Chromosome Length Scaling in Haploid, Asexual Reproduction
我们研究由无性繁殖的单倍体个体形成的群体的遗传行为。每个个体的遗传信息沿着具有L位的位串(或染色体)存储,其中0位表示野生型等位基因,1位对应于有害突变。每一个新生儿都从父母那里继承了这条染色体,并伴随着一些随机突变:平均来说,固定数量的m位被翻转。选择是根据沿着个体染色体计数的1位数N来实现的:N越小,个体必须在新的时间步长中生存的概率越高。这样一个种群随着出生和死亡而进化,在足够多的世代之后,它的遗传分布变得稳定。我们提出的问题涉及增加L的过程。其目的是使平衡群体中的相对遗传负荷N/L分布相同,尽管L较大。对于不同的L值,是否应该保持相同的突变率m/L?答案是肯定的,这在直觉上似乎是合理的。然而,根据我们的模拟结果,这个结论并不是微不足道的:这个问题还涉及到人口规模。
2007-03-08 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Evolution of population with sexual and asexual reproduction in changing environment
利用基于蒙特卡罗模拟的格子模型,我们研究了繁殖模式对进化种群命运的作用。每个个体都受到环境和随机突变的选择压力。栖息地(气候)是周期性变化的。比较了无性繁殖和有性繁殖两种繁殖模式下种群的进化。我们通过蒙特卡罗模拟表明,通过保持更多样化的种群进行有性繁殖,使它们有更好的机会适应不断变化的环境。然而,为了获得更大的交配机会,出生率应该很高。在低出生率和高突变概率的情况下,偏好无性繁殖。
2003-09-08 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Gene genealogies in haploid populations evolving according to sweepstakes reproduction
研究单倍体群体抽奖式繁殖中的基因谱系,构建群体遗传模型,无需强假设恢复新突变数,得出连续时间合并过程等结果,还发现不同条件下泛函近似情况及对种群祖先条件设定的影响。
2026-07-21 math.PR q-bio.PE
An Intrinsic Advantage of Sexual Reproduction
真核生物中普遍存在的有性生殖(“性”)是进化生物学的一个谜。性别增加遗传变异只是告诉它的长期优越性的本质。有害突变的积累对生物体造成了直接和普遍的压力。与常识相反,我们的理论模型表明,繁殖率可以主动影响有害突变的积累。繁殖率与突变综合危害的交互作用导致临界繁殖率R*。当一个种群的繁殖率降低到R* 以下时,该种群将不可逆转地灭绝。有性群体的R* 小于1,无性群体的R* 大于1。达到承载力的种群的平均繁殖率必须降低到1。这解释了广泛的性别以及兼性和无性生物的持久性。计算机模拟支持我们的结论显着。
2013-07-31 q-bio.PE
A mathematical analysis of the evolutionary benefits of sexual reproduction
尽管进行了广泛的研究,为什么大多数高等生物都有性繁殖的问题仍然没有解决,并被称为“进化生物学中的女王问题”。可以追溯到魏斯曼的理论表明,关键一定在于创造后代的变异性增加,从而导致对选择的反应增强。然而,对可能导致这种变异性增加的各种机制的影响进行严格的量化,并确定这些有益的影响超过了有性生殖的直接成本,已经证明是有问题的。在这里,我们介绍了一种方法,它不专注于特定的机制影响因素,如固定的有益突变或人口的能力,以处理有害的突变,而是跟踪整个分布的基因型人口,因为它跨越巨大的适应度景观。在这种情况下,现在的模拟显示,在有限或无限种群模型的广泛范围内,性行为的表现都强于asex。集中在可加性无限种群模型,我们能够给出一个严格的数学证明,建立有性生殖作为一个更有效的平均适应度的优化,从而解决这个问题的模型。这种分析的一些关键特征也适用于有限总体的情况。
2015-09-02 q-bio.PE
Sexual reproduction from the male (men) point of view
为了反驳苏珊娜·莫斯·德·奥利维拉在这里提出的观点,我们在这里解释一个事实:男人是如何被大自然母亲压迫的,她可能犯了一个错误,发明了我们,还有活着的女人,谁可以摆脱我们大多数人。为什么女人比我们长寿?为什么男性的Y染色体这么小?婚姻忠诚的危险是什么?在附录中,我们提到了未来的人口挑战,老年人多,年轻人少。
2007-10-22 q-bio.PE
