进化动力学的发展及其研究与应用进展(2)
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【摘要】3.2. 进化动力学与数学 进化动力学作为数学与生物学交叉形成的新体系,也在为数学,尤其是博弈论的发展提供新的思路。Shakarian等[38]探讨了进化图论(
3.2. 进化动力学与数学
进化动力学作为数学与生物学交叉形成的新体系,也在为数学,尤其是博弈论的发展提供新的思路。Shakarian等[38]探讨了进化图论(EGT)在博弈论中的作用并探讨了以下问题:第一,模型如何针对某些应用进行调整?第二,我们可以从历史数据中学习模型和/或突变体的适应性吗?第三,是否可以用于计算固定概率和固定时间程序的大数据集?
EGT对于生物学,经济学,博弈论和计算机科学等领域而言仍是一个相对较新的工具,但关于这个主题的研究论文数量正稳步增加,EGT在各种应用中都有很大的潜力,例如Zhou[39]利用EGT建模,对个人决策公司、多人决策公司和股份公司的商业模式稳定性进行了分析,而Voelkl和Kasper[40]利用EGT研究灵长类互动网络的社会结构。这些应用工作很可能只是EGT广泛应用的新趋势的一个开始。
Lacobelli等[41]研究了网络上的进化游戏动力学(EGN),发现当玩家的收益函数和初始条件是等价的时,同一个可分区划分块中的玩家具有等价的动态行为。因此,属于同一个分区块的顶点可以被合并成一个单一的顶点,从而产生一个简化的图形,从而形成一个简化的方程组。他们还引入了一个更强的条件,称为强流动性,可以其用来识别EGN中与系统中玩家互换性相关的动态对称性。
3.3. 生物进化中基因选择与合作的进化
进化动力学的分析也有助于对 DNA测序所显示的结果进行更深入的理解,如此前著名的Charlesworth等[8]对真核生物的重复DNA的研究;进化动力学也可以用于研究和发展DNA工具,如有较大影响力的Schl?tterer[11]对微卫星DNA的研究。用进化动力学对生物进化过程进行分析的工作仍在继续,进展较多的主要是两个方面的探索:其一是对基因水平的突变与选择等进化过程的分析,其二是对种群层面由合作产生的进化进行分析。对于第一方面,适应度景观和准种的概念等已被广泛运用于生物进化的研究中。Barbosamorais等[42]研究了脊椎动物物种选择性剪接的进化景观,尝试解释蛋白质编码基因类似的物种如何在表型水平有如此显著的差异。他们比较了来自脊椎动物的器官转录组,发现在3亿5千万年的进化中,脊椎动物谱系间选择性剪接的复杂性有显著差异,其中灵长类动物复杂度最高。在6百万年以内,生理等效器官的选择性剪接相比于器官类型,更多地与物种的特征相关。Merkin[43]等探讨了哺乳动物组织中基因和同种型调控的进化动力学,以前所未有的深度对来自四种哺乳动物的九种组织和一种鸟类的互补DNA进行测序。研究者发现虽然组织特异性基因表达程序在很大程度上是保守的,但选择性剪接仅在部分组织中保守,并常常是谱系特异性的。选择性剪接往往会使得蛋白磷酸化,限制激酶信号的作用范围。Levy等[44]使用高分辨率谱系追踪的定量进化动力学。在酿酒酵母中构建了基于测序的超高分辨率谱系追踪系统,使研究者能够同时监测约50万谱系的相对频率。研究的发现与一些预期相反,有益突变的适应性效应谱既不是指数型也不是单调型,而这一发现在早期适应中有惊人的重现性。
对于种群层面的合作行为演化的分析,则主要运用了进化博弈理论。众所周知,团体合作对智人进化的显著成功至关重要,在对智人的进化与合作进化的研究中,Bowles等[45]认为有证据表明群体之间的冲突可能有助于增强群体内部的团结,Hrdy[46]发现照顾群体内其它人的后代也能激发群体合作的进化。比较新颖的是,Toupo等[47]将人类认知的双重过程理论与演化博弈理论相结合,通过研究自动控制决策过程的演变过程,揭示了进化与人类自我意识以及理性之间的联系,从进化视角探寻了智人理性的发展的必要的条件。
3.4. 有关临床医学的研究
癌是一个进化过程的结果,其可以看作背叛整体合作的“自私”细胞激增的过程。在癌症的研究中,进化动力学已经被深入应用,如探寻成癌机理、癌细胞突变及扩散过程。自上世纪七十年代由May引用到流行病的研究中,进化动力学就成为了流行病传播、变异和耐药性进化分析中的重要工具。此前,国内早有学者利用进化动力学理论对弓形虫毒力,HIV-1和人冠状病毒等[47][48][49]进行研究。Gillies等[50]研究了癌发生的进化动力学和靶向治疗不起作用的原因,他们认为缺氧、酸中毒和活性氧类等微环境既具有高度的选择性又还能诱导遗传不稳定性,恶性肿瘤在这些微环境中的细胞动态演化几乎可以确保耐药个体的出现;而另一方面,化疗对癌细胞也会施加强烈的进化选择压力,从而增加其进化速度。张兴安等[31]利用数学建模分析探寻了癌症的形成机理,建立了癌症的多次打击模型和反应扩散方程的模型。杨建课等[51]从Flu和GISAID两大数据库中取得中国台湾地区全部已释放的H6N1病毒的HA序列,构建了系统发育树和进化动力曲线,推测了其进化速率并分析HA序列的适应性进化特征。他们认为中国台湾地区 H6N1病毒的 HA已发生了明显的适应性进化,有发生疫情的风险,人们应及时进行监测和防治。童汪霞等[52]研究了丙型肝炎患者中HCV在这中国的进化动力学特征,从基于基因型的分析中还原了1993年至2000年期间由于“单采血浆”事件造成的HCV在中国的感染数量的“指数”增长期。
文章来源:《生物数学学报》 网址: http://www.swsxxb.cn/qikandaodu/2020/1111/374.html
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