به دنبال تکامل…

3 هفته پیش

به دنبال تکامل…

بسیاری از دانشمندان و اندیشمندان، میل به تکامل را مهترین عامل پیشرفت دستگاه آفرینش و انسان می‌دانند. از این دیدگاه هر پدیده‌ای را که بنگرید، یک مسأله جستجوست. انسان همواره می‌کوشد تا به تکامل برسد، از این رو می‌اندیشد، می‌پژوهد، می‌کاود، می‌سازد، می‌نگارد و همواره می‌کوشد تا باقی بماند. حتی می‌‌توان گفت که میل به زادن فرزند، گامی در برآوردن این نیاز و البته دیگر جانداران است. می‌توان این تلاش در راه رسیدن به تکامل را یک مسألۀ جستجو تعبیر کرد.

کوشش یک مؤسسه اقتصادی یا تولیدی –که تابعی برای تبدیل داده‌ها به ستادهاست- برای کمینه کردن هزینه‌ها و بیشینه کردن سود، یک مسألۀ جستجو است. تلاش یک سپاه در حال جنگ، برای وارد کرد بیشترین خسارات بر دشمن با از دست دادن کمترین نیرو و جنگ‌افزار، یا کوشش یک دانش‌آموز برای دست یافتن به بالاترین نمره، سعی یک موسیقیدان یا نگارگر برای خلق زیباترین اثر هنری، تلاش یک کاندیدا برای به دست آوردن بیشترین رأی، طراحی یک نجّار برای ساختن راحت‌ترین صندلی، تلاش و نقشه چینی ورزشکاران و مربّیان برای یافتن راه‌های پیروزی بر حریف و… همگی جستجویی در فضای یک مسأله برای یافتن نقاط یا ناحیه بهینگی (بیشینه یا کمینه) هستند و همین امر موجب پیشرفت تمدن و آفرینش شده است.

در دانش کامپیوتر و فناوری  اطلاعات هم «جستجو» یکی از مهمترین مسائل است. تنها کافیست که حجم اطلاعات قرار گرفته بر حافظه‌های گوناگون و اینترنت را در نظر بگیریم تا جایگاه ویژه آن را دریابیم.

تاکنون روشهای بسیاری توسط طراحان الگوریتم‌ها برای انجام جستجو بر داده‌های دیجیتالی ارائه شده است. روش‌هایی به نام جستجوی سریع و جستجوی دودویی، از ساده‌ترین الگوریتم‌هایی هستند که دانشجویان گرایش‌های مهندسی کامپیوتر در نخستین سال‌های دوره کارشناسی فرا می‌گیرند، امّا این الگوریتم‌ها شاید، هنگامی که با حجمی گسترده از داده‌ها روبرو شوند، کارایی ندارند و حتی الگوریتم‌های پیشرفته‌تر مانند جستجوی بازپخت شبیه‌سازی شده و الگوریتم عمیق‌شوندۀ‌ تکراری نیز در هنگام رویارویی با مسائل ابرفضا  از یافتن راه‌حل یا ناحیه‌های دلخواه در می‌مانند. در این میان یک روش جادویی وجود وجود دارد که مسائل بزرگ را به سادگی و به گونه‌ای شگفت‌انگیز حل می‌کند و آن «الگوریتم ژنتیک»  است. ناگفته پیداست که واژۀ «الگوریتم ژنتیک» از دو واژۀ «الگوریتم»  و «ژنتیک» تشکیل شده است که خود مبیّن این مطلب است که این روش از دو علم ریاضی و زیست‌شناسی برای حل مسائل کمک می‌گیرد.

الگوریتم‌ژنتیک بر خلاف دیگر روش‌های جستجو، که توسط طراحان نگاشته می‌شوند، در حقیقت به دست دستگاه آفرینش پدید آمده، و پس از شناخت نسبی دانشمندان از این روش به صورت مسأله‌ای ریاضی فرموله شده و وارد دانش مهندسی کامپیوتر و دیگر علوم مرتبط گردیده است. در یکی دو دهه گذشته که این الگوریتم در علوم مهندسی بکار گرفته شده، ناباورانه چنان دست‌آوردها و نتایج شگفت‌انگیزی داشته که نگاه بسیاری از دانش‌پژوهان علوم گوناگون فنی‌مهندسی را به خود جلب کرده است.

 ایدۀ اصلی استفاده از الگوریتم ژنتیک

در دهه ۷۰ میلادی دانشمندی از دانشگاه میشیگان به نام «جان هلند» ایده استفاده از الگوریتم ژنتیک را در بهینه‌سازی‌های مهندسی مطرح کرد. ایده اساسی این الگوریتم انتقال خصوصیات موروثی توسط ژن‌هاست. (ژنها قطعاتی از یک کروموزوم هستند که اطلاعات مورد نیاز برای یک مولکول DNA یا یک پلی پپتید را دارند. علاوه بر ژنها، انواع مختلفی از توالی‌های مختلف تنظیمی در روی کروموزوم‌ها وجود دارد که در همانندسازی، رونویسی و… شرکت دارند.