The role of demographic stochasticity in a speciation model with sexual reproduction
最近的理论研究表明,人口统计随机性可以大大增加无性繁殖的表型多样性生物体自发进化成局部集群的趋势,这表明同域物种形成的简单机制。在这里,我们研究的作用,人口统计随机性的竞争生物体的模型受到竞争性交配。我们发现,在模型与有性生殖,噪声也可以导致形成的表型集群的参数范围内,确定性模型将导致均匀分布。在某些情况下,噪声可能会产生相当大的影响,使确定性建模不足以理解表型分布。
2016-03-21 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Diploidy and the selective advantage for sexual reproduction in unicellular organisms
本文建立了描述二倍体单细胞生物无性繁殖和有性繁殖种群进化动力学的数学模型。我们考虑两种形式的基因组组织。在一种情况下,我们假设基因组由两个多基因染色体组成,而在第二种情况下,我们假设每个基因定义一个单独的染色体。如果生物体具有缺少给定基因的功能拷贝的$ l $同源对,则生物体的适合度为$ κ_l $。假设$ κ_l $是单调递减的,因此$ κ_0 = 1 > κ_1 > κ_2 > ... > κ_{\infty} = 0 $。对于几乎所有的繁殖策略,我们认为,我们发现,在大$ N $的限制,在突变选择平衡的平均适合度是$ \max\{2 e^{-μ} - 1, 0\} $,其中$ N $是基因组的单倍体集的基因数,$ ε$是一个给定的DNA模板链的一个给定的基因在复制过程中产生一个突变的女儿的概率,和$ μ= N ε$。唯一的例外是多染色体基因组的有性生殖途径。假设一个乘法的适应度景观,其中$ κ_l = α^{l} $为$ α\in (0, 1) $,这个策略被发现有一个平均适应度,超过了所有其他策略的平均适应度。此外,当其他繁殖策略由于一旦$ μ$超过$ \ln 2 $有害突变的稳定积累而经历生存力的完全丧失时,在有性途径中不发生这样的转变。本文的结果表明,有性生殖的选择性优势,更少,更少的限制性假设比以前的工作。
2009-07-17 q-bio.PE
Extinction in genetic bit-string model with sexual recombination
分析了具有有性生殖的位串模型中突变压力、重组压力和选择压力之间的关系。对于这些参数的特定集合,我们已经发现了三个相变与一个阶段,人口可以生存。在这个阶段,重组提高了生存概率。即使重组在某种程度上与额外的突变相关,它也可能有利于繁殖,这表明重组和重组相关突变的频率可以在自然界中自组织。在配子产生过程中,将二倍体基因组分割成独立排列的染色体对,使得基因组之间能够重组而没有突变的风险,并且对于有性生殖策略也是有利的。
2006-01-23 q-bio.PE
Phase Transition in Sexual Reproduction and Biological Evolution
利用生物进化的Monte Carlo模型,我们发现种群可以在两种不同的基因组进化策略之间切换:达尔文的净化选择和单倍型互补。第一个是利用在大的panmictic群体,而第二个在小的高度近交群体。选择取决于交叉频率。交叉频率临界值与随机交配种群的大小呈幂律关系。在一定的近亲繁殖条件下,该交叉临界值不依赖于种群规模,具有相变特征。接近这个值时,观察到同域物种形成。
2008-01-02 q-bio.PE
Estimate of the reproduction number of the 2015 Zika virus outbreak in Barranquilla, Colombia, and estimation of the relative role of sexual transmission
背景资料:2015年,寨卡病毒(ZIKV)开始在美洲传播,在爆发性疫情中迅速扩大其全球地理范围。在蚊媒疾病中不常见的是,ZIKV已被证明也是性传播的,尽管尚未观察到仅由于性传播而导致的持续的本地传播,表明仅性传播的繁殖数(R0)小于1。对暴发风险评估、潜在发病率估计和控制措施评估至关重要的是基本繁殖数R0的估计。研究方法:我们通过对临床确诊的ZIKV病例呈指数上升的分析(截至2015年11月底,n = 359),估计了2015年哥伦比亚巴兰基亚ZIKV疫情的R0。结果:病例的指数上升率为rho = 0.076天-1,95%CI [0.066,0.087]天-1。我们使用了一个带有额外直接传播的病媒传播疾病模型来估计R0;假设仅性传播的R0小于1,我们估计总R0 = 3.8 [2.4,5.6],并且由于性传播的病例比例为0.23 [0.01,0.47],置信度为95%。释义:这是对美洲ZIKV疫情的R0的首次估计,也是对性传播相对影响的首次量化。
