Эволюции Ламарка, де Фриза, Поппера и синтетическая теория эволюции

Модель эволюции Ламарка. В 1809 г. Ж. Ламарк предложил, что все живые организмы целесообразно приспосабливаются к условиям среды. Причинами эволюции Ж.Ламарк (ламаркизм) считал стремление всех живых организмов к прогрессу, развитию от простого к сложному (учение о градации –уровень, ступень),а также целесообразные изменения организмов, направленные на приспособление их к внешним условиям. Прогрессивную эволюцию, появление форм, более сложных и совершенных, он объяснил «законом градаций» – стремлением живых существ усложнять свою структуру. Согласно ламаркизму предполагается, что живые организмы способны сами находить верное решение, как себя улучшить, и, более того, сами же способны свое решение осуществить.

Ж.Ламарк вывел два закона:

1) Упражнение органов приводит к их прогрессивному развитию. Неупражнение органов приводит к редукции.

2) Результаты упражнений и неупражнений органов при достаточной продолжительности воздействия закрепляются в наследственности организмов и далее передаются из поколения в поколение вне зависимости от вызвавших их воздействий среды.

Эволюция Ж.Ламарка является мощной концепцией искусственной эволюции, применимой в науке и технике, в частности, для построения интеллектуальных ИС и решения оптимизационных задач. На рис. 3.4. приведена условная упрощенная схема модели эволюции Ламарка.

Рис. 3.4. Условная упрощенная схема модели эволюции Ламарка

Модель эволюции де Фриза. В ее основе лежит моделирование социальных и географических катастроф, приводящих к резкому изменению видов и популяций. Де Фриз, а также Ян Лотси, У.Бетси, В.Гольдшмидт, В.Курдюм отклоняли интегрирующую роль естественного отбора, а в процессах появления мутаций видели непосредственно факторы видообразования. Они развили идеи сальтационизма, по которым основным путем происхождения видов служат внезапные скачки без предварительного накопления количественных изменений в процессах эволюции. Иногда такую эволюцию называют эволюцией катастроф. Он проявляется ориентировочно один раз в несколько тысячах поколений. Основная идея его состоит во внесении глобальных изменений в генофонд на момент катастрофы. Такую эволюцию называют эволюцией де Фриза. Появление видов путем внезапных скачков – это реальный процесс.

Согласно закону Гарди (равновесие популяции) и закону Пирсона (стабилизирующее скрещивание), если на популяцию не действуют внешние факторы, то закономерности популяции поддерживают наследственное строение в неизменном состоянии. На рис. 3.5. приведена условная упрощенная схема модели эволюции де Фриза.

Рис. 3.5. Условная упрощенная схема модели эволюции де Фриза

Мутационный процесс поставляет материал для эволюции, обладает своими собственными закономерностями, но не определяет закономерности эволюционного процесса.

Внешняя среда в конечном итоге определяет эволюцию, но не в простой форме связи между наследственной изменчивостью организмов и средой как в эволюции Ж.Ламарка, а в более сложной форме. Модернизированную схему (Н.Дубинин) эволюционного процесса с учетом эволюции де Фрика можно представить в виде схемы (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Модернизированный механизм эволюции Ламарка

Модель Поппера. К.Поппер предложил обобщенную эволюцию, интерпретированную в виде триады: дедуктивизм (лат. deductio— выведение — метод мышления, при котором новое положение выводится чисто логическим путем из предшествующих, вывод по правилам логики; цепь умозаключений (рассуждение), звенья которой (высказывания) связаны отношением логического следования.) – отбор – критическое устранение ошибок. Она излагается в виде 12 тезисов, основные из которых следующие:

· все ИС и ЕС решают проблемы;

· проблемы всегда решаются методом проб и ошибок;

· устранение ошибок может осуществляться либо путем полного устранения неудачных форм, либо в виде эволюции механизмов управлений, осуществляющих модификацию или подавление неудачных форм поведения или гипотез;

· популяция использует тот механизм управления, который выработался в процессе эволюции ее вида;

· популяция представляет собой «головной отряд» эволюционного вида к которому она принадлежит. Она сама является пробным решением, анализируемым в процессе эволюции, выбирающим окружающую среду и преобразующим ее;

· эволюционная последовательность событий представляется в виде схемы

F₁ → TS → EE → F₂,

где F₁ – исходная проблема, TS – пробные решения, EE – устранение ошибок, F₂ – новая проблема.

