Fluctuation Relations of Fitness and Information in Population Dynamics
表型转换是生物在环境波动中生存的普遍策略。具有表型切换的生物种群的适应性可以被隐藏关系约束和限制，因为在具有和不具有感测和反馈的热系统中的熵产生经由波动关系（FR）被很好地表征。在这项工作中，我们得到这样的FR的健身连同一个潜在的信息理论结构的选择。通过使用多表型种群动力学的路径积分公式，我们澄清了最优切换策略的特点是时间向前和向后路径概率的一致性条件。在制定中，选择被视为被动的信息压缩，从最优策略的适应性损失，以满足各种FR约束的平均和波动的损失。这些结果自然地扩展到生物体可以通过主动感知环境来使用环境信号的情况。通过感知获得适应度增益的FR，其中表型、环境和信号之间的多元互信息起到量化信号中的相关信息以获得适应度增益的作用。
2015-05-08 q-bio.PE
A Simple Model of Unbounded Evolutionary Versatility as a Largest-Scale Trend in Organismal Evolution
生物有机体进化中存在任何大规模趋势的想法是非常有争议的。例如，人们普遍认为，在进化过程中存在着一个大规模的复杂性增加的趋势，但经验和理论的论点削弱了这一信念。自然选择的结果是生物体很好地适应了当地的环境，但目前还不清楚当地的适应如何产生全球趋势。在本文中，我提出了一个简单的计算模型，在局部适应随机变化的环境中的结果，在全球的趋势，增加进化的多功能性。在这个模型中，为了使进化的多样性无限制地增加，环境必须是高度动态的。该模型还表明，无限的进化多样性意味着加速进化的步伐。我相信，进化的多样性的无限增长是进化的一个大规模趋势。我讨论了一些可测试的预测生物体进化的模型所建议的。
2002-12-10 cs.CE cs.NE q-bio.PE
Evolution of sustained foraging in 3D environments with physics
在模拟的有腿动物中进化觅食行为已被证明是一项非常困难的任务。在这里，我们共同发展的形态和控制器的虚拟生物在三维物理逼真的环境中产生目标导向的腿运动。我们表明，以下和达到多个食物来源可以从头进化，通过评估每个生物体的多个食物来源放置在一个基本的模式，逐渐随机跨代。我们设计了一种进化“分期”的策略，其中使用特定适应度函数的一组进化实验中的最佳生物体用于播种一组新的适应度函数，随着进化的改进，该适应度函数逐渐改变以更好地挑战生物体。我们发现，一个有机体的效率在达到第一个食物源并不能预测其能力在寻找后续的，因为觅食效率至关重要地取决于最后的食物源到达的位置，一个效果说明了“觅食地图”，捕捉有机体的控制器状态，身体位置和方向。我们进化最好的觅食者平均能够在90%以上的时间内到达多个食物来源，这是任何生物现实模拟的关键，其中自我维持的种群必须通过在三维物理环境中收集食物来源来生存。
2011-12-21 cs.NE q-bio.NC q-bio.PE
Outsourcing Memory Through Niche Construction
对变化的环境的适应是生命的普遍特征，并且可以涉及生物体响应环境而修改自身以及主动修改环境以控制选择压力。后一种情况将生物体与环境结合。那么，生物体对环境的反应应该有多快？当记忆和遗忘之间存在权衡时，记忆持续时间如何随着环境变化率而变化，这是我们提出的问题。我们推导出一个通用的缩放法的最佳记忆持续时间，考虑到记忆精度以及两个组成部分的环境波动性，偏见和稳定性。我们发现任何数量的环境波动的次线性缩放。我们使用记忆的复杂性措施，以探索有利于积极减少环境波动性的战略条件（游戏动态）-通过利基建设外包记忆-在神经组织投资。我们预测，当神经组织是昂贵的，环境是可变的，并且能够编码丰富的环境状态库是有益的，稳定的生态位构建将进化。
2023-01-08 physics.bio-ph q-bio.PE
The Dynamic Behavior (Effects) of Impulsive Toxicant Input on a Single-Species Population in a Small Polluted Environment
本文研究了一类具有脉冲毒物输入的单种群污染小环境模型。种群内禀率受环境和生物体内毒素的影响。生物体内的毒素受环境毒素和食物链〈动〉<动>的影响。导出了一个新的数学模型。利用脉冲比较定理，找到了种群的生存阈值，得到了种群持续生存和灭绝的充分条件。
2016-09-12 math.DS q-bio.PE