2017-01-15 q-bio.PE q-bio.QM
Mutation, Sexual Reproduction and Survival in Dynamic Environments
一种理解进化的新方法[Val09],即通过计算的镜头观察它,已经开始产生新的见解,例如,有性生殖下的自然选择可以解释为基因间协调博弈中的乘法权重更新(MWU)算法[CLPV 14]。利用这种机制,我们研究了突变在有性生殖存在的环境变化中的作用。在[WVA 05]之后,我们通过马尔可夫链对不断变化的环境进行建模,其中状态表示环境,每个状态都有自己的适应度矩阵。在这种情况下,我们表明,在没有突变的情况下,人口灭绝,但在突变的存在下,人口生存的积极概率。在证明上述定理的过程中,我们需要建立一些关于博弈动态的事实。我们提供了第一个,据我们所知,多项式收敛界嘈杂MWU在协调游戏。最后,我们还表明,在静态环境中,性进化与突变收敛,任何水平的突变。
2016-04-23 cs.DM math.DS math.PR
Dynamics of dirac concentrations in the evolution of quantitative alleles with sexual reproduction
一个正确的理解不同的基因表达水平和复杂的性状适应之间的联系仍然缺乏,尽管最近的进展,测序技术导致新的见解,其重要性在一些进化过程中。这就需要对Kimura(1965)首次引入的等位基因连续体框架进行扩展,绕过经典的高斯近似。在这里,我们提出了一个新的数学框架来研究数量等位基因的自然选择和竞争下的有性繁殖种群的进化动力学通过积分微分方程。它涉及到一个新的生殖运营商,允许使用技术的基础上的最大值原理,不像无穷小模型运营商在其他研究有性生殖。在一个渐进的制度,最初的人口有一个小的表型方差,我们分析了长期动态的表型分布根据小方差的方法(Diekmann等2005)。在极限方程的一些假设下,我们证明了人口保持单态,即表型分布保持集中作为一个移动的狄拉克质量。此外,在单态分布的情况下,我们推导出一个典型的方程描述的优势等位基因的动态。
2022-08-25 math.AP q-bio.PE
Evolutionary route to diploidy and sex
使用进化的位串模型,我们找到了简单生物体中双倍体和性别的成功途径。允许有性繁殖的二倍体个体也进行有丝分裂,就像它们在单倍体-二倍体循环中所做的那样,导致有性二倍体完全接管种群。这种机制是如此强大,即使只有两个二倍体的偶然转换和配对也会产生有性种群。
2001-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Sex as information processing: optimality and evolution
种群在不同环境中的长期增长率量化了生物个体从祖先那里继承并从环境中获得的信息处理的进化价值。以前的模型仅限于无性生殖,遗传信息来自单亲,没有重组。我们提出了一个一般的扩展有性生殖和一个特殊的,但重要的情况下,数量遗传学的无穷小模型,假设性状是正态分布的分析解决方案。我们研究这个模型的条件下,有性生殖是有利的,可以在自相关或定向变化的环境,突变的偏见,空间异质性和表型可塑性的背景下发展。我们的结果推广和统一以前的分析。我们还研究了Geodakyan提出的建议,即存在两个表型不同的性别允许对不同环境的最佳适应。我们验证了存在的条件下,两性异形是自适应的,但发现其进化价值一般不补偿男性的两倍成本。
2021-06-15 q-bio.PE
Greetings from a Triparental Planet
在这部思辨科学的作品中,来自遥远恒星系统的科学家解释了三亲制的出现和后果,三亲制是有性生殖所需的,这是他们家乡世界的标准交配形式。该报告详细介绍了它们生殖系统的进化--也就是说,三亲制和三种自我回避的交配类型成为有性生殖的有利策略的条件。它还提供了一个概述的三亲繁殖与三种交配类型的生物学后果,包括三亲繁殖的遗传机制,三种交配类型之间的不对称性,和感染动力学所产生的不同模式的有性生殖。报告最后讨论了他们社会的核心方面,如个人之间的短暂结合和单一文化的兴起,可能是由于他们的三亲制而产生的。
2020-11-03 econ.GN q-bio.PE q-fin.EC
Looking for the right mate in diploid species: how dominance relationships affect population differentiation in sexual trait?