В отличие от эволюции Ч.Дарвина, где существует одна проблема – выживания сильнейших, в эволюции К.Поппера существуют и другие проблемы: воспроизводство, избавление от лишнего потомства и т.д. Здесь важное значение имеет отличие F₁от F₂, что как-то объясняет творческую интеллектуальную эволюцию.

Существует мнение, что информация не входит в ИС и ЕС из окружающей среды, а ИС и ЕС исследуют окружающую среду и активно получают из нее информацию. Знания при этом – это любые формы приспособления или адаптации ИС или ЕС к условиям окружающей среды. Причем знание имее характер ожидания. Всякое знание есть результат пробы и устранения ошибок – плохо приспособленных гипотез, адаптации, элементов.

Процесс выбора лучшей индивидуальности в эволюции К.Поппера может являться процессом отбора (селекции), а отбор из некоторого множества случайных событий не обязан быть случайным. Он также предполагает триаду миров:

· мир физических вещей (модели эволюции);

· мир индивидуального мышления (знания, модели, оптимизационные задачи);

· мир объективного содержания мышления (популяция альтернативных решений).

В концепции К.Поппера эволюция рассматривается как развивающаяся иерархическая система гибких механизмов управления, в которых мутация интерпретируется как метод случайных проб и ошибок, а отбор – как один из способов управления с помощью устранения ошибок.

Итак, в эволюции К.Поппера процесс слепой изменчивости и избирательного сохранения лежит в основе прироста знания, возрастания приспособленности к внешней среде. В этом процессе выделяются три основные части:

· механизмы изменчивости;

· согласованные процессы отбора;

· механизмы сохранения или распространения отобранных вариантов.

Этим механизмам присущи противоречия и между ними необходимо устанавливать гомеостаз. Процессы, позволяющие сокращать случайную изменчивость, сами являются результатом индукции, так как сохраняют и используют знания о внешней среде. На рис. 1.7. приведена условная упрощенная схема модели эволюции Поппера.

Модель синтетической эволюции. Эволюция Дарвина на основе естественного отбора на каждой из своих ступеней создает все новые условия генотипической среды. Дарвин говорил лишь о категории неопределенной изменчивости. В настоящее время ее подразделяют на мутационную и комбинационную или комбинативную.

С момента разделения изменчивости на две категории возникают предпосылки для создания новой, синтетической, теории эволюции. Суть ее в следующем: вновь образующиеся изменения генов, а также появляющиеся при этом в результате скрещивания комбинации генов подвергаются отбору под воздействием факторов внешней среды.

Рис. 3.7. Условная упрощенная схема модели эволюции Поппера

Основные положения синтетической теории эволюции согласно Н.Дубинину следующие:

· эволюция невозможна без адаптации организмов к условиям внешней среды;

· естественный отбор, опираясь на процессы генетики популяций, создает сложные генетические системы. Их модификации закрепляются стабилизирующим отбором;

· в популяциях наследственная изменчивость имеет массовый характер;

· наиболее приспособленные особи оставляют большое количество потомков;

· реальным полем эволюции являются интегрированные генетические системы;

· виды происходят путем эволюции популяций. Источником этой эволюции служат постоянная интеграция генотипов или появление макромутаций (внезапное видообразование).

Полная модифицированная схема синтетической теории эволюции показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Полная схема механизма эволюционного процесса

Процессы, происходящие при реализации синтетической теории эволюции по Н.Дубинину, включают:

· случайные колебания численности отдельных популяций;

· периодические колебания численности популяции;

· скачкообразные колебания численности популяции;

· колебания численности популяций, обусловленные процессом миграции.

