Fitness krajina

V evoluční biologii se kondiční krajiny nebo adaptivní krajiny používají k vizualizaci vztahu mezi genotypy (nebo fenotypy) a reprodukčním úspěchem. Předpokládá se, že každý genotyp má dobře definovanou rychlost replikace (často označovanou jako kondice). Tato kondice je „výška“ krajiny. Genotypy, které jsou si velmi podobné, jsou si prý „blízké“, zatímco ty, které jsou velmi odlišné, jsou si navzájem „vzdálené“. Dva pojmy výška a vzdálenost jsou dostatečné k vytvoření konceptu „krajiny“. Soubor všech možných genotypů, jejich stupeň podobnosti a související hodnoty kondice se pak nazývají kondiční krajina.

V problémech evoluční optimalizace jsou fitness krajiny hodnocením fitness funkce pro všechna kandidátní řešení (viz níže).

Myšlenku studovat evoluci vizualizací rozložení fitness hodnot jako druh krajiny poprvé představil Sewall Wright v roce 1932.

Fitness krajiny v biologii

Fitness krajiny jsou často pojímány jako pohoří. Existují lokální vrcholy (body, ze kterých jsou všechny stezky sjízdné, tj. ke snížení kondice) a údolí (oblasti, ze kterých většina stezek vede do kopce). Fitness krajina s mnoha lokálními vrcholy obklopená hlubokými údolími se nazývá drsná. Pokud mají všechny genotypy stejnou rychlost replikace, na druhou stranu se říká, že fitness krajina je plochá. Tvary fitness krajin také úzce souvisejí s epistázou. Toto spojení zpřesnili v roce 2006 Niko Beerenwinkel, Lior Pachter a Bernd Sturmfels.

Vyvíjející se populace obvykle šplhá do kopce ve fitness krajině, sérií malých genetických změn, dokud není dosaženo lokálního optima (obr. 1). Tam zůstává, pokud vzácná mutace neotevře cestu k novému, vyššímu vrcholu kondice. Všimněte si však, že při vysoké míře mutace je tento obrázek poněkud zjednodušený. Populace nemusí být schopna vylézt velmi ostrý vrchol, pokud je míra mutace příliš vysoká, nebo se může vzdálit od vrcholu, který již našla. Proces vzdalování se od vrcholu je často označován jako Müllerova ratcheta.

Fitness krajiny v evoluční optimalizaci

Kromě oblasti evoluční biologie získal koncept fitness krajiny význam také v metodách evoluční optimalizace, jako jsou genetické algoritmy nebo evoluční strategie. V evoluční optimalizaci se člověk snaží řešit problémy reálného světa (např. inženýrské nebo logistické problémy) napodobováním dynamiky biologické evoluce. Například dodávkový vůz s množstvím cílových adres může jet po velké škále různých tras, ale jen velmi málo z nich bude mít za následek krátkou dobu jízdy. Aby bylo možné použít evoluční optimalizaci, je třeba definovat pro každé možné řešení zajímavého problému (tj. pro každou možnou trasu v případě dodávkového vozu), jak je to „dobré“. To se provádí zavedením funkce f(s) s hodnotou skaláru (skalár znamená, že f(s) je jednoduché číslo, například 0,3, zatímco s může být složitější objekt, například seznam cílových adres v případě dodávkového vozu), který se nazývá funkce fitness nebo fitness krajina. Vysoké f(s) znamená, že s je dobré řešení. V případě dodávkového vozu může být f(s) počet dodávek za hodinu na trase s. Nejlepší nebo alespoň velmi dobré řešení se pak najde následujícím způsobem. Zpočátku se vytvoří soubor náhodných řešení. Pak se řešení zmutují a vyberou pro ty s vyšší kondicí, dokud se nenajde uspokojivé řešení.

Techniky evoluční optimalizace jsou užitečné zejména v situacích, kdy je snadné určit kvalitu jednoho řešení, ale těžké projít všechna možná řešení jedno po druhém (je snadné určit dobu jízdy pro konkrétní trasu dodávkového vozu, ale je téměř nemožné zkontrolovat všechny možné trasy, jakmile počet destinací vzroste na více než hrstku).

Koncept skalární hodnoty fitness funkce f(s) také odpovídá konceptu potenciální nebo energetické funkce ve fyzice. Tyto dva koncepty se liší pouze do té míry, že fyzici tradičně uvažují ve smyslu minimalizace potenciální funkce, zatímco biologové preferují představu, že fitness je maximalizováno. Proto vynásobením potenciální funkce -1 se z ní stává fitness funkce a naopak.

Obrázek 1: Náčrt fitness krajiny. Šipky označují preferovaný tok populace na krajině a body A, B a C jsou lokální optima. Červená koule označuje populaci, která se pohybuje od velmi nízké fitness hodnoty k vrcholu vrcholu. Ilustrace C.O. Wilke, 2001.