种群之间对某一特定性状的差异可能是自然选择或性选择与移徙行为相互作用的结果。对不同表型的交配偏好可以导致分化种群的出现和持续。编码不同表型的等位基因之间的优势可以干扰这样的过程。使用二倍体模型的性状决定交配成功率和迁移率,我们探讨了两个相连的人口之间的分化,假设等位基因之间的共显性或严格显性。该模型假设个体更喜欢与表现出相同表型的伴侣交配,因此当他们自己的表型罕见时,倾向于转移到另一个群体。我们发现,在这个二倍体模型中分化的群体的出现是有限的,与假设单倍体相同的模型所获得的结果相比。在假定共同支配的情况下,只有当移徙与偏好相比受到限制时,才会出现分化。当假设单倍型之间存在严格的优势时,这种分化较少依赖于迁移。显性等位基因经常侵入种群,因为它们的表型更频繁地表达,导致更高的交配成功率和迁移的快速减少。然而,取决于等位基因的初始分布,这种优势与显性(即哈勒氏筛)可能会导致固定的显性等位基因在整个两个群体。根据杂合子的初始分布,群体内多态性的持续存在也可能发生,因为表现出优势表型的杂合子受益于交配偏好。总之,我们的研究结果强调,杂合子的行为有很大的影响,人口分化和应力的二倍体模型的分化和物种形成驱动的自然和性选择的需要。
2018-01-23 q-bio.PE
Natural Averaging May Complement Known Biological Constraints in Bi-parental Reproduction's Advantages Over Mono-parental in Conserving Species Quantitative Traits
本研究通过数学分析与模拟发现,双亲繁殖的性状混合本质会产生普遍统计效应,使数量多基因性状传递偏差小于无性繁殖,该效应独立于已知生物学机制,有助于维持物种与生态系统稳定,或推动有性生殖进化。
2024-11-14 q-bio.PE
An In Silico Model to Simulate the Evolution of Biological Aging
生物老化的特点是死亡概率随年龄而增加,生殖能力下降。个体的存活率和繁殖率与年龄有关,对种群动力学有很大的影响,决定存活率和繁殖率的遗传因素在生物体的整个生命周期中处于不同的选择力之下。在这里,我们开发了一个高度通用的基因组进化的数值模型-无性和有性-为一个人口的虚拟个体与重叠的世代,在不同的生命阶段,影响生存和繁殖率的遗传因素是自由的演变,由于突变和选择。我们的模型概括了自然种群的几个新特性,在稳定的条件下发展更长的生殖寿命,在不稳定的环境中生存和繁殖更短。更快的衰老是由于在更不稳定的群体中纯化选择的强度降低,这些群体具有积累有害突变的大部分基因组。与在恒定资源下的有性生殖种群不同,无性生殖种群的死亡率不会随年龄增长而增加,繁殖率也不会下降,因此不会衰老。我们的模型提供了一个强大的计算机模拟框架,以模拟人口和基因组如何在生物衰老的背景下变化,并打开了一个新的分析机会,以表征真实的人口如何演变其特定的衰老动力学。
2016-02-01 q-bio.PE
The recovery of a recessive allele in a Mendelian diploid model
研究了一类基于个体的随机模型的大种群极限,该模型描述了一个二倍体两性种群按孟德尔规则繁殖的时间演化。在[Neukirch,Bovier,2016]中,证明了有性生殖允许不合适的等位基因在具有混合基因型的个体中存活的时间比在无性生殖的群体中存活的时间长得多。在本文中,我们证明,这确实打开了一个纯基因型的个人可以在出现进一步的突变后,在人口中的再入侵的可能性。因此,我们揭示了一个隐性等位基因可以重新出现在一个人口的机制的正式描述。这可以被看作是二倍体种群进行有性生殖所表现出的遗传稳健性的声明。
2018-01-20 math.PR q-bio.PE
Genetic diversity and fitness in small populations of partially asexual, self-incompatible plants
