Интеллектуальные информационные технологии и системы - генетические алгоритмы

1. Генетические алгоритмы

В основе генетических алгоритмов лежат генетика и хромосомная теория эволюции организмов. Хромосомы – это нитевидные структуры, находящиеся в клеточном ядре, которые являются носителями наследственности. Каждая хромосома уникальна морфологически и генетически и не может быть заменена другой либо восстановлена при утере (при потере хромосомы клетка,

как правило, погибает). Каждый биологический вид имеет определённое, постоянное количество хромосом. Каждая клетка содержит удвоенный набор морфологически и генетически сходных хромосом. Например, в клетках человека содержится 23 пары хромосом, в клетках комара – 3.

На процесс наследования признаков существенно влияет поведение хромосом при делении клеток. Существует митозное и мейозное деление клеток. Митозное деление обеспечивает распределение исходных хромосом и будут между двумя образующимися дочерними клетками, которые будут иметь равноценные наборы хромосом и будут очень похожи друг на друга. При этом происходит редупликация исходных хромосом, вследствие чего к моменту деления клетки каждая хромосома состоит из двух копий исходной материнской хромосомы – сестринских хроматид.

Во время мейоза происходит два последовательных деления: редукционное и эквационное. Мейоз приводит к образованию клеток, у которых число хромосом вдвое меньше по сравнению с исходной клеткой.

В фазе редукции хроматиды обмениваются генами, т.е. участками дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). После этого клетка разделяется на две новые, причём каждая из них содержит удвоенный набор хромосом, структуры которых отличаются от исходных. Механизм обмена генами называется кроссинговером.

В результате эквационного деления из двух получившихся клеток образуются четыре клетки, каждая из которых содержит одиночный набор хромосом.

Таким образом, митоз обеспечивает возобновление клеток, а мейоз отвечает за передачу наследственной информации и способствует генетическому разнообразию организмов данного вида.

Классическая генетика обосновала наследственность и изменчивость благодаря созданию фундаментальной теории гена, основные положения которой формулируются следующим образом:

· Все признаки организма определяются наборами генов;

· Гены - это элементарные единицы наследственной информации, которые находятся в хромосомах;

· Гены могут изменяться – мутировать;

· Мутации отдельных генов приводят к изменению отдельных элементарных признаков организма, или фенов.

Ген определяется как структурная единица наследственной информации, далее неделимая в функциональном отношении. Он представляет собой участок молекулы ДНК, на котором сохраняется постоянный порядок следования пар нуклеотидов. Комплекс генов, содержащихся в наборе хромосом одного организма, образует геном. Роль молекул ДНК, обладающих уникальной способностью к самовоспроизведению, заключается в хранении и передаче генетической информации последующим поколениям.

В задачах поиска оптимальных решений каждое решение из множества возможных можно представить набором информации , который может быть изменён путём введения в него элементов другого решения. Другими словами, возможные решения соответствуют хромосомам, состоящим из генов, причём в ходе оптимизации происходит обмен генами между хромосомами (рекомбинация). При построении генетических алгоритмов важен выбор принципа генетической рекомбинации. Существует несколько типов перераспределения наследственных факторов:

1. рекомбинация хромосомных и нехромосомных генов;

2. рекомбинация целевых негомологических хромосом;

3. рекомбинация участков хромосом, представленных непрерывными молекулами ДНК.

Для построения генетических алгоритмов наибольший интерес представляет третий тип рекомбинации, который используется для накопления в конечном решении лучших функциональных признаков, какие имелись в наборе исходных решений. Существует несколько типов рекомбинации участков хромосом: кроссинговер, сайт, иллегальная рекомбинация.

Кроссинговер соответствует регулярной рекомбинации, при которой происходит обмен определёнными участками между гомологичными хромосомами. Он приводит к появлению нового сочетания сцепленных генов.

Сайт – это вид рекомбинации, при которой на коротких специализированных участках хромосом происходит обмен генофоров (генных носителей), часто различных по объёму и составу генетической информации.

Иллегальная рекомбинация допускает негомологичные обмены, к которым относятся транслокации, инверсии и случаи неравного кроссинговера. Такие способы могут оказаться полезными при генерации новых решений.

В генетических алгоритмах наибольшее распространение получила операция кроссинговера, заключающаяся в разрыве гомологических хроматид с последующим соединением их в новом сочетании.

Основная цель кроссинговера заключается в создании из имеющегося генетического материала желаемой комбинации признаков в одном решении.

Помимо кроссинговера для решения различных прикладных задач полезными являются такие генетические операции, как мутация, инверсия, транслокация, селекция (инбридинг и гибридизация),генная инженерия.

Под мутацией понимается генетическое изменение, приводящее к качественно новому проявлению основных свойств генетического материала: дискретности, непрерывности или линейности. Свойство дискретности позволяет выделить в исходном генетическом материале отдельные фрагменты, контролирующие те или иные функции. Непрерывность означает, что определённые комбинации генов совместно контролируют некоторую функцию. Линейность проявляется в определённой последовательности генов в пределах группы сцепления.

Процессы мутации ведут к получению более разнообразного генетического материала. В связи с этим применение операции мутации в генетических алгоритмах направлено на получение решений, которые не могут быть улучшены качественно посредством кроссинговера.

Инверсия, транцлокация, транспозиция, делеция и дупликация относятся к разновидностям хромосомной мутации. При инверсии участок хромосомы поворачивается на 1800. транслокацией называют перенос части одной хромосомы в другую. При перемещении небольших участков генетического материала в пределах одной хромосомы используют термин транспозиция. Делеция – это выпадение отдельных участков хромосом, дупликация – повторение участка генетического материала. Кроме перечисленных, существуют другие разновидности хромосомных мутаций.

Селекция представляет собой форму искусственного отбора, который может быть массовым или индивидуальным. Установлено, что массовый отбор по фенотипу (совокупности всех внешних и внутренних признаков) менее эффективен, чем индивидуальный, когда популяцию делят на отдельные линии, а для размножения выбирают носителей желаемых свойств. Применение процедуры селекции в генетических алгоритмах оптимизации способствует ускорению процесса синтеза искомого решения.

Генная инженерия представляет собой совокупность методов для получения рекомбинантной ДНК и операции над нею. Рекомбинантная ДНК получается путём объединения фрагментов ДНК различных организмов. Использование подходов генной инженерии позволяет в ряде задач значительно быстрее находить желаемое решение.

 Скачать реферат