Impact of complex spatial population structure on early and long-term adaptation in rugged fitness landscapes
本文研究图结构种群在崎岖适应度景观中的适应过程，发现稀有迁移下有限结构和选择抑制可提高早期适应效率但延迟到达适应峰，并降低长期稳态有效种群大小与适应度。
2025-02-06 q-bio.PE
Fluctuations in fitness distributions and the effects of weak linked selection on sequence evolution
演化动力学和分子进化模式受到基因组相关区域选择的强烈影响，但我们对这些影响的定量理解仍然不完整。最近的工作集中在预测的适应度分布在一个不断发展的人口，这形成了几种方法的基础上，利用适应度分布预测模式的遗传多样性〈动〉性<动>时，选择是强的。然而，在弱选择群体中，由于遗传漂变而引起的随机波动更为严重，并且群体内的适应度分布和序列多样性都没有得到很好的理解。在这里，我们简要回顾了适应度分布图背后的动机，并总结了在强选择机制中用于分析这种分布的一般方法。然后，我们扩展这些方法的情况下，弱选择，概述了一个扰动处理选择在大量的链接网站。这使我们能够量化的随机行为的健身分布，并产生精确的分析预测的序列多样性和替代率的限制，选择是弱的。
2012-10-15 q-bio.PE
A game-theoretic mechanism for aggregation and dispersal of interacting populations
我们适应的适应度函数从演化博弈论作为一种机制，在偏微分方程（PDE）模型的两个相互作用的人口，描述的密度函数$u$和$v$的聚集和分散。我们考虑一个空间模型，其中个人迁移到当地的适应度梯度，寻找他们的给定特征更有利的位置。由此产生的系统的健身梯度方程是一个退化的系统，具有空间结构，光滑，稳定状态的解决方案，其特征在于在整个域的恒定健身。当种群被视为捕食者和猎物，我们的模型捕捉猎物聚集行为符合汉密尔顿的自私的羊群假说。我们还提出了弱稳定状态的解决方案，在1D是连续的，但在一般情况下并不光滑的地方，与相关的健身是不连续的，分段常数。我们给出了数值例子的解决方案，朝着这样弱的稳定状态。我们还给出了一个例子的空间洛特卡-沃尔泰拉模型，其中的健身梯度通量创建不稳定性，导致空间结构的稳定状态。我们的研究结果还表明，当健身有一定的依赖于当地的相互作用，健身为基础的扩散机制可能会采取行动，以创造整个栖息地的空间变化。
2018-03-15 q-bio.PE
The Fates of Mutant Lineages and the Distribution of Fitness Effects of Beneficial Mutations in Laboratory Budding Yeast Populations
进化的结果取决于突变的发生和修复。在快速适应的微生物种群中，这一过程特别难以预测，因为具有不同有益突变的谱系通常同时传播并干扰彼此的固定。因此，为了预测任何个体变异的命运，我们必须知道新突变创造出具有更高适应性的竞争谱系的速率。在这里，我们直接测量了这种干扰对实验室酿酒酵母种群中特定适应性变体命运的影响，并使用这些测量结果来推断新的有益突变的适应性效应的分布。为了做到这一点，我们将具有不同适应性优势的标记谱系接种到复制种群中，并跟踪其随后的频率数百代。我们的研究结果说明了强烈有利的血统之间的过渡，决定性地扫到固定和更温和的优势血统，往往是在实验过程中出现的新突变的竞争。我们开发了一个近似的可能性框架，将我们的数据与模拟进行比较，发现这些竞争性有益突变的影响最好用指数分布来近似，而不是用单一效应大小来近似。然后，我们使用这个推断的分布的健身效果来预测一组独立的控制种群的适应率。最后，我们讨论了我们的实验设计如何作为一个罕见的，大效应的有益突变的屏幕。
2014-02-13 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
Adaptive evolution of molecular phenotypes
分子表型将基因组信息与器官功能、适应性和进化联系起来。数量性状是依赖于多个基因组位点的复杂表型。在本文中，我们研究的适应性进化的数量性状下的时间依赖选择，它产生于环境的变化或通过适合度与其他共同进化的表型的相互作用。我们分析了一个在突变和遗传漂变下的单峰适合度海景中的性状进化模型。适应度峰值在性状幅度上进行约束随机游走，决定了给定群体中时间依赖的性状最优。我们推导出种群间随时间变化的性状差异和种群内性状多样性的分布的解析表达式。在此基础上，我们提出了一种推断数量性状适应性进化的方法。具体地说，我们证明了平均性状分歧与多样性的比值是进化时间的普适函数，它预测了适应度海景的稳定强度和驱动率。从信息论的角度来看，该函数测量了种群集合中的宏观进化熵，它决定了进化过程的可预测性。我们的解决方案还量化了适应种群的两个关键特征：累积适应通量，它衡量适应的总量，和自适应负载，这是由于种群滞后于适应峰值而产生的适应成本。
2014-03-07 q-bio.PE
The diversity of evolutionary dynamics on epistatic versus non-epistatic fitness landscapes
上位性适应度景观的种类比非上位性景观的种类更加多样化，因此存在只有在上位性存在的情况下才能实现的动力学现象是理所当然的。在这里，我们比较演化动力学的所有有限上位景观与所有有限的非上位景观，弱突变。我们首先分析平均适应度轨迹--也就是说，一个种群的预期适应度的时间过程。我们发现，对于任何上位适应度景观和起始基因型，总是存在一个非上位适应度景观和起始基因型，产生完全相同的平均适应度轨迹。因此，令人惊讶的是，可以通过上位景观实现的平均适应度轨迹的空间并不比可以通过非上位景观实现的平均适应度轨迹的空间更多样化。另一方面，我们表明，上位性适应度景观可以产生动态的时间演化的方差在整个复制种群的适应度和时间演化的预期数量的取代，不能产生任何非上位性景观。这些结果的可识别性的影响，努力推断上位性的数据类型，经常在实验人群中测量。