Many ways to stay in the game: Individual variability maintains high biodiversity in planktonic micro-organisms
与竞争理论明显矛盾的是，已知的、共存的浮游生物物种的数量远远超过了它们可解释的生物多样性--这种差异被称为浮游生物的多样性。我们引入了一个新的竞争微生物的博弈论模型，其中一个球员由一个物种的所有生物。在我们的模型中，种群动力学的稳定点，称为策略行为分布（SBD），是所有生物体行为的概率分布，这意味着整个物种的种群是稳定的。我们发现，种内变异是最终允许共存的关键特征，因为具有可变竞争能力的个体之间的竞争结果是不可预测的。我们的模拟的基础上的理论模型表明，多达100个物种可以共存至少10000代，即使是小的人口规模或竞争能力较差的物种可以生存时，有种内变异。在自然界中，这种变异性可以被观察到为生态位分化、环境和生态因子〈动〉<动>的变异性以及个体行为或生理的变异性。因此，先前对悖论的具体解释与我们的建议一致，并提供了具体的例子，即个体差异是解决悖论的机制。
2020-12-11 q-bio.PE
The value of internal memory for population growth in varying environments
在不同的环境中，生物体利用可用的线索来推断它们可能遇到的条件并表达潜在的有利性状是有益的。然而，外部线索可能不可靠或使用成本太高。我们考虑一种替代策略，其中生物体利用内部信息源。即使没有感知到环境线索，它们的内部状态也可能由于选择而与环境相关，从而形成有助于预测未来条件的记忆。为了证明这种内部记忆在不同环境中的适应价值，我们重新审视了一年生植物种子休眠的经典例子。以前的研究已经考虑了种子的发芽分数及其对环境线索的依赖性。与此相反，我们考虑一个模型的发芽分数，取决于种子年龄，这是一个内部状态，可以作为一个记忆。我们表明，如果环境变化具有时间结构，那么年龄相关的发芽分数将使人口有一个增加的长期增长率。生物体通过内部状态记忆的越多，种群的增长率就越高。我们的研究结果表明，实验方法来推断内部记忆及其在不同环境中的适应效益。
2023-01-09 physics.bio-ph q-bio.PE
Built to evolve
我们研究基于随机突变和自然选择的进化概率。我们的结论是，进化到多细胞真核细胞，甚至原核细胞，是不太可能的结果，只有随机突变。除了随机突变之外，复杂生物体还通过几种机制进化，即DNA重组，适应性突变和外源DNA的获得。我们的结论是，所有的生物体，除了自我组织和繁殖（autopoyetic），有内置的进化机制，其中一些非常具体的方式来应对环境压力。
2005-06-15 q-bio.PE
EUKulele: Taxonomic annotation of the unsung eukaryotic microbes
微生物物种生物多样性的评估在生态学和进化生物学中至关重要（Reaka-Kudla et al. 1996），但对于环境中发现的微生物群落尤其具有挑战性（Das et al. 2006，Hillebrand et al. 2018）。除了提供海洋生物普查之外，评估海洋微生物生物多样性还可以揭示微生物如何应对环境变化（Salazar et al. 2017），澄清社区成员的生态作用（Hehemann et al. 2016），并导致生物技术发现（Das et al. 2006）。基于环境序列数据集可用数据的质量来表征分类多样性和系统发育的计算方法对于促进我们对这些生物在环境中的作用的理解是至关重要的。更紧迫的是需要全面和一致的方法来分配分类环境相关的微生物真核生物。在这里，我们提出了EUKulele，一个开源的软件工具，旨在分配分类微真核生物检测元组学样本，并补充分析方法，在其他领域通过容纳组装输出和提供具体的指标报告每个样本的分类完整性。
2020-10-30 q-bio.PE
Effect of Feedback between Environment and Finite Population
本文构建物种—环境协同进化系统，分析正负反馈对入侵及两物种竞争的影响，揭示早期随机事件和反馈驱动的进化路径可提升低适应度物种接管种群的机会。
2023-10-23 q-bio.PE
Fungal Genetic Variants in Oceanic Environments
本研究分析了不同海洋采样站点的海洋真菌宏转录组数据，评估三个核心基因，发现其遗传变异与海水中铁、盐和磷酸盐环境条件存在潜在关联。
