Prírodou inšpirované algoritmy

Úvod

PRED NECELÝMI 150 ROKMI anglický prírodovedec Charles Darwin šokoval svet knihou, v ktorej hlásal myšlienku, že ľudia a opice sú príbuzní. V súčasnosti tvorí Darwinova myšlienka základ evolučnej teórie. Názor, že vyše 2 milióny rozličných druhov, ktoré dnes obývajú Zem, sú výsledkom evolučného procesu, je značne rozšírený. Slovo evolúcia znamená vývoj a používa sa pri opise procesu vývoja všetkých organizmov za dlhý čas. Teória má tri hlavné časti. Prvá sa týka premenlivosti: živé organizmy sa líšia veľkosťou, tvarom, farbou a silou, čiže neexistujú dva úplne rovnaké jedince. Druhá časť teórie hovorí, že schopnosť premenlivosti dáva organizmu možnosť prispôsobiť sa prostrediu, a tým prežiť a ďalej sa rozmnožovať. Niektoré živočíchy alebo rastliny sú schopné lepšie sa prispôsobiť (adaptovať), napríklad zmenou tvaru či farby, a vďaka tomu majú väčšiu nádej na prežitie. Darwin zistil, že organizmy majú vždy väčší počet potomkov (nadprodukcia), ako je nevyhnutné na udržanie populácie, a že aj v rámci toho istého druhu existujú medzi jednotlivcami rozdiely. Tvrdil, že pri súperení o partnera a o potravu najlepšie obstoja a prežijú jedince (a svoje vlastnosti odovzdajú aj potomkom), ktoré sa najlepšie vedia prispôsobiť svojmu prostrediu. Tretia časť teórie sa týka dedičnosti. Schopnosť adaptácie sa môže preniesť na potomkov - môžu ju zdediť. Aj potomkovia potom majú väčšiu nádej na prežitie. Rastlinám a živočíchom, ktoré sa postupne počas mnohých generácií lepšie prispôsobili, sa darí, kým horšie prispôsobené naopak hynú.

Charles R. Darwin (1809-1882) vysvetlil svoju evolučnú teóriu v knihe O pôvode druhov,ktorá vyšla roku 1859. Mnohí z jeho súčasníkov sa vysmievali z myšlienky o príbuznosti ľudí a zvierat. Svedčí o tom dobová karikatúra, zobrazujúca Darwina ako opicu.

Samotného Darwina na princípy jeho teórie priviedlo uvažovanie o šľachtiteľských úspechoch pestovateľov rastlín a chovateľov domácich zvierat. Nebudem sa tu zaoberať záhradkárstvom, aj keď poskytuje jeden veľmi silný dôkaz v prospech evolúcie: mnohé sorty ušľachtilého ovocia sa množia iba odrezkami (očkovaním a štepením), takže bez zásahu človeka by sa ich ušľachtilosť stratila, lebo by sa samé nemohli ani len množiť.

Medzi plemenami jedného druhu sú nápadné anatomické rozdiely. Porovnajte len pudlíka s chrtom na jednej strane a vlka s kojotom na strane druhej.

"Jednou z prvých vecí, ktorá nás zarazí pri pohľade na jednotlivcov tej istej odrody alebo pododrody našich oddávna pestovaných rastlín alebo zvierat, je práve to, že sa obvykle líšia od seba navzájom viac než ktorékoľvek druhy alebo odrody vo volnej prírode."(O pôvode druhov 1859)

Rôznorodosť rastlinných a živočíšnych druhov privádza ľudí do extázy práve tým, že sú vynikajúco prispôsobené svojmu prostrediu (do ktorého treba zarátať, pochopiteľne, aj iné rastliny a zvieratá). Darwin si však na šľachtených rastlinách a domácich plemenách zvierat všimol, že sú prispôsobené akurát človeku, jeho vkusu, záujmom, či potrebám. O tomto prispôsobovaní jestvujú genealogické doklady a zvyšok doplní tradícia. Jednoducho, nikto nepochybuje, že človek už veľmi dávno vypozoroval v plemenách zvierat, ktoré choval, rôzne odchýlky, a tie exempláre, ktoré sa mu z akéhokoľvek dôvodu páčili, si ponechával a ostatných sa zbavoval.

Možnosť dosiahnuť takúto zmenu u psov, holubov, či koní sa podľa Darwina opiera o tri faktory. Prvý z nich je celkom triviálny: potomkovia dedia vlastnosti svojich rodičov. Medzi potomkami sa však často vyskytujú odchýlky od vlastností rodičov, ktoré sa ďalej dedia. Príčinu tejto variability potomstva Darwin nepoznal, prijímal ju len ako potvrdený fakt. Tretím faktorom v domácom chove je zámerná selekcia: už spomínané ponechanie zaujímavej odchýlky v dalšom chove. A Darwin si položil zásadnú otázku: nemožno rovnako vysvetliť aj rozmanitosť všetkých rastlinných a živočíšnych druhov? Nemožno oko a ruku šľachtiteľa nahradiť nejakým faktorom prírody?

Tejto otázke hádam najlepšie rozumie každý, kto sa aspoň trochu zaoberal programovaním. V jazyku programátorov by sme preto mohli Darwinovu otázku sformulovať takto: Nejestvuje v prírode algoritmus, ktorý selekciu odchýlok vykonáva bez akéhokoľvek cieľa a zámeru? Nejestvuje algoritmus, ktorý takto vyberá jednotlivce prispôsobené svojmu prostrediu? Darwinova odpoveď bola kladná a hľadaný algoritmus dostal meno prirodzený výber.