2015-03-07 q-bio.PE
Fitness and entropy production in a cell population dynamics with epigenetic phenotype switching
最近的理解的随机性质的基因表达，生化信号，和自发可逆的表观遗传转换的动机，我们研究了一个简单的确定性细胞种群动力学，其中亚群生长以不同的速度和单个细胞可以双向切换之间的少数不同的表观遗传表型。在过去的两个理论，种群动力学和主方程热力学，分别定义了两个重要的数学概念：{ \em适应度}在前者和（非绝热）{ \em熵产生}在后者。两者在细胞种群动力学的进化中都起着重要的作用。这种转换维持了亚种群间的变异，从而维持了自然选择的连续性。作为普赖斯方程的一种形式，适应度随着（$i$）自然选择的变化而增加，$(ii)$是人均增长和转换之间的正协方差，这代表了拉马克式的行为。负协方差平衡了适应度稳定状态下的自然选择|“红皇后”的情节同时，这种增长使亚种群的比例远离单个细胞的“内在”转换平衡，从而导致连续的熵产生。一个协方差，人均增长率和“化学势”的亚人口，抵消了熵的产生。分析结果得到的增长主导开关的极限情况下，反之亦然。
2014-08-01 q-bio.PE
Fitness Inference in Presence of Migrations between Coupled Evolving Populations
School of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications（南京邮电大学理学院）；Department of Physics, Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学物理系）；National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing University（南京大学固体微结构物理国家重点实验室）；Department of Computational & Systems Biology, University of Pittsburgh School of Medicine（匹兹堡大学生物计算与系统生物学系）
本文研究了在存在迁移的耦合进化种群中如何推断适应度，通过扩展QLE理论，利用FFPopSim生成的全基因组时间序列数据，展示了在低迁移率条件下QLE相的持续性，并推导出用于准确估计加性适应度和基因相互作用的解析推断关系。
2026-05-21 q-bio.PE
Deterministic evolution of an asexual population under the action of beneficial and deleterious mutations on additive fitness landscapes
研究了一个无限大的无性种群的频率分布的连续时间模型，其中有益突变和有害突变都发生，并且适应度是可加的。当忽略有益突变时，频率分布的精确解已知为泊松分布。在这里，我们包括有益的突变，并获得精确的表达式的频率分布在任何时候使用本征函数展开方法。我们发现，平稳分布是非泊松和有关的第一类贝塞尔函数。我们还提供了适当的近似的平稳分布和时间放松到稳态。我们的精确结果，特别是在突变选择平衡，可以是有用的，在发展半确定性的方法来理解随机进化。
2016-08-31 q-bio.PE
Evolutionary advantage of small populations on complex fitness landscapes
背景资料：最近的实验和理论研究表明，在复杂的适应度景观适应度景观上进化的小型无性种群，由于适应性轨迹的异质性增加，可能比大型种群获得更高的适应度。在这里，我们介绍了一类单倍体三位点适应度景观，允许调查这种情况下，在一个精确和定量的方式。结果如下：我们的主要结果分析表明，选择最大的初始适应度增加的路径的概率与人口规模的增长。这使得大种群更有可能陷入局部适应度峰值，并意味着小种群在中间时间尺度上的优势。这种效应起作用的种群大小范围与克隆干扰的发生相吻合。使用随机适应度景观合奏的其他研究表明，取得的结果为一个特定的选择三个位点的景观参数是强大的，也坚持作为位点的数量增加。结论：我们的研究表明，当适应度景观包含局部最大值时，小群体可能具有优势。优势出现在中间的时间尺度，这是足够长的捕获在当地的适应度最大值已经发生，但太短的峰值逃逸的创建多个突变体。
2011-02-23 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Critical Fitness Collapse in Three-Dimensional Spatial Population Genetics
如果在一个空间分布的群体中，接近适应度最大值的有害突变足够频繁或有害，那么该群体可能会经历适应度崩溃，类似于混合良好的群体中的穆勒棘轮效应。一维生境的最新研究（例如，二维范围扩展的边界）已经表明，适合度崩溃的开始由具有其相关临界指数的定向渗透相变来描述。我们考虑了三维范围扩展中的种群适应度崩溃，其中既有膨胀边界，也有固定大小的边界（适用于，例如，分别为扩张和扩张性球形肿瘤）。我们发现，在这两种情况下的健身崩溃的发病服从不同的标度律，物种之间的竞争在前线导致偏离定向渗滤标度。就像在二维范围扩展中一样，膨胀边界通过因果地断开种群中分离良好的部分来修改临界行为。
2015-04-03 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Evolutionary Fitness in Variable Environments
进化论的一个基本要素是适应度的概念，它是衡量一个物种在其生存条件下成功的一个尺度。在这里，我们量化的环境波动对健身的一般进化模型的分析计算，并通过研究相应的个人为基础的微观模型。我们证明，不仅更大的增长率和活力，但也降低了对环境变化的敏感性，大大增加了健身。即使是中性进化，增长率的变化也起着至关重要的作用，大大减少了预期的固定时间。因此，环境波动构成了一种机制，可以解释从遗传数据推断出的有效种群大小，而这些种群大小往往比人口普查的种群大小小得多。