2025-03-03 q-bio.GN q-bio.PE
The dauer mutation of the caenorhabditis elegans, simulated with the Penna and the Stauffer model
两个老化模型进行了分析，他们是否可以证实，dauer突变的线虫有助于保护物种。因此，Penna模型表明，有Dauer幼虫的种群在恶劣的环境条件下生存，而没有Dauer幼虫的种群则会灭绝。在Stauffer模型中，dauer突变对生存的优势仅在一定条件下给出。
2004-03-31 q-bio.PE
Social Insects and Beyond: The Physics of Soft, Dense Invertebrate Aggregations
聚集是一种常见的行为，通过这种行为，生物群体排列成有凝聚力的群体。无论是悬浮在空中（如蜜蜂集群），建造在地面上（如行军蚁桥），还是浸泡在水中（如污泥蠕虫），这些集体都具有多种生物功能，从保护免受捕食到尽管周围环境多变，但仍能维持相对理想的局部环境。在这篇综述中，我们调查了各种昆虫，其他节肢动物和蠕虫从软物质的角度来看，密集的聚集。一个集合体可以比它的个体生物大几个数量级，由数万到数十万个个体组成，但作为一个连贯的实体发挥作用。理解聚合有机体如何相互协调以形成超有机体需要跨学科的方法。我们讨论了如何聚合的物理可以产生额外的见解，从生态和生理的考虑，聚合的个人交换信息，能量和物质不断与环境和彼此。虽然自20世纪初以来，人们就提出了动物聚集和非生命材料物理学之间的联系，但最近出现的行为研究物理学为受物理原理支配的社会互动提供了新的见解。目前的努力集中在真社会性昆虫，然而，我们表明，这些可能只是冰山一角的超级有机体，利用物理相互作用和简单的行为规则，以适应不断变化的环境。通过引起人们对各种无脊椎动物聚集体的关注，我们希望激发新一代科学家探索集体动力学，并加深对密集生物聚集体物理学的理解。
2022-06-22 q-bio.PE
Emergence of proto-organisms from bistable stochastic differentiation and adhesion
多细胞生物在生命早期进化中的出现是进化生物学面临的一个重大挑战。从遗传学到建模和合成生物学，不同的领域都出现了寻找答案的指导，但在遗传程序完全控制发育过程之前，人们对多细胞聚集体的潜在起源知之甚少。这种聚集体应该涉及分化细胞的空间组织以及在明确定义的边界内代谢物的流动和浓度的改变。在这里，我们表明，在一个环境中，有限的营养物质和有毒的代谢产物被引入，能够随机分化和差异粘附的细胞群可以发展成具有复杂的内部结构的多细胞聚集体。可能的模式的形态空间被证明是非常丰富的，包括原始生物，显示出高度的组织复杂性，远远超出简单的异质细胞群体。我们的研究结果表明，有一个潜在的巨大的丰富的有机体之间的复杂性简单的混合合作者和具体的生物体。
2015-11-06 q-bio.PE q-bio.TO
Analysis of self-overlap reveals trade-offs in plankton swimming trajectories
运动是生物体的一种基本行为，它带来与资源和配偶的有益接触，但同时也使生物体面临与捕食者的危险接触。生物体所采用的运动模式应该反映出这些对立过程之间的平衡。这种权衡可以假设为浮游生物的行为是明显的，浮游生物居住在一个稀释的3D环境中，几乎没有避难所或定向地标。我们提出了一个分析的游泳路径的几何形状的基础上的体积蒙特卡罗采样方法，这是特别善于揭示这种权衡通过测量的轨迹的自重叠。应用这种方法的实验测量的轨迹表明，桡足类的游泳模式的形状，以有效地探索体积在小尺度上，同时实现在较大尺度上的大重叠。在观察到的轨迹的规律性，使这两个政权之间的过渡总是比在随机轨迹或随机游走理论预测尖锐。因此，真实的轨迹在寻找食物和暴露于捕食者之间呈现出更强的分离。这种转变的具体规模和特征取决于物种，性别和当地的环境条件，适应国家和阶段依赖的进化权衡。
2014-03-25 q-bio.PE
The evolution of lossy compression
在复杂的环境中，无知和感知都有代价。一个有机体需要追踪与其周围世界的健康相关的信息，但它追踪的信息越多，就必须投入越多的资源用于记忆和处理。率失真理论表明，当允许错误时，可以通过生物学上合理的爬山机制找到非常有效的内部表征。我们确定了两种制度：高保真度区域，其中感知成本与环境复杂性成比例，以及低保真度区域，其中感知成本显著地独立于环境。当环境复杂性上升时，达尔文进化论应该会驱使生物体达到高保真度和低保真度之间的临界点。高效编码的有机体会发现自己能够在环境中做出最细微的区别。