植物群体中自交不亲和系统如何维持至今仍是一个有争议的问题。理论模型预测,自交不亲和系统会根据近交衰退的强度和S-等位基因的数量而崩溃。其他研究探讨了无性生殖在维持自交不亲和性中的作用。然而,部分无性,自交不亲和群体的群体遗传学知之甚少,以前的研究未能考虑所有可能的影响,无性生殖或只能推测这些影响。在这项研究中,我们调查了部分无性可能会影响遗传多样性〈动〉性<动>在S-位点和适合性在小的自交不亲和群体。建立了一个包含S位点和生存力位点的遗传模型,对不同规模的种群进行了正向模拟。漂移结合部分无性产生的等位基因在S-位点的数量减少。此外,在人群中存在过量的杂合子,导致突变负荷的增加。这种杂合子过剩的增强自交不亲和系统在小群体。此外,在高度无性繁殖的种群中,无性繁殖的个体比有性繁殖的个体具有一些适合度优势,因为有性生殖产生有害等位基因的纯合子,与无性生殖相反。我们的研究结果表明,未来关于无性生殖对维持自交不亲和性的作用的研究将需要(1)考虑全基因组适应性(无性生殖、自交不亲和性和漂移产生的突变负荷)和(2)承认自交不亲和性的维持可能不独立于性本身的维持。
2012-01-31 q-bio.PE
Love kills: Simulations in Penna Ageing Model
标准的彭纳衰老模型(包含有性生殖)通过添加额外的爱的比特串而得到扩展:只有当男性的爱的弦与女性的爱的弦足够不同时,婚姻才会发生。我们模拟在什么水平的差异所需的人口灭绝。
2010-08-19 q-bio.PE
Front propagation of a sexual population with evolution of dispersion: a formal analysis
生物物种对环境的适应取决于它们的特征。当各种生物过程发生时(生存、繁殖、迁移等),特性分布可以随时间和空间而改变。在入侵的背景下,当考虑编码个体分散能力的可遗传性状的进化时,性状分布发展了一种特定的空间结构,导致前线传播的加速。这种现象被称为空间排序。生物学上的例子很多,例如英国的丛林蟋蟀、澳洲的甘蔗蟾蜍入侵,或南非的八哥入侵。采用这一框架,最近的数学研究已经导致突出的影响,繁殖模式的前线传播。在一个最小反应扩散模型中,无性种群的扩散速率为t3/2,而有性种群的扩散速率为t5/4(其中t为时间)。然而,在性传播的情况下,前线传播的行为的精确描述仍然是一个悬而未决的问题。本文的目的是给它的位置的大倍的精确近似,以及在前面的局部特征分布的一些功能。要做到这一点,我们明确解决的渐近问题正式推导。数值模拟证实了这些计算。
2021-05-06 math.AP q-bio.PE
The Origin of 2 Sexes Through Optimization of Recombination Entropy Against Time and Energy
自然界中的有性生殖需要两种性别,这就提出了一个问题,为什么生殖系统没有进化到有三种或更多的性别。在这里,我们构建了一个基于通信理论的约束优化模型,分析了任意性别数的生殖方案之间的权衡。更多的性别一方面导致更高的繁殖多样性,但另一方面也会为繁殖成功付出更大的时间和精力代价。我们的模型表明,两性再生产方案最大化的重组熵成本比,因此是最优的解决方案的问题。
2007-03-09 q-bio.PE
Sex is always well worth its two-fold cost
性被认为是一个进化的悖论,因为它的进化优势并不一定克服与另一个种群成员共享后代一半基因组的双重代价。在这里,我们证明了,有性生殖可以是进化稳定的,即使它的达尔文适应度是两倍低的无性突变体的适应度相比。我们还表明,两种以上的性别总是进化不稳定的。我们的方法推广了演化博弈论来分析物种的成员能够感觉到他们的同种的性状态,并因此切换性别。因此,性的广泛出现和维持是由于它与更广泛的环境感知能力的共同进化。
2008-08-23 cs.GT physics.bio-ph q-bio.PE
Adaptation to a changing environment: what me Normal?