2015-05-17 q-bio.PE
Inferring Fitness in Finite Populations with Moran-like dynamics
生物适合度不是一个可观测的量，必须从种群动态中推断出来。贝叶斯推理应用于莫兰过程和变体产生一个强大的推理方法，可以推断健身人口通过莫兰动态和泛化。有关适应度的信息完全来自出生-死亡和死亡-出生过程中的出生事件，其中选择与适应度成比例，这使得该方法可以应用于网络本身可能随时间变化的网络上的种群。还可以允许群体改变大小，同时仍然允许推断适合度的估计。
2013-10-23 cs.NE math.DS q-bio.PE
Information and fitness in two-state systems: self-replicating individuals in a fluctuating environment
本研究构建环境与表型均为两态的系统，探究二者互信息与种群适应度的关系，提出归一化适应度下二者等价，明确个体提升信息的策略及二者上限，为生物适应波动环境提供新见解。
2025-07-31 q-bio.PE
How to infer relative fitness from a sample of genomic sequences
越来越多的证据表明，自然种群可以拥有广泛的健身多样性与众多的基因组位点的选择。它也是已知的，在选择下的群体的系谱树是量化不同的预期下的中性进化和统计描述的金曼的合并。虽然家谱的统计结构的差异长期以来一直被用作选择存在的测试，但它们所包含的全部信息尚未被利用。在这里，我们将证明，从适应度不同的，但在其他方面非结构化的无性种群中提取的适度大量的随机基因组样本的重建系谱树的形状可以用来预测样本中个体的相对适应度。为了实现这一目标，我们定义了一个启发式算法，我们测试在硅片上使用模拟赖特-费舍尔模型的一个现实的范围内的突变率和选择强度。我们推断的健身排名是基于一个线性神经网络，它可以快速识别合并的谱系重建树。推断的适合度排名与实际适合度强烈相关，排名前10%的基因组是最适合的前20%，错误发现率为0.1-0.3，这取决于突变/选择参数。该排名还能够预测未来种群从当前种群继承的基因型。虽然推理精度随着样本大小单调增加，但200个样本几乎使性能饱和。我们建议，我们的方法可用于推断在肿瘤的单细胞测序中获得的基因组的相对适合度和监测病毒爆发。
2013-01-03 q-bio.PE
Evolutionary Games with Affine Fitness Functions: Applications to Cancer
我们分析了进化游戏的动态，其中健身被定义为仿射函数的预期收益和一个常数的贡献。由此产生的非齐次复制子方程有一个齐次等价的修改后的回报。仿射项也影响有限种群的两策略Moran模型的随机动力学。然后，我们将仿射适应度函数应用于肿瘤-正常细胞相互作用的模型中，以确定哪些是最成功的肿瘤策略。为了分析肿瘤群体内并发策略的动态，我们将模型扩展到涉及不同肿瘤细胞类型以及正常细胞的三策略游戏。在该模型中，与正常细胞的相互作用，结合增加的恒定适应性，是在正常组织中建立肿瘤细胞群体的最有效方式。
2011-08-30 q-bio.PE
Fluctuation Domains in Adaptive Evolution
我们推导出一个表达式的表型进化的平行轨迹之间的变化，扩展了众所周知的结果，预测适应性动力学或数量遗传学的平均进化路径。我们展示了这个表达式如何引起波动域的概念-部分的适应度景观的进化速度是非常可预测的（由于波动耗散）和部分，它是高度可变的（由于波动增强）。这些波动域由适应度景观的曲率决定。具有正曲率的适应度景观的区域，例如适应性山谷或分支点，经历增强。具有负曲率的区域（如自适应峰）会经历耗散。我们探索这些动态的生态场景中的隐性和显性的竞争有限的资源。
2010-04-23 q-bio.PE
Evolutionary Processes in Finite Populations
我们考虑任意适应度景观上大而有限的种群的演化。我们用马尔可夫-莫兰过程来描述进化过程。我们证明了对于$\mathcal O(1/N)$，有限种群的时间平均适应度比无限种群的时间平均适应度低。我们还表明，在一个给定的基因型的个体数量的波动可以成正比的幂的突变率的倒数。最后，我们表明，系统采取给定的路径通过适应度景观的概率可以是非单调的系统规模。
2013-01-25 q-bio.PE
Crossing a fitness valley as a metastable transition in a stochastic population model
我们考虑一个种群动态的随机模型，其中每个个体的特征是{0，1，. L}，并且具有自然繁殖率、由于年龄或竞争的逻辑死亡率以及在每个繁殖事件中向邻近性状突变的概率。我们选择的参数，使诱导的健身景观表现出一个山谷：突变个体的负适应性必须创建，以使人口达到一个具有正适应性的特征。我们重点讨论了几种速度下大群体和罕见突变的极限。特别地，当突变率足够低时，亚稳定性发生：谷的退出时间是随机的，呈指数分布。
2019-02-11 math.PR q-bio.PE
Quasispecies can exist under neutral drift at finite population sizes
我们研究了有限种群的RNA序列适应中性适应度景观的演化动力学。尽管可行序列之间缺乏差异适应度，但我们观察到了适应性进化的典型特性，例如平均适应度随时间的增加和间断的平衡转变。我们讨论了这些结果的影响，了解进化在高突变率，并扩展相关的准种概念，有限的人口和时间尺度。我们的研究结果表明，准种的概念和中性漂移不是互补的概念，每个的相对重要性是由人口规模和突变率的组合。
2005-09-01 q-bio.PE
Evolution of Variance in Offspring Number: the Effects of Population Size and Migration