2015-06-19 cs.IT math.IT nlin.AO
Quiescence: a mechanism for escaping the effects of drug on cell populations
我们指出，一个简单而通用的策略，以降低灭绝的风险，包括在发展一个休眠阶段，其中生物体是无法繁殖，但可能会死亡。这种休眠的有机体受到保护，免受有毒环境的侵害。其结果是通过引入一种零繁殖适应度来增加整个种群的生存概率。这是可能的，因为休眠个体的储存库可以作为缓冲，可以缓冲出生和死亡数量的致命波动，如果没有休眠种群，整个种群就会灭绝。
2010-02-24 q-bio.PE
Locally adaptive aggregation of organisms under death risk in rock-paper-scissors models
本研究通过空间版石头-剪刀-布博弈随机模拟，发现生物局部自适应聚集行为在对手密度≤30%时可降低死亡风险、提升共存概率以促进生物多样性，且结论在多物种复杂系统中成立。
2023-01-04 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
Aggregation-diffusion in heterogeneous environments
本研究针对现有聚集-扩散方程未考虑环境异质性的局限，在一维异质环境中研究该方程，推导二次扩散下稳态解的精确解析表达式并通过能量泛函最小化快速确定空间利用模式，验证了资源与自吸引共同作用下的反直觉空间利用规律。
2025-04-15 math.AP q-bio.PE
Ambush strategy enhances organisms' performance in rock-paper-scissors games
研究五物种循环博弈中个体通过环境线索调整移动策略（直接攻击或伏击），发现伏击策略显著提升成功率并影响空间组织，长程感知可提升性能超60%。
2024-05-04 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
Blood Vessel Tortuosity Selects against Evolution of Agressive Tumor Cells in Confined Tissue Environments: a Modeling Approach
癌症是一种细胞调节疾病，通常由细胞内的基因突变引发，并导致组织内的异质细胞群。在肿瘤内营养和生长空间的竞争中，每个细胞的表型决定了其成功。这个过程中的选择是由微环境（相邻细胞，细胞外基质和扩散物质）和整个生物体（例如血液供应）施加的。从这个角度来看，肿瘤细胞的发展与其日益变化的环境密切相关：细胞变化越多，其环境变化也就越大。此外，在生物体水平上也引入了不稳定性：血液供应可以被增加的组织压力或肿瘤新生血管的迂曲度阻断。细胞、微环境和有机体之间的这种耦合导致了难以预测的行为。在这里，我们介绍了一个基于细胞的计算模型来研究血流阻塞对癌组织内细胞微观演变的影响。我们证明了肿瘤发展的各个阶段是自然出现的，而不需要特定基因的连续突变。其次，我们发现血液供应的不稳定性会影响肿瘤的整体发展，并导致显性侵袭性表型的灭绝，这表明细胞水平的适应性和群体的存活率之间存在明显的区别。这为最近的肿瘤血管重整方法的潜在副作用提供了新的见解。
2017-06-28 q-bio.PE q-bio.TO
Fitness and Overfitness: Implicit Regularization in Evolutionary Dynamics
本文利用进化动力学与贝叶斯学习的数学同构，提出隐式正则化驱动生物体复杂性匹配环境复杂性，过度或不足适应分别导致过度适应与适应不足，并揭示频繁变化环境降低复杂性的趋势。
2025-08-05 cs.NE q-bio.PE
Critical dynamics of gene networks is a mechanism behind ageing and Gompertz law