(. فرض کنید مجموعه خصوصیات انسان توسط کروموزوم‌های او به نسل بعدی منتقل می‌شوند. هر ژن در این کروموزوم‌ها نماینده یک خصوصیت است. بعنوان مثال ژن ۱ می‌تواند رنگ چشم باشد، ژن ۲ طول قد، ژن ۳ رنگ مو و الی آخر. حال اگر این کروموزوم به تمامی، به نسل بعد انتقال یابد، تمامی خصوصیات نسل بعدی شبیه به خصوصیات نسل قبل خواهد بود. بَدیهیست که در عمل چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. در واقع بصورت همزمان دو اتفاق برای کروموزوم‌ها می‌افتد.

اتّفاق اول موتاسیون(جهش)  است. موتاسیون به این صورت است که بعضی ژن‌ها بصورت کاملاً تصادفی تغییر می‌کنند. البته تعداد اینگونه ژن‌ها بسیار کم می‌باشد اما در هر حال این تغییر تصادفی همانگونه که پیشتر دیدیم بسیار مهم است. مثلاً ژن رنگ چشم می‌تواند بصورت تصادفی باعث شود تا در نسل بعدی یک نفر دارای چشمان سبز باشد، در حالی که تمامی نسل قبل دارای چشم قهوه‌ای بوده‌اند. علاوه بر موتاسیون اتفاق دیگری که می‌افتد و البته این اتفاق به تعداد بسیار بیشتری نسبت به موتاسیون رخ می‌دهد چسبیدن ابتدای یک کروموزوم به انتهای یک کروموزوم دیگر است. این همان چیزیست که مثلاً باعث می‌شود تا فرزند تعدادی از خصوصیات پدر و تعدادی از خصوصیات مادر را با هم به ارث ببرد و از شبیه شدن تام فرزند به تنها یکی از والدین جلوگیری می‌کند.

حال می‌توانیم اینگونه بیان کنیم که: الگوریتم ژنتیک ابزاری می‌باشد که توسط آن ماشین می‌تواند مکانیزم انتخاب طبیعی را شبیه سازی نماید. این عمل با جستجو در فضای مسأله جهت یافتن جواب برتر و نه الزاماً بهینه صورت می‌پذیرد. الگوریتم ژنتیک را می‌توان یک روش جستجوی کلّی نامید که از قوانین تکامل بیولوژیک طبیعی تقلید می کند.در واقع الگوریتم‌های ژنتیک از اصول انتخاب طبیعی داروین برای یافتن فرمول بهینه جهت پیش‌بینی یا تطبیق الگو استفاده می‌کنند. الگوریتم‌های ژنتیک اغلب گزینه خوبی برای تکنیک‌های پیش‌بینی بر مبنای رگرسیون هستند.

 

 درباره علم ژنتیک

ژنتیک یا ژن‌شناسی بخشی از دانش زیست‌شناسی است که به وراثت و تفاوت‌های جانداران می‌پردازد. بوسیله قوانین و مفاهیم موجود در این علم می‌توانیم به تشابه یا عدم تشابه دو موجود نسبت به یکدیگر پی ببریم و بدانیم که چطور و چرا چنین تشابه و یا عدم تشابه در داخل یک جامعه گیاهی و یا جامعه جانوری، بوجود آمده‌است. علم ژنتیک علم انتقال اطلاعات زیست‌شناسی از یک سلول به سلول دیگر، از والد به نوزاد و بنابراین از یک نسل به نسل بعد است. ژنتیک با چگونگی این انتقالات که مبنای اختلالات و تشابهات موجود در ارگانیسم‌هاست، سروکار دارد. علم ژنتیک در مورد سرشت فیزیکی و شیمیایی این اطلاعات نیز صحبت می‌کند.

علم زیست‌شناسی، هرچند به صورت توصیفی از قدیمی‌ترین علومی بوده که بشر به آن توجه داشته‌است اما از حدود یک قرن پیش این علم وارد مرحله جدیدی شد که بعداً آن را ژنتیک نامیده‌اند و این امر انقلابی در علم زیست‌شناسی بوجود آورد. در قرن هجدهم، عده‌ای از پژوهشگران بر آن شدند که نحوه انتقال صفات ارثی را از نسلی به نسل دیگر بررسی کنند. ولی به دو دلیل مهم که یکی عدم انتخاب صفات مناسب و دیگری نداشتن اطلاعات کافی در زمینه ریاضیات بود، به نتیجه‌ای نرسیدند.