Gillespie（1974）指出，如果两个基因型在每代中产生相同的平均后代数，但具有不同的方差，则方差较小的基因型将具有较高的有效适合度。具体地说，有效适应度是W（effective）=w-var/N，其中w是平均适应度，var是后代数量的方差，N是总种群大小。该模型还预测，如果一个策略具有比竞争对手更高的算术平均适应度和更高的方差，则选择的结果将取决于种群规模（较大的种群规模有利于高方差，高平均基因型）。这表明，对于集合种群与大量（相对）小demes，一个策略，较低的方差和较低的平均值可能是有利的，如果迁移率低，而较高的迁移率（符合一个较大的有效种群大小）有利于相反的策略。基于个人的模拟证实，这确实是一个岛屿模型的迁移的情况下，虽然迁移的影响有很大的不同，这取决于迁移之前或之后的选择。在附录中注意到，虽然Gillespie 1974似乎确实在理论上是准确的，但不清楚有效适应度的定义是否来自他的推导。
2005-01-26 q-bio.PE
Minimal informational requirements for fitness
现有的概念的“信息的健身价值”提供了一个理论上的上限的健身优势，使用有关波动环境的信息。使用率失真理论的概念，我们开发了一个理论框架来回答一对不同的问题：人口达到一定增长率所需的最小信息量是多少？一个子群体要获得比另一个子群体更高的平均选择系数所需的最小信息增益是多少？我们引入了适应度和失真之间的对应关系，并使用解析和数值方法求解了几个系统的率失真函数。由于准确的信息处理是精力充沛的成本，我们的方法提供了一个理论基础，了解进化的“设计原则”的信息成本权衡。
2021-12-03 q-bio.PE
The competition between simple and complex evolutionary trajectories in asexual populations
在崎岖的适应度景观中，符号上位性是常见的，适应通常涉及个体有益的“上坡”突变或涉及适应谷或高原的更复杂的突变轨迹。进化过程的动力学决定了进化在各种相互竞争的可能轨迹中采取任何特定路径的概率。如果我们要理解崎岖地貌上适应的结果和可预测性，理解这种进化选择是必不可少的。我们提出了一个简单的模型来分析进化将避开立即上坡的路径，有利于跨越健身谷或高原，导致更高的健身，但不太容易获得的基因型的概率。我们计算这种概率如何取决于人口规模，突变率，和相关的选择压力，并比较我们的分析结果赖特-费舍尔模拟。我们发现，跨越山谷的概率依赖于非单调的人口规模：中等规模的人口最有可能遵循“贪婪”的策略，立即获得有益的突变，即使他们导致进化的死胡同，而较大和较小的人口更有可能跨越健身谷，以达到遥远的有利基因型。我们明确地确定这些不同的制度之间的界限，在相关的进化参数。超过一定的阈值人口规模，我们表明，进化的“远见”的程度只取决于一个简单的相关参数的组合。
2014-12-12 q-bio.PE
Exploiting the adaptation dynamics to predict the distribution of beneficial fitness effects
无性种群的适应是由有益的突变驱动的，因此这个过程的动力学，除了其他因素外，取决于有益的健身效果的分布。已知在不相关的适应度景观上，这种分布只能是三种类型：截尾分布、指数分布和幂律分布。我们进行了广泛的随机模拟，以研究崎岖的适应度景观的适应动态，并确定了两个数量，可以用来区分潜在的分布有益的健身效果。这里研究的第一个量是在种群中传播的连续突变之间的适应性差异，发现在截断分布的情况下减少，对于指数衰减分布保持几乎恒定，并且当适应性分布以幂律衰减时增加。第二个感兴趣的量，即适应度随时间的变化率，对于不同的有益适应度分布，也表现出定量的不同行为。发现上述两个量所显示的模式对于低和高突变率都成立。我们将讨论如何利用这些模式来确定有益的健身效果在微生物实验中的分布。
2015-12-25 q-bio.PE
Inferring and Predicting Clade-Level Relative Transmission Fitness in Seasonal Influenza A Using Differential Population Growth Rate and Deep Learning
Old Dominion University（老道明大学）；North Carolina A&T State University（北卡罗来纳农业与州立大学）
本文应用差异种群增长率框架和卷积神经网络，基于全球流感监测数据估计H3N2和H1N1支系的相对传播适应性，并实现从全基因组序列预测适应性，揭示了新兴支系K的适应性优势及基因组贡献位点。
2026-06-23 q-bio.PE
Multiple adaptive substitutions during evolution in novel environments
我们考虑一个无性种群在强选择-弱突变条件下在崎岖的适应度景观上演化，该景观具有许多局部适应度峰值。与以前的研究中，人口的初始适应度被假定为高，在这里，我们开始适应过程与低适应度对应的人口在一个紧张的新环境。对于通用的健身分布，使用的分析参数，我们发现，到局部最优的平均步骤数随基因型序列长度而变化，并随着基因型之间的相关性增加而增加。当适应度服从指数分布或均匀分布时，利用种群适应度分布的演化方程，我们解析地计算了固定有益突变的适应度分布和步行长度分布。
2011-09-02 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Tipping points in fitness landscape of heterogeneous populations
本文借助金融资产定价模型构建异质种群适应度动力学框架，揭示表型可塑性与对冲策略的相互作用如何导致临界点及灾难性转变，并给出临界慢化标度律与特征恢复时间。
2024-10-23 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.PE
The Organization and Control of an Evolving Interdependent Population