虽然积累的分子损伤被认为是一个重要的分子机制老化，损伤积累和物种死亡率的动态之间的定量联系至今仍然难以捉摸。为了解决这个问题，我们研究了一个通用的基因调控网络（GRN）的稳定性，并证明了衰老和相关的人口死亡率的许多特点出现的固有特性的关键动态的基因调控和代谢水平。基于对果蝇基因表达和代谢谱的年龄依赖性变化的分析，我们明确表明，潜在的GRNs几乎是关键的，本质上是不稳定的。这种不稳定性本身表现为基因表达和代谢谱随年龄的畸变形式的衰老，并导致死亡率随年龄的特征性增加，如Gompertz定律的形式所描述的。此外，我们解释了在很晚的年龄观察到的大人口的晚年死亡率减速。我们发现，老龄化包含一个随机的组成部分，有关的转录/翻译/代谢途径中的监管错误的积累，由于网络中的信号级联的不完善和对环境因素的反应。我们还建立了一个强大的决定性成分，这表明遗传控制。由于人类的死亡率与年龄相关疾病的发病率密切相关，因此我们的研究结果支持衰老是人类慢性疾病发展背后的驱动力的观点。
2016-11-23 physics.bio-ph q-bio.GN q-bio.MN
The use of information theory in evolutionary biology
信息是进化生物学中的一个重要概念。信息储存在生物体的基因组中，用于生成生物体以及维持和控制生物体，信息也是“进化之物”。当一个种群适应当地环境时，关于这个环境的信息就固定在一个代表性的基因组中。但是，当环境发生变化时，信息可能会丢失。与此同时，动物大脑处理信息以在复杂环境中生存，信息处理的能力也在进化。在这里，我回顾了信息论在蛋白质进化以及适应执行复杂任务的模拟代理中的信息处理进化中的应用。
2011-12-16 cs.IT math.IT q-bio.NC
Growth of a population of bacteria in a dynamical hostile environment
我们研究了在一个动态的敌对环境中的细菌种群的生长，对应于殖民生物体的免疫系统。免疫细胞进化为亚临界的定向渗滤的开放簇，并通过迁移过程永久地增强，而细菌试图在剩余的空间中生长为超临界定向渗滤。对于适当的参数值，我们证明了细菌的人口线性增长。在这个角度来看，我们建立一般的工具来研究从重整化过程中发出的依赖渗流模型。
2013-10-04 math.PR q-bio.PE
Robust monomer-distribution biosignatures in evolving digital biota
由于生物体合成组分分子的速率反映了这些分子的适应性效用，我们预计生物群的种群会在其环境中留下独特的化学特征，这在当地（非生物）化学中是异常的。我们观察到相同的效果，在分布的计算机指令所使用的一个不断发展的人口的数字生物体，并表征的鲁棒性的进化签名相对于一些不同的变化，在系统的物理。观测到的指令丰度异常具有在大量进化试验和系统参数改变中一致的特征，这使其成为非地球中心生命诊断的候选者
2011-12-20 q-bio.BM q-bio.PE
Playing it safe: information constrains collective betting strategies
本文提出“稳妥行事”原则，指出在信息收集能力有限时生物系统应偏向更简单的世界模型以降低下注风险，并通过细菌随机表型切换证明该原则能提高种群适应度。
2023-05-28 cond-mat.stat-mech math.ST q-bio.PE
The Hiatus Between Organism and Machine Evolution: Contrasting Mixed Microbial Communities with Robots
Università di Bologna（博洛尼亚大学）；European Centre for Living Technology（欧洲生命技术中心）；Institute for Systems Biology（系统生物学研究所）
混合的微生物群落通常由各种细菌和真菌物种组成，在从土壤到人类肠道和皮肤的大量环境中至关重要。它们的进化是相互交织的动态的一个典型例子，其中不仅物种之间的关系发挥作用，而且每个物种给其他物种带来的机会和可能的危害。这些机会实际上是\textit{affordances}，可以被遗传变异和选择抓住。在本文中，从混合微生物群落的系统观点出发，我们专注于启示在进化中的关键作用，并将其与程序和机器人的人工进化进行对比。我们坚持认为，这两个领域是完全分开的，自然进化是以完全开放的方式扩展其可能性的空间，而后者本质上受到它所定义的算法框架的限制。这种差异也体现了机器人在物理世界中进化的设想环境。我们提出的论点支持我们的主张，我们提出了一个实验设置评估我们的声明。这篇文章的目的不仅仅是讨论机器人工进化的局限性，而是强调生物圈进化的巨大潜力，微生物群落的进化就是这一潜力的完美代表。
2022-06-29 cs.AI cs.RO q-bio.PE
