Ovplyvňuje učenie evolúciu?

Jeden zo základných problémov evolučnej biológie je popis mechanizmu vzniku komplexných orgánov v priebehu evolúcie. Tieto orgány sú užitočné len vtedy, ak sú plne rozvinuté a formované. Názor ortodoxných evolucionistov na tento problém je, že tieto zložité orgány v priebehu evolúcie prechádzajú cez rôzne etapy, z ktorých každá je o niečo lepšia ako predchádzajúca. Tak napr. oko stavovca nevzniklo jedným evolučným aktom. Svetlocitlivá bunka s rozptýleným pigmentom je lepšia ako nič, svetlocitlivá bunka s pigmentom usporiadane uloženým na bunečnej organele je lepšia ako predchádzajúci prípad atď. To znamená, že evolučný proces môže byť formálne interpretovaný ako adaptačný proces, v priebehu ktorého sa maximalizuje účinnosť – sila organizmu.

Patrí učenie medzi príčiny evolúcie, alebo je len jej dôsledkom? Ovplyvňuje učenie priebeh a rýchlosť evolúcie? Tieto a podobné otázky sú v evolučnej biológii diskutované len okrajovo. Jedna z mnohých príčin tejto situácie je vo všeobecnosti prijímaný názor, že príčiny a základné mechanizmy evolúcie sú plne vysvetliteľné v rámci genetiky. Fenomén učenia je silne holistického charakteru (skôr patrí do psychológie a etológie ako do biológie), a preto je len s určitými výhradami akceptovateľný evolučnou biológiou ako dôležitý faktor pre hlbšie pochopenie mechanizmov evolučného procesu. Nezanedbateľná je aj skutočnosť, že názor o ovplyvňovaní evolúcie fenotypovým procesom, akým je učenie, automaticky evokuje Lamarckov názor na evolúciu, kde vlastnosti fenotypu získané adaptáciou sú prenosné dedičnosťou na potomkov (svaly kováča dedia jeho deti ?!?). Ortodoxný evolucionistický pohľad na úlohu učenia je, že zmeny spôsobené učením sa nededia, alebo že učenie neovplyvňuje evolúciu. Aj keď akceptujeme striktné odmietnutie možnosti dedenia získaných vlastností fenotypom (Weismann), existuje stále ešte možnosť, ako pokladať učenie (alebo schopnost adaptácie v danom prostredí) za dôležitý faktor ovplyvňujúci evolúciu (Baldwin). Ak sa jedince odlišujú schopnosťou učiť (adaptovať) sa, potom tie, ktoré majú najlepšiu adaptabilitu, budú mať najviac potomkov a gény zodpovedné za túto skutočnosť budú zvyšovať svoju frekvenciu. Táto myšlienka nie je vždy v evolučnej biológii akceptovaná, a to pre podozrenie, že sa jedná o zanášanie lamarckizmu do modernej biológie, a tiež preto, že nie je jasné, akým spôsobom ovplyvňuje priebeh a mechanizmus evolúcie.

Odpoveď na tieto a podobné otázky (alebo námietky) môžu poskytnúť simulačné výpočty (pozri obrázek). Animáty schopné učiť sa sú reprezentované neurónovou sieťou (Rumelhart) (pozri obrázek) a proces evolúcie je simulovaný pomocou genetického algoritmu (Holland) (obrázek). Hlavným cieľom evolúcie je vznik takých animátov, ktoré v priebehu života (jednej generácie s predpísaným počtom krokov v prostredí) nazbierajú najviac lístkov – potravy. Zvolená neurónová sieť má schopnosť učiť sa, neurónová sieť v priebehu života animátu predpovedá stále lepšie a lepšie pohyby k najbližšiemu lístku. Proces učenia animátu spočíva v tom, že váhy spojov neurónovej siete, ktorých počiatočné hodnoty sú určené genotypom animátu, sa postupne menia tak, aby sa odchýlky medzi neurónovou sieťou vypočítaným a požadovaným (správnym) pohybom v priebehu života neustále zmenšovali. Poznamenajme, že takto modifikované váhy neurónovej siete sa nededia, v rámci genetického algoritmu sa dedia len počiatočné hodnoty váh, ktoré ovšem môžu byť modifikované v priebehu reprodukcie animátov (pozri text k obrázku).

V našich simuláciach sme vykonali dva druhy výpočtov, a to s učením a bez učenia. V druhom prípade sú v priebehu života animáta váhy neurónovej siete konštantné. Úspešnosť je plne určená len váhami z genotypu a náhodne generovaným prostredím. Výsledky týchto simulačných výpočtov sú znázornené na obrázku. Animáty schopné učiť sa v priebehu života majú v priebehu evolúcie podstatne väčší nárast sily ako tie, ktoré túto schopnosť nemajú. Aj keď proces reprodukcie animátov je striktne weismannovský (t.j. nededia sa váhy modifikované učením), populácia animátov s učenim v priebehu evolúcie dosiahne väčšiu priemernú silu v protiklade k evolúcii populácie animátov bez učenia. Tento fakt vyplývajúci zo simulačných výpočtov, ktorý potvrdzuje Baldwinov efekt o vplyve učenia na evolúciu, má nasledujúce jednoduché vysvetlenie (Hinton) (obrázek). Proces učenia animátu v rámci jeho života môže byť formálne chápaný ako lokálne prehľadávanie priestoru váh s cieľom zistiť či v blízkom okolí neexistuje lepšie riešenie ako to, ktoré je určené genotypom animátu. To znamená, že sila animátu nie je určená len jeho úspešnosťou v zbieraní lístkov pri zafixovaných váhach, ale taktiež tým, že animáty, ktoré vykazujú lepšiu schopnosť učiť sa, majú väčšiu pravdepodobnosť vstupovať do procesu reprodukcie ako tie, ktoré túto schopnosť buď vôbec nemajú, alebo v procese učenia nie sú veľmi úspešné. Parafrázujúc Hintona, proces evolúcie bez učenia sa podobá hľadaniu ihly v kope sena. Ak sa zapojí učenie, potom sa evolúcia podobá hľadaniu ihly, keď nám niekto radí, či sme bližšie alebo nie.

Z uvedných simulačných výpočtov tiež vyplýva, že Baldwinov efekt má význam hlavne vtedy, ak priestor riešení je veľmi komplikovaný. Učenie poskytuje určitý návod, ako sa pohybovať v blízkom okolí genotypu smerom k lepšiemu riešeniu. Pre evolučných biológov, ktorí veria, že evolučný priestor riešení (formálne vyjadrený napr. ako priestor váh) obsahuje len pekné, izolované kopce – maximá, Baldwinov efekt nie je zaujímavý. Ale pre tých biológov, ktorí očakávajú, že tento priestor je veľmi štrukturovaný a zložitý, Baldwinov efekt patrí medzi dôležité mechanizmy, ktoré umožňujú adaptačné procesy v organizme so zámerom podstatne uľahčiť vyhľadávanie vhodného smeru evolúcie.