从达尔文开始，生物学家就一直在研究种群是如何从进化稳定的低适应状态进化到不稳定的高适应状态的。特别令人感兴趣的是合作和多细胞的出现，其中个体的适应性经常与群体的适应性发生冲突。社会进化理论和演化博弈论在两态两体框架下取得了许多丰硕的成果。在这项研究中，我们离开这个传统，而是考虑一个多玩家，多状态的进化游戏，其中代理的健身是由它的关系，以任意数量的其他代理。我们发现，人口组织自己在四个不同的相互依赖的阶段之一，取决于一个参数，选择强度。其中一些阶段涉及形成专门的大型结构。然后，我们描述了如何通过各种外部扰动的独立性的演变可以操纵。
2015-11-07 q-bio.PE
Fitness versus Longevity in Age-Structured Population Dynamics
我们研究了一个年龄结构的人口模型，其中后代的预期寿命可能会发生突变的父母。虽然系统的总人口总是达到一个稳定的状态，适应度和年龄特征表现出反直觉的行为作为突变偏差的函数。通过分析和数值研究的基本速率方程，我们表明，如果有害的突变是有利的，人口的平均适应度达到一个稳定的状态，而人口的平均年龄是一个整体的适应度的递减函数。当有利的突变是有利的，平均群体适应度随时间t线性增长，而平均年龄是独立的适应度。对于没有突变偏差的情况，平均适应度随t^{2/3}增长。
1999-12-16 adap-org cond-mat.stat-mech nlin.AO
Fitness inference tested by in silico population genetics
Nanjing University of Posts and Telecommunications（南京邮电大学）；Nanjing University（南京大学）；University of Pittsburgh School of Medicine（匹兹堡大学医学院）；AlbaNova University Center（阿尔巴诺瓦大学中心）
本研究通过计算机模拟检验了利用群体遗传学数据推断适应度参数的可行性，并探讨了在何种参数范围内该推断是可能的。
2025-10-23 physics.bio-ph q-bio.PE
Evolution with recombination as a Metropolis-Hastings sampling procedure
本文提出了一个包括单倍体选择、突变、重组和漂变的群体遗传进化模型。突变选择均衡可以精确地表示为任意适应度函数的封闭形式，而无需采用扩散近似。通过使用n-亲本而不是2-亲本重组产生新的后代来实现可处理性。虽然这在后代中强制连锁平衡，但它允许在连锁不平衡下分析整个群体。我们推导出一个一般的和确切的适应度波动和选择反应之间的关系。我们的假设允许各种非平凡的适应度函数的模型的平稳分布的分析计算。这些结果使我们能够谈论遗传结构，即，不同的适应度函数会导致什么样的平稳分布。本文提出了精确推导有限和无限总体定态的方法。这种方法可以应用于许多适应度函数，我们给出了其中四个的精确计算。这些结果使我们能够研究亚稳定性，适应度函数之间的权衡，甚至考虑纠错码
2023-02-24 q-bio.PE
Generalization of the Ewens sampling formula to arbitrary fitness landscapes
在考虑转录区域、调控模块和其他感兴趣的基因组位点的进化时，我们经常面临等位基因状态的数量大大超过群体大小的情况。在这个极限下，种群最终会达到突变-选择-漂移平衡的稳定状态。虽然新的等位基因继续通过突变进行探索，但群体的统计数据，特别是在从群体中采集的样品中看到特定等位基因构型的概率，并不随时间而改变。在没有选择的情况下，等位基因构型的概率由Ewens抽样公式给出，该公式广泛用于群体遗传学以检测偏离中性的情况。在这里，我们将这个公式推广到任意的，可能上位的，适应度景观。虽然我们的方法是一般性的，我们专注于类的景观，其中等位基因被分组为两个，三个或几个健身状态。这类景观产生的采样概率在计算上更容易处理，并且可以形成从序列数据推断选择签名的基础。我们证明，对于相当大范围的突变率和选择系数，稳态等位基因多样性不是中性的。因此，它可以用来推断选择系数，以及其他关键的进化参数，使用进化群体的高通量测序收集基因座多态性的数据。我们还发现，我们的理论仍然足够准确，即使假设，如无限的等位基因限制和“完全连接”的假设，其中每个等位基因可以突变成任何其他等位基因是放松的。因此，我们的框架建立了一个理论基础，推断选择签名从上位适应度景观进化产生的序列样本。
2016-07-25 q-bio.PE
Environmental fitness heterogeneity in the Moran process
许多进化的数学模型都假设所有个体都经历相同的环境。在这里，我们研究的Moran过程在异构环境中。种群的规模有限，有两种相互竞争的类型，它们暴露在固定数量的环境条件下。繁殖率是由类型和环境决定的。我们首先计算选择的条件，以有利于突变体相对于居民野生型。在大种群中，当且仅当突变体的空间平均繁殖率超过居民时，突变体才受到青睐。但是环境的异质性揭示了突变体和原住民之间有趣的不对称性。具体来说，突变体的异质性抑制了它的固定概率;如果这种异质性足够强，它甚至可以完全抵消选择的影响（包括在大种群中）。相反，居民异质性对突变体在大群体中的固定概率没有影响，并且可以在小群体中放大它。
2018-12-18 q-bio.PE
The Role of Life Cycle and Migration in Selection for Offspring Variance
如果两个基因型的平均后代数相同，但后代数的方差不同，自然选择会偏向方差较小的基因型。在这些条件下，适应度的概念变得模糊不清，因为进化的结果不是确定的。然而，在几种情况下计算了后代数量的方差对突变策略固定概率的影响，得出的一般结论是，后代数量的方差降低了适应度，但仅与种群规模的倒数成比例（Gillespie 1974，Proulx 2000）。在集合种群的情况下，这种关系变得更加复杂，其中“有效”种群规模取决于迁移率、种群结构和生活周期〈动〉<动>。我们表明，在硬选择和弱迁移适应度在集合种群组成的大小相同的demes是由deme大小。相反，高迁移率和硬选择的有效健身取决于总规模的集合种群。有趣的是，在软选择下，迁移或邻近种群结构对有效适应度没有影响，适应度仅取决于种群规模。我们使用Shpak（2005）中开发的基于个体的模拟来验证我们的分析近似，并调查我们假设的相等deme大小的偏差。