Эволюционный процесс связан с двумя типами адаптаций. Один тип адаптации основан на выработке приспособлений к тем условиям внешней среды, в которых вид существует в настоящее время. Другой тип адаптации связан с выработкой таких особенностей в структуре, которые должны обеспечить его соревнование с другими видами во времени.

Основная задача синтетической теории эволюции – определение природы противоречий или постепенной эволюции, т.е. разных форм противоречий между наследственностью и постоянно меняющимися потребностями в приспособлении.

В ЕС можно выделить пять видов эволюции:

1. синтетическая теория эволюции (модифицированные эволюции Ч.Дарвина, Ж.Ламарка, де Фриза);

2. ламаркизм или эволюция Ж.Ламарка (адекватное унаследование влияния факторов среды);

3. сальтационизм (эволюция де Фриза, сведение эволюции только к скачкам);

4. номогенез (действие специальных внутренних факторов, обеспечивающих генетическое развитие);

5. прогрессивная эволюция.

Эволюция Ч.Дарвина частично объясняет прогрессивную эволюцию. Сложные высокоорганизованные формы побеждают в жизненной борьбе более простые не потому, что они более сложные, а потому, что они лучше приспособлены к окружающим условиям.

Кардинальное положение синтетической теории эволюции – признание стохастичности процессов мутаций и больших резервов рекомбинационной изменчивости. Условия внешней среды – не только факторы исключения неприспособленности особей, но и формирующие особенности самой синтетической теории эволюции. В этой связи в эволюции ЕС и ИС важное значение имеет объединение всех видов и форм эволюции в синтетической теории эволюции.

Эволюция сложных систем

Согласно концепции общей теории систем сложность – это совокупность огромного числа различных объектов, функционирующих вместе и взаимодействующих непростым способом. Сложность есть взаимодействие, более того, взаимозависимость, т.е. поведение одного или нескольких элементов воздействует на поведение других элементов. Сложность зависит не только от взаимозависимости, но и от числа взаимодействующих компонентов.

Для моделирования выгоднее рассматривать систему как упорядоченную совокупность объектов, которые в процессе взаимодействия друг с другом обеспечивают функционирование системы как единого целого. На системном уровне при решении ряда задач сложную систему можно рассматривать как дискретную, т.е. состоящую из отдельных элементов (подсистем), взаимодействующих между собой в определенные моменты времени.

Все сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени, при этом во многих случаях сложная система оказывается результатом развития работающей простой системы. В результате взаимодействия отдельных частей системы возникают новые свойства, не присущие этим частям в отдельности. На эти процессы оказывает влияние и среда, которая не является статически целостной, а динамична, так как подвержена внешним и внутренним возмущениям.

В качестве общих свойств сложных динамических систем можно назвать следующие:

· эволюционность развития;

· неравновесность, проявляющаяся в постоянном обмене с внешней средой энергией и информацией;

· самоорганизация и самовоспроизведение;

· нарушение законов симметрии.

Первым серьезным вкладом в изучение эволюции является теория Дарвина, согласно которой в результате флуктуаций (мутаций), происходящих под воздействием внешней среды и естественного отбора, производимого также внешней средой, происходит зарождение новых структур в живой природе. Появившиеся новые работы в области эволюции показали, что ведущая роль в эволюции принадлежит не внешней среде, а внутренним процессам системы. В этих работах определен важный принцип эволюции, заключающийся в увеличении информации, содержащейся в вышестоящих эволюционных структурах. Иными словами, процесс эволюции есть процесс увеличения сложности.

Становление сложной динамики, обусловливающей свойства сложных систем, можно определить следующим образом. Особенность сложных систем – появление новых ветвей решений в результате бифуркации (разделении на две ветви), происходящей вследствие потери устойчивости стандартного состояния, вызванной нелинейностями. Таким образом, нелинейная система за счет бифуркации имеет возможность множественного выбора. Выбор одной из ветвей решения осуществляется с помощью флуктуаций (от лат. fluctuatio – колебание, случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), имеющих место в диссипативных (лат. dissipatio – рассеяние) системах. Возможность реализации только одной ветви решения и неосуществимость состояний, связанных с другой ветвью, приводит к пространственной или временной асимметрии. Нарушенная симметрия играет роль «устройства» отбора развивающихся структур.