预测种群对不断变化的环境的适应能力对于评估人类活动对生物多样性的影响至关重要。许多理论研究通过模拟数量性状的进化来解决这个问题,这些数量性状受到围绕最佳表型的稳定选择的影响,其值随着时间的推移不断变化。在这种情况下,种群的命运是由性状的平衡分布相对于最优移动的结果。这种分布可能会随着选择的形状、繁殖系统、基因座的数量、突变核或它们的相互作用而变化。在这里,我们开发了一种方法,直接从表型分布的整个轮廓提供群体适应不良和生存潜力的定量测量,而不需要任何先验的形状。(无性和无穷小的性遗传模型),一般形式的选择。特别是,我们恢复了适应度函数,使得选择减弱远离最优导致进化临界点,当环境变化的速度太快时,种群突然崩溃。我们的统一框架还允许突出导致这一现象的潜在机制。更一般地说,它允许讨论两个繁殖模型之间的相似性和差异,后者最终被解释为不同的限制进化的表型方差。我们证明了种群中的平均适应度在很大程度上取决于选择函数的形状,在性无穷小模型中,与无性模型相比,在无性模型中,我们还研究了突变核的影响,我们表明,具有较高峰度的核往往会减少适应不良,提高适应度,特别是在快速变化的环境中。
2022-06-27 math.AP q-bio.PE
Evolution of the Age Structured Populations and Demography
我们描述了基于Penna模型的Monte Carlo模拟种群演化的方法。种群中的个体由其二倍体基因组代表。在最小生殖年龄之后表达的基因受到较弱的选择压力,并且比在最小生殖年龄之前表达的基因积累更多的突变。缺陷基因产生的梯度决定了个体的衰老,年龄结构种群与自然的有性繁殖种群非常相似。种群的遗传结构取决于随机死亡对种群的影响。医疗保健的改善和更健康的生活方式是上个世纪人类预期寿命增加的原因。在基因型、表型和环境之间的关系中引入噪声,就有可能模拟一些其他的效应,比如免疫系统和母亲护理的作用。最有趣的结果之一是性染色体的进化。如果种群是随机交配的(假设是随机交配),那么将雄性决定基因放在一对性染色体中的一条染色体上就足以使种群萎缩。如果雄性在照顾后代方面不可或缺,并且必须对雌性忠诚,那么雄性的性染色体就不会缩小。
2009-01-11 q-bio.GN q-bio.PE
Overcoming Problems in the Measurement of Biological Complexity
在遗传算法中,基因组的熵随时间的波动被解释为基因组的生物体存储的关于其环境的信息的波动,这反映在更复杂的生物体中。由于实际使用的总体规模较小,因此计算该熵存在技术问题。在这项工作中,我们提出并测试了另一种方法来测量人口中的熵变的算法信息论,其中两代步骤之间的熵变是Kolmogorov复杂性的第一步条件的第二个。作为这种技术的一个应用实例,我们报告了有性生殖存在或不存在的系统之间熵演化的实验差异。
2010-11-03 cs.CE cs.NE nlin.AO
The transition to speciation in the finite genome Derrida-Higgs model: a heuristic solution
本研究针对有限基因组下Derrida-Higgs模型原有物种形成条件失效的问题,建立无交配限制下的相似性分布解析理论,提出启发式方法计算临界基因组大小,结果与模拟吻合良好,可为物种形成研究提供指导。
2024-12-09 cond-mat.stat-mech q-bio.PE