2005-12-19 q-bio.PE
Length of adaptive walk on uncorrelated and correlated fitness landscapes
我们考虑了一个无性种群在崎岖的适应度景观上上坡行走的适应动力学，该景观具有大量的局部适应度峰值。我们工作在一个参数制度，只有那些突变是单突变的距离是可访问的，作为一个结果，人口最终被困在一个局部的适应度最大值和自适应步行终止。我们研究了在达到局部适应度峰值之前，种群所采取的自适应步骤的数量如何取决于种群的初始适应度、有益突变的极值分布以及适应度之间的相关性。假设连续步骤之间的相对适应度差异很小，对于给定的初始适应度，我们分析计算所有极值域中不相关和相关适应度的平均步行长度。我们提出了数值结果的模型，其中的适应度差异可以很大，并发现步行长度的行为不同于前一个模型中的Fréchet域的极值理论。我们还讨论了我们的结果的相关性，微生物实验。
2014-08-19 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Inferring genetic fitness from genomic data
一个自然发展的种群的遗传组成被认为是由于突变、选择、遗传漂变和重组。选择被建模为单位点项（加性适应度）和双位点项（成对上位适应度）。提出了从发展中群体的时间序列的全基因组数据推断上位适应度的问题。我们产生这样的数据在硅片上，并表明，在准连锁平衡（QLE）木村，Neher和Shraiman阶段，属于在足够高的重组率和足够低的突变率，上位适合可以定量正确推断使用逆Ising/Potts方法。
2020-01-07 q-bio.PE q-bio.QM
Modes of competition and the fitness of evolved populations
个体之间的竞争推动了整个物种的进化。虽然最适者生存的时间最长，产生的后代最多，但在某些情况下，最终的物种可能不是最佳的。在这里，使用一个简单的生态模型的理论分析和随机模拟，我们展示了如何竞争的模式可以深刻地影响进化物种的健身。当个体直接相互竞争时，自适应动态框架提供了对占据最大适应度位置的物种的数量和分布的准确预测。相比之下，如果竞争是由共同资源的消耗介导的，那么人口统计噪声会导致物种的稳定性接近最小的健身。
2015-09-23 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The impact of nonheritable variation in division rates on population growth across environments
研究分裂率的非遗传变异对种群增长的影响，用具有表型结构的线性模型，发现变异性以非线性方式改变主导特征值，存在内在权衡，为理解异质性影响种群动态提供框架，强调变异性对种群增长的重要性。
2026-07-10 q-bio.PE
Statistical properties and error threshold of quasispecies on single-peak Gaussian-distributed fitness landscapes
Feng等人提出的随机本征模型（Journal of theoretical biology，246（2007）28）表明，误差阈值不再是相变点，而是一个交叉区域，其宽度取决于环境中随机波动的强度。这一现象的根本原因尚未得到很好的研究。本文采用单峰高斯分布的适应度景观代替常数适应度景观，研究和分析了误差阈值的变化和拟种群的统计特性。我们发现误差阈值的宽度和适应度波动强度之间存在近似线性关系。对于一个给定的准种，在平均相对浓度的最大值处，相对浓度的波动有一个最小值，相对浓度的分布为正态分布，而在误差阈值附近，相对浓度的波动有一个最大值，相对浓度的分布为双峰分布。上述结果加深了我们对准种和错误阈值的理解，对探索切实可行的抗病毒策略具有启发意义。
2015-06-01 q-bio.PE
Fitness dependence of the fixation-time distribution for evolutionary dynamics on graphs
进化图论模拟了自然选择和随机漂移对竞争突变和非突变个体的结构化种群的影响。最近的研究发现，在这样的系统中的固定时间往往有右偏分布。然而，很少有人知道这些分布和它们的偏斜如何依赖于突变体适应度。在这里，我们计算的固定时间分布的适应度依赖于两个极端的网络模型的人口中的Moran死亡过程：完全图和一维环格，获得精确的解决方案，在大的网络规模的限制。我们发现，与非中性的健身，莫兰过程的环具有正态分布的固定时间，独立的相对健身的突变体和非突变体。相比之下，在完整图上，注视时间分布是两个Gumbel分布的适应度加权卷积。当适应度为中性时，注视时间分布不连续地跳跃，并且在完全图和环上都变得高度偏斜。即使在这些简单的网络上，固定时间分布也表现出丰富的适应度依赖性，具有不连续性和普遍性区域。扩展我们的结果，以两个健身莫兰模型，部分固定的时间，和随机网络上的进化进行了讨论。
2019-05-31 q-bio.PE
Adaptation and irreversibility in microevolution
在群体遗传学的框架内，我们考虑了在快速变化的自然选择（微进化）的影响下无性单倍体群体的进化。我们关注的情况下，其中的环境施加选择随机变化。我们推导出有效的基因型和健身动力学在较慢的时间尺度上，相关的遗传修饰发生。我们发现，尽管快速的环境切换，人口管理，以适应快速的时间尺度产生有限的积极贡献的健身。然而，这样的贡献是平衡的适应度由于不断变化的选择，使全局适应度的统计数据可以忽略快速环境过程的细节来描述。如果只考虑慢时间尺度上的有效基因型和适应度动态，那么在快时间尺度上的适应发生将是不可检测的。因此，我们提出了一个实验观察到它。