Таким образом, несмотря на существование различных концепций сложных систем и отсутствие общепризнанного определения этого понятия, анализ свидетельствует о наличии у сложных систем разной природы общих характерных признаков. При этом феномен сложности во всех случаях связан с эволюцией системы.

Рассматривая, в качестве примерна, развитие производственных систем как класса сложных систем в координатах «степень неопределенности» и «разнообразие», можно получить картину эволюции этих систем от достаточно простых к сложным (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Процесс эволюции производственных систем

На рис. 3.9 приведены лишь часть этапов развития современных производственных систем. В левом нижнем углу расположены автоматические линии, достаточно однородные по составляющим их элементам и работающие в хорошо определенных условиях. Более сложными и более эффективными являются гибкие технологические модули, состав которых уже достаточно разнороден – станки, роботы, системы числового управления. Далее идут гибкие производственные системы, в которые помимо основного оборудования входят складское, транспортное, системы планирования и управления, локальная сеть ЭВМ и т.п. Их функционирование имеет гораздо более стохастичн\еский характер, чем у предшествующих системах и протекает в условиях отсутствия полной и точной информации как о внешней среде, так и о процессах, протекающих в ней.

Таким образом, производство эволюционирует как сложная система. Следовательно, можно считать, что свойство эволюции является наиболее глобальным для сложных производственных систем, аккумулирующем в себе другие более частные свойства сложных систем.

Учитывая сложность производственных систем, мы увеличиваем их эффективность за счет получения таких свойств системы, которыми не обладают ее составляющие части (эффект эмерджентности).

Компьютерное интегрированное производство представляет собой еще более сложную систему, чем гибкие производственные системы, включая в свой состав системы проектирования, автоматизированной подготовки производства, локальную вычислительную сеть, систему информационной поддержки жизненного цикла изделий и т.д. Дальнейшее развитие производства как организации ведет от компьютерного интегрированного производства к таким видам производства, как виртуальные.

Абстрактное описание сложной производственной системы и процессов в ней могут получаться с использованием различного математического аппарата. Однако по мере приближения к границе хаоса (рис. 1.4) сложность взаимодействия подсистем возрастает настолько, что лишь имитационное моделирование позволяет получать результаты, удовлетворительные с точки зрения решения задачи анализа и управления.

Аналогичную картину можно наблюдать, если рассмотрим, например, развитие информационных систем (рис. 3.10). Здесь, как и в случае производственных систем, можно наблюдать, как в процессе эволюции образуются более сложные системы, которые никто и никогда целенаправленно не проектировал и не создавал. Так не существует организации или корпорации, которая поставила своей целью создание INTERNET и осуществила данный проект.

Рис. 3.10. Процесс эволюции информационных систем

Всемирная сеть появилась в процессе эволюции информационных систем. При этом следует отметить, что она функционирует на грани хаоса (в условиях большой неопределенности и непредсказуемости), но, тем не менее, миллионы пользователей ежеминутно успешно работают в данной системе. Она продолжает развиваться по некоторым законам аналогичным биологическим, так как между органическим миром, созданным природой, и миром, создаваемым человеком, существует много общего.

Законы эволюции являются общими для живого и неживого в природе. Это относится не только к сходству в структуре и функционировании, но также и к вопросам управления и принятия решений в сложных системах различной природы. Сложная природа, возникшая эволюционным путем, не может управляться каким-либо единым центром управления. Она требует распределенной системы управления, в которой существует большое число локальных подсистем управления, принимающих самостоятельные решения на основе знаний и механизмов логического вывода. Данные подсистемы образуют некоторое сообщество, в котором они объединяются общими целями и используют общее множество ограниченных ресурсов для достижения этих целей. Все это способствует возникновению и развитию многоагентных систем и интеллектуальных организаций.

С развитием человеческой цивилизации число таких систем постоянно растет. При этом возникает большое число общесистемных задач, связанных со спецификой сложных систем с эволюцией, управлением, обеспечением устойчивости их функционирования, повышением эффективности их работы и т.д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: