho cez clipboard (copy -> paste) uložiť do súboru a kedykoľvek chcete znova vidieť daného jedinca, vložíte ho ako text (paste) do jedinca (otca alebo matky) a spustíte jeho reprodukciu alebo klonovanie. Daný jedinec sa zobrazí aj so svojimi ôsmimi potomkami v ďalších ôsmych okienkach. Takýmto spôsobom dokážete vytvoriť rôznorodé tvary/tvory ako napr. tieto:

Orignal AIMBJMDGN	Bird LACEJBJGN	Lobster ALCGGEHMN	Earwig BLCGCBFAN	Fly CJLEGFCMN