2014-11-13 q-bio.PE
Population Fitness and Genetic Load of Single Nucleotide Polymorphisms Affecting mRNA splicing
有害的遗传变异可以使用基于信息论的识别位点序列分析作为数量性状进行评估。为了评估这些变体的影响，改变结合位点亲和力的SNP的适合度和遗传负荷来自个体信息和等位基因频率的变化。改变mRNA剪接的人类SNP根据其遗传负荷进行划分。具有高遗传负荷（> 0.5）的SNP在基因组中是常见的，并且在许多情况下，预测的效应得到基因表达研究的支持。
2011-07-04 q-bio.GN q-bio.PE
The traveling wave approach to asexual evolution: Muller's ratchet and speed of adaptation
我们使用行波理论推导出表达式的累积率的有害突变下穆勒的棘轮和适应的速度下，在无性群体的积极选择。行波理论是一个半确定性的描述一个不断发展的人口，其中大部分人口建模使用确定性方程，但类的最高适应度基因型，其随时间的演变决定的损失或增益的适应度在人口中，给予适当的随机处理。我们推导出改进的方法来模拟最高的健身类（随机边缘）的穆勒棘轮和适应性进化，并计算分析校正项，补偿不准确时出现的离散健身类作为一个连续体。我们表明，行波理论的突变累积率的情况下，穆勒的棘轮作出了很好的预测，并在一个非常广泛的参数范围内的适应速度作出了很好的预测。我们预测适应率随种群规模的增长而增长，直到种群规模非常大。
2007-10-10 q-bio.PE
The Impact of Environmental Fluctuations on Evolutionary Fitness Functions
作为衡量一个物种在自然选择中成功与否的尺度，适应度的概念是进化论的核心。在这里，我们调查繁殖率是不是恒定的，但在响应环境波动，影响物种的繁荣，从而其健身。有趣的是，我们发现，不仅更大的增长率，但也降低了对环境变化的敏感性，大大增加了健身。因此，根据环境的噪音水平，最大限度地降低这种敏感性而不是优化再现速度可能是一种进化成功的策略。同样，对于中性进化，具有完全相同特性的物种竞争，生长率的变化也起着至关重要的作用。在环境噪声的存在下，一个物种固定的时间大大减少。因此，环境波动是从遗传数据推断的有效种群大小的一种可能的解释，而这种有效种群大小往往比人口普查的种群大小小得多。
2015-10-19 physics.bio-ph q-bio.PE
Stochastic and Information-thermodynamic Structures of Population Dynamics in Fluctuating Environment
波动环境中的适应是一个为环境信息提供燃料以获得适应性的过程。生命系统已经逐渐发展出适应的策略，从随机和被动的表型多样化到更积极主动的决策，其中环境信息被更积极有效地感知和利用。因此，了解适应度和信息之间的基本关系对于澄清适应的局限性和普遍性质至关重要。在这项工作中，我们阐明了潜在的随机和信息热力学结构在这个过程中，通过推导因果波动关系（FR）的健身和信息。结合表型动力学与环境动力学之间的对偶性，FRs揭示了适应度增益的极限、时间可逆性与极限可克服性之间的关系，以及由于环境波动而获得超额适应度的可能性和条件。由于因果约束和有限的能力，真正的生物体的适应性损失被证明是表型和环境动态的时间向前和时间向后的路径概率之间的差异。此外，FR通过给出由于罕见的环境波动而导致平均最优策略被次优策略侵入的概率，推广了波动环境下的进化稳定状态（ESS）的概念。这些结果阐明了适应和进化中的信息热力学结构。
2017-05-27 q-bio.PE
Metastable Evolutionary Dynamics: Crossing Fitness Barriers or Escaping via Neutral Paths?
我们分析研究的动态演变的人口表现出亚稳定性的表型或健身水平。在恒定的选择性环境中，这种亚稳态行为是由两种性质不同的机制引起的。一方面，种群可能被固定在局部适应性最优值，通过低适应性基因型的{ \em适应性屏障}与较高适应性基因型分离。另一方面，群体可能仅在表型或适合度水平上是亚稳定的，而同时在选择性中性基因型的{ \em中性网络}上扩散。在这种情况下发生亚稳定性是因为群体与更高适应度的基因型被{ \em熵屏障}隔开：群体必须探索这些中性网络的大部分，然后才能发现与更适合的表型的罕见联系。我们推导出解析表达式的障碍跨越时间在健身障碍和熵障碍制度。与“牺牲”的进化模型相比，我们表明，达到更高的健身的等待时间强烈依赖于健身障碍的宽度，其高度少得多。分析进一步表明，穿越熵障碍比穿越适应度障碍快几个数量级。因此，当种群被困在亚稳态表型状态时，它们最有可能沿着基因型空间中的中性路径穿过熵垒而逃脱。如果不存在沿着中性路径的这种逃逸路线，则种群最有可能在障碍为{ \em最西}的地方而不是障碍最浅的地方穿过适应度障碍。
1999-07-02 adap-org nlin.AO q-bio.PE
Quasispecies Theory for Horizontal Gene Transfer and Recombination
我们介绍了一个泛化的平行，或Crow-Kimura，和本征模型的分子进化代表人口中的个体之间的遗传信息的交换。我们研究了不同的遗传重组方案对种群中个体的稳态平均适应度和分布的影响，通过一个解析场论映射。我们调查了来自群体的水平基因转移和成对个体之间的重组。有些令人惊讶的是，准物种理论对现代生物学的这些非线性推广是可以解析求解的。对于双亲复合，我们发现两个选定的阶段，其中之一是光谱刚性。我们提出了精确的分析公式的平衡平均适应的人口，在最大值原则，这是普遍适用于任何排列不变的复制率函数。对于光滑的适应度景观，我们表明，当正上位相互作用存在，重组或水平基因转移引入了一个温和的负荷对选择。相反，如果适应度景观表现出负上位性，水平基因转移或重组通过增强对最适合的基因型的选择而引入优势。这些结果证明了突变决定论假说对于准种模型是成立的。对于不连续的单尖峰适应度景观，我们表明，水平基因转移没有影响的适应度，而重组降低适应度，并行和本征模型。我们提出的数值和分析结果，以及相图的不同情况下。
2008-12-12 q-bio.PE
Number of adaptive steps to a local fitness peak
我们考虑一个人口的基因型序列上的崎岖的适应度景观与许多当地的健身高峰。种群向上走，直到遇到局部适应度最大值。我们发现，步行长度的统计特性取决于潜在的健身分布是否有一个有限的平均。如果平均值是有限的，则所有步行长度累积量都会随着序列长度而增长，但否则会接近常数。我们的分析结果的实验意义进行了讨论。
2011-11-24 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Quantifying the role of population subdivision in evolution on rugged fitness landscapes
自然选择驱使种群走向更高的适应性，但跨越适应性山谷或高原可能会促进涉及上位性的崎岖适应度景观的进展。我们定量地研究了细分无性种群对穿越适应度谷或高原所需时间的影响。我们专注于一个通用的和最小的模型，其中只包括人口细分为全球移民连接到等效的demes，并不需要显着的规模变化的demes，环境异质性或特定的地理结构。我们确定的最佳加速的山谷或高原交叉，可以通过细分获得，如果该过程是由跨最快的deme驱动。我们发现，孤立的群落必须在顺序固定制度细分显着加速交叉。使用马尔可夫链理论，我们得到的条件下，实现最佳加速的解析表达式：山谷或高原穿越的细分人口，然后一样快，其最快的deme。我们通过随机模拟验证我们的分析预测。我们证明，细分可以大大加快跨越健身谷和高原在很大范围内的参数扩展到最佳窗口之外。我们研究了不同程度的细分人口的影响，并调查之间的权衡的幅度的最佳加速和宽度的参数范围内发生。我们的结果也适用于弱有益的中间突变。我们将我们的工作扩展到人口迁移到一个或几个较小的岛屿的情况。我们的研究结果表明，细分与迁移单独可以显着加速健身谷和高原的交叉，并揭示了必要的定量条件发生。
2014-08-14 physics.bio-ph q-bio.PE
Predicting patterns of long-term adaptation and extinction with population genetics
群体遗传学努力为灭绝建模;标准模型跟踪基因型的相对而非绝对适合度，而例外情况只描述了从即将到来的厄运到进化拯救的短期过渡。但灭绝可能不仅是由于未能适应灾难，也是由于未能适应积压的环境挑战。我们将长期进化建模为一系列小挑战，其中适应性较强的种群达到更高的种群规模。人口的长期适应动态很好地近似一个简单的随机马尔可夫链模型。当某些基因型的适应速度超过环境恶化的速度时，就会出现长期持续性。长期持续时间与典型的化石种〈动〉<动>持续时间几百万年一致。就在灭绝之前，适应度迅速下降，看起来好像一场灾难破坏了一个稳定建立的种群，尽管渐进的进化过程是负责任的。新的种群会经历一个建立阶段，尽管在人口统计学上是可行的，但它们的灭绝风险会升高。如果种群存活足够长的时间，灭绝的风险会随着时间的推移而变得恒定。
2016-08-29 q-bio.PE
Fluctuation relations and fitness landscapes of growing cell populations
我们构建了一个不断增长的细胞群体的路径制定，基于两个不同的采样人口内的谱系，即向前和向后采样。我们表明，一般的对称关系，称为波动关系，这两个采样，独立的模型用于产生分裂和生长的细胞群体。这些关系导致了人口增长率的估计，正如我们通过分析一组母机数据所证明的那样，这可能非常有效。这些波动关系导致一般和重要的不平等之间的平均数的分裂和人口的倍增时间。我们还研究了适应度景观，这是一个基于上述两个采样的概念，它量化了感兴趣的表型性状和分裂数之间的相关性。我们得到明确的结果时，性状的年龄或大小，年龄和大小控制的模型。
2021-11-02 physics.bio-ph q-bio.PE
The influence of horizontal gene transfer on the mean fitness of unicellular populations in static environments
本文建立了一个数学模型，描述了接合介导的水平基因转移（HGT）对单细胞原核生物无性繁殖群体中突变选择平衡的影响。假设突变-选择平衡是在固定背景浓度的抗生素存在下达到的，为了生存，种群必须对抗生素产生抗性。我们分析了该模型在低和高抗生素诱导的一阶死亡率常数的限制下的行为，发现在低细菌接合率下获得最高的平均适应度。当共轭率超过一个阈值时，平均适应度下降到最小值，然后当共轭率变得无限大时，平均适应度渐近地上升到一个极限值。然而，该极限值小于在低共轭率极限下获得的平均适合度。对于我们所考虑的参数范围，平均适应度对结合率的这种依赖性相当小，并且由于抗生素的存在而导致的一阶死亡率常数接近于零而消失。对于抗生素死亡率常数的大值，我们已经得到了平均适应度的行为的解析解，与模拟结果吻合得很好。本文的结果表明，接合介导的HGT有轻微的有害影响的平均适合度的人口在突变选择平衡。因此，我们认为，HGT赋予一个选择性的优势，允许更快地适应一个新的或不断变化的环境。本文的研究结果与环境胁迫可以促进HGT的观察结果一致。
2009-07-04 q-bio.GN q-bio.PE
Fitness response relation of a multi-type age-structured population dynamics
我们构建了一个多类型的年龄结构的人口动力学，其中涉及一个年龄依赖的细胞复制和基因或表型的转变的路径制定。通过采用的配方，我们得到一个变分表示的平稳人口增长率的表示包括生长效应和半马尔可夫过程描述的单细胞内在动力学之间的权衡关系。这种变分表示导致的平稳人口增长率的响应关系，其中的统计回顾历史的工作作为响应系数。这些结果有助于根据实验观察到的细胞谱系信息预测和控制不断增长的种群。
2018-12-15 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
