2025-05-10 科技 0
在探索自然选择如何在生物进化中的作用时，科学家们一直面临一个挑战：如何确保有利突变能够在种群中传播。为了解决这个问题，一组奥地利和美国的多学科研究人员最近将数学图论应用到了生物进化研究中，他们的发现可能为理解特定种群结构如何影响自然选择提供了新的方向。
自达尔文提出《物种起源》以来，自然选择一直是主流进化论的基石。但是，这一理论中的数学模型常常被一个困扰的问题所阻碍：即使有益的突变出现，它们也不能保证会在整个种群中传播。随机事件、疾病和其他不幸事故容易消除新型罕见突变，从统计上讲，这些情况经常发生。
然而，在理论上，有助于生存的突变体应该比其他同类更能生存。例如，在岛屿上的巨大生物群体中，如果出现了一个有利于适应环境的小变化，那么除非这种优势非常明显，不然它很快就会从种群中消失。不过，如果少数个体会频繁迁移到其他岛屿繁殖，那么适度有用的突变就更可能建立起立足点并传播回主要种群。这一切都取决于具体场景细节。
马丁·诺瓦克（Martin Nowak），哈佛大学进化动力学项目负责人，他最初是在研究癌症行为时思考这些问题。他说：“当我看到癌症作为一种生物体并不希望看到的进化过程时，我问自己，怎样才能摆脱这一进化？”他意识到对付突变是一条解决方案，但对付选择则是另一条路径。
但是，对于特定的种群结构如何影响自然选择的问题，我们仍然知之甚少。为了找到普遍有效策略，诺瓦克转向了图论。在数学意义上的图由顶点构成，每个顶点代表一个个体，而边描述它们之间关系。在演化图论中，每个顶点产生相同后代概率连接到相邻顶点，但这也是要面临被下一代替换风险的一个位置。正确加权模式可以表示现实世界中的行为，比如使血统与其他族谱隔离的连接可以代表迁移。
通过使用图论，诺瓦克可以将不同的种群结构抽象为数学模型，然后严格探讨每一种情况下具有额外适应性的突变体表现形式。他和他的同事2005年发表了一篇论文，其中展示了某些特定的种群结构能抑制或增强自然选择效果。在“爆发”和“路径”结构下的个体永远不会占据祖先曾经占有的位置，因此这些类型的人口基本上无法进行真正的遗传改变。而星形结构正好相反，更合适的突變體能够更有效傳播，因為星形放大了選擇力的影響，這就是所謂強放大器，因为它几乎保证任何小优势都会成功推广至整个種群。
尽管如此，这样的确定性带来了另一个问题。大多数潜在的人口结构理论上看起来不可能成为强放大器；其余一些看起来可能但似乎过分复杂，以至於無法證明其作用。（两年前，由牛津大学团队证明超级巨星效应的一篇复杂论文存在近百页密集数学内容）除非遇到异常情况，这难以察觉人口结构如何促进自然界中的真实演化过程。
然而就在十年前，诺瓦克的一个合作伙伴、奥地利科学技术研究所计算机科学研究员Krishnendu Chatterjee，也开始对此问题感兴趣。他及其团队已经花费多年的时间来理解涉及图论和概率的问题，并认为他们相关直觉和见解可能会对演化学游泳产生帮助。
Chatterjee 和他的学生Andreas Pavlogiannis（现在洛桑联邦理工学院洛杉矶理工学院）以及Josef Tkadlec了解到构建放大器关键在于各节点之间线路权重分布。他們發現所有潜在強放大的圖都有一些共同點，如集線器與自環。此後他們提出通過給予頂點之間連接適當權重，可以將簡單種群結構轉變為強放大者。諾瓦克表示：“令人驚訝的是，只要調整權重，大部分種類結構都可成為一個強放大者。”
總而言之，上述文章將種類結構視作進步過程的一個重要力量。一旦這樣運行，即使內部出現優勢突然出現，都無法發揮作用。大多數種類結構至少具備擴展優勢並推動進步可能性。不過，這裡提出的算法對於培育理想型態或篩選生長速度較快細胞菌株的人來說仍舊具價值微流控培養系統允許控制細胞混合與遷移以產生任意想要形成的地圖結構。此外，這工作最引人注目的應用之一也許是識別出天然界中存在這些強放大的情況免疫學家可以檢查脾臟淋巴系中的免疫細胞是否顯示出這些特殊結構，有助於提高身體抵抗感染能力。如果他們真的做到了，那麼就會證明選擇偶爾會成為解決生活挑戰的手段之一
