1. Эволюционные процессы в природе

Теория Дарвина биологической эволюции была изложена в 1859 г. в работе «Происхождение видов». Она рассматривает изменение популяции биологических видов для наилучшего приспособления к окружающей среде. В основе модели эволюции Дарвина лежат случайные изменения отдельных материальных элементов живого организма при переходе от поколения к поколению. Целесообразные изменения, которые облегчают выживание и производство потомков в данной конкретной внешней среде, сохраняются и передаются потомству (т.е. наследуются). Особи, не имеющие соответствующих характеристик, погибают, не оставив потомства или оставив его меньше, чем приспособленные (считается, что количество потомства пропорционально степени приспособленности).

Все члены популяции характеризуются индивидуальными внешними параметрами (фенотипом).

Некоторые из параметров оказываются полезными для выживания и размножения, другие скорее вредят. В каждой клетке любого живого организма содержится вся генетическая информация этой особи (генотип). Эта информация записана в виде набора очень длинных молекул ДНК (ДезоксирибоНуклеиновая Кислота). Каждая молекула ДНК - это цепочка, состоящая из молекул нуклеотидов четырех типов, обозначаемых А, T, C и G. Собственно, информацию несет порядок следования нуклеотидов в ДНК. Таким образом, генетический код индивидуума - это очень длинная строка символов, где используются 4 буквы. В клетке каждая молекула ДНК окружена оболочкой - такое образование называется хромосомой.

Каждое врожденное качество особи (цвет глаз, наследственные болезни, тип волос и т.д.) кодируется определенной частью хромосомы, которая называется геном этого свойства. Например, ген цвета глаз содержит информацию, кодирующую определенный цвет глаз. Различные значения гена называются его аллелями.

При размножении особей происходит слияние двух родительских половых клеток и их ДНК взаимодействуют, образуя ДНК потомка. Основной способ взаимодействия - кроссинговер (crossing over, скрещивание). При кроссинговере ДНК предков делятся на две части и обмениваются своими половинками.

Основной механизм эволюции - это естественный отбор. Он происходит в условиях конкуренции особей популяции, а иногда и различных видов, друг с другом за различные ресурсы, такие, например, как пища или вода. Кроме того, члены популяции одного вида часто конкурируют в привлечении брачного партнера. Те особи, которые наиболее приспособлены к окружающим условиям, проживут дольше и создадут более многочисленное потомство, чем их собратья. Это означает, что гены от более адаптированных особей будут распространяться в увеличивающемся количестве потомков на каждом последующем поколении. Некоторые потомки совместят в себе части цепи ДНК, отвечающие за наиболее удачные качества родителей, и, таким образом, окажутся еще более приспособленными. В итоге генотип слабо приспособленных особей с большой вероятностью исчезнет из генофонда популяции.

Изредка, из-за влияний окружающей среды, происходит мутация: некоторый случайный нуклеотид цепи ДНК особи может измениться на другой. Если полученная цепь будет использоваться для создания потомства, то возможно появление у потомков совершенно новых качеств. Если эти новые качества полезны, они, скорее всего, сохранятся в данном виде - при этом произойдет повышение приспособленности вида.

Естественный отбор, кроссинговер и мутация обеспечивают развитие популяции. Каждое новое поколение в среднем более приспособлено, чем предыдущее, т.е. оно лучше удовлетворяет требованиям окружающей среды.

Генетические алгоритмы моделируют процесс эволюции в природе. Тем самым для решения задачи оптимизации многопараметрической функции и применяется теория Дарвина.