 

تاریخچۀ علم ژنتیک

اوّلین کسی که توانست قوانین حاکم بر انتقال صفات ارثی را شناسایی کند، کشیشی اتریشی به نام «گریگور مندل» بود که در سال ۱۸۶۵ این قوانین را که حاصل آزمایشاتش روی گیاه نخودفرنگی بود، ارائه کرد. وی با ترکیب نژادهای گوناگون، نتایجی در مورد اثر متقابل خصوصیات به دست آورد. به عنوان مثال وقتی که گیاهان بلند را با گیاهان کوتاه ترکیب می‌کرد، بدون توجّه به اینکه کدامیک، گرده را اهداء کرده، فرزندان همه بلند می‌شدند.

«مندل» نتیجه گرفت که خاصیت گیاه بلند (یا همان ژن که بعدها شناخته شد) پیروز شده و خاصیت گیاه کوتاه کنار گذاشته شده است. اما متأسفانه جامعۀ علمی آن دوران به دیدگاه‌ها و کشفیات او اهمیّت چندانی نداد و نتایج کارهای «مندل» به دست فراموشی سپرده شد. در سال ۱۹۰۰ میلادی کشف مجدّدِ قوانین ارائه شده از سوی «مندل»، توسط «درویس»، «شرماک» و «کورنز» باعث شد که نظریات او مورد توجه و قبول قرار گرفته و «مندل» به عنوان پدر علم ژنتیک شناخته شود.

در سال ۱۹۵۳ با کشف ساختمان جایگاه ژن‌ها از سوی «جیمز واتسون» و «فرانسیس کریک»، رشته‌ای جدید در علم زیست‌شناسی بوجود آمد که زیست‌شناسی مولکولی نام گرفت. با حدود گذشت یک قرن از کشفیات «مندل» در خلال سال‌های ۱۹۷۱ و ۱۹۷۳ در رشته زیست‌شناسی مولکولی و ژنتیک که اوّلی به برّرسی ساختمان و مکانیسم عمل ژن‌ها و دوّمی به برّرسی بیماری‌های ژنتیک و پیدا کردن درمانی برای آنها می‌پرداخت، ادغام شدند و رشته‌ای به نام «مهندسی‌ژنتیک» را بوجود آوردند که طی اندک زمانی توانست رشته‌های مختلفی اعم از پزشکی، صنعت و کشاورزی را تحت‌الشّعاع خود قرار دهد.

Quick Search

Binary Search

Simulated Annealing

Iterative Deepening

Hyper Space

Genetic Algorithm – GA

John Holland

واژه «ژن» در زبآنهای اروپائی، برگرفته از واژه اوستائی «ژن/Jan»، به معنای زاینده است، و واژه «زن» و مصدر «زایش» و «زندگی» در فارسی امروزی نیز از همان ریشه است. در گویش کردی هنوز «زن» به همان صورت باستانی «ژن» خوانده می‌شود.

Mutation

این مسأله با نام Crossover شناخته می‌شود.

Regression

رگرسیون در فرهنگ لغت به معنی بازگشت است، و اغلب جهت رساندن مفهوم بازگشت به یک مقدار متوسط یا میانگین به کار می‌رود، بدین معنی که برخی پدیده‌ها به مرور زمان از نظر کمّی به یک مقدار متوسط میل می‌کنند.

واژۀ مصوب فرهنگستان زبان و ادب فارسی، دفتر نخست تا چهارم، ۱۳۷۶ تا ۸۵

Gergor Mandel

شنیدن این مطلب خالی از لطف نیست:

امام محمدباقر(علیه السلام) نقل فرموده‌اند: یکی از انصار، خدمت پیامبر خدا رسید و عرض کرد: فرزند تازه متولد شده‌ام مویش فرفری، سوراخ‌های بینی‌اش بزرگ و بینی‌اش پهن است. با تمام ایمانی که به پاکدامنی همسرم دارم ولی شبیه او را نه در دایی‌هایش می‌شناسم و نه در نیاکانم. پیامبر خدا بعد از گفتگویی با همسر آن مرد فرمود: «ای مرد! هیچکس نیست مگر اینکه بین او و آدم، ۹۹ رگ و ریشه وجود دارد،که همگی در نسب نقش دارند. وقتی نطفه در رحم قرار می‌گیرد، این رگ‌ها به حرکت در می‌آیند و از خداوند می‌خواهند که فرزند به آنها شبیه باشد(رقابت ژنی). لذا این، از رگ‌هایی است که نه نیاکان تو، نه نیاکانِ نیاکان تو آن را درک کرده‌اند.»

James Watson

Francis Crick

Genetic Engineering

۰


برچسب ها :

بدون دیدگاه