The Fitness Value of Information with Delayed Phenotype Switching: Optimal Performance with Imperfect Sensing
生物准确感知环境并做出相应反应的能力对于进化成功至关重要。然而，感觉能力究竟如何影响健康是一个积极的研究课题，而在感觉到不可靠的环境线索和生物体能够做出反应之间存在时间延迟的必要性还有待进一步探讨。考虑到种群增长模型中表型反应的延迟，我们发现在某些环境条件下可能存在临界错误概率：具有任何错误概率小于临界值的感觉系统的生物体可以实现与具有完美感觉系统的生物体相同的长期增长率。我们还观察到感官信息的进化价值和对错误的鲁棒性之间的权衡，介导的表型分布放松到稳态的速率。临界错误概率的存在可能有几个重要的进化后果，主要是在非零临界错误概率下操作的感觉系统可能是进化上最优的。
2020-10-21 q-bio.PE
Resistance Maintained in Digital Organisms despite Guanine/Cytosine-Based Fitness Cost and Extended De-Selection: Implications to Microbial Antibiotics Resistance
抗生素耐药性在疾病治疗中引起了许多并发症，其中病原体不再对特定抗生素敏感，并且使用此类抗生素不再有效治疗。最近一项利用数字生物的研究表明，在停用抗生素后，完全消除特定抗生素耐药性是不可能的，假设一旦建立耐药性，维持耐药性就没有适应性成本。适应性成本是指生物体对环境变化的反应，生物体在一个方面的能力提高是以牺牲另一个方面的能力为代价的。我们在这项研究中的目标是使用数字生物体来检查在维持抵抗力的过程中产生的适应性成本的获得和丧失抵抗力的速率。我们的研究结果表明，GC含量为基础的健身成本在取消选择期间，通过去除抗生素诱导的选择压力描绘了类似的趋势，阻力相比，没有健身成本，在所有阶段的初始选择，重复取消选择和重新引入选择压力。配对t检验表明，初始损失后阻力的长期稳定性与无适应度成本的差异无统计学意义。这表明，一旦建立了耐药微生物库，尽管在停用抗生素期间维持抗生素耐药性存在适应性成本，但停用抗生素后不太可能完全消除特定的抗生素耐药性。
2023-02-19 cs.NE q-bio.PE
Fixation probabilities in evolutionary dynamics under weak selection
在演化动力学中，衡量突变性状成功的一个关键指标是它在给定初始突变外观分布的情况下接管种群的概率。这种“固定概率”通常很难计算，因为它取决于突变对生物体的影响以及种群的空间结构，交配模式和其他因素。在这项研究中，我们考虑弱选择，这意味着突变对生物体的影响很小。我们得到一个弱选择扰动扩展的突变体的固定概率，从一个任意的初始配置的突变体和居民类型。我们的结果适用于广泛的一类随机演化模型，其中的大小和空间结构是任意的（但固定的）。选择是否有利于一个给定的性状的问题，从而减少从指数到多项式的复杂性，在人口规模，当选择是弱的。最后，我们应用这些方法获得新的结果演化动力学的图。
2021-02-01 q-bio.PE
Controversy in Evolutionary Theory: A multilevel view of the issues
在自然选择和遗传漂变的相对重要性问题上，一方面是野外生物学家和生理学家（“功能生物学家”或“进化生态学家”），另一方面是从事分子进化研究的生物学家（“进化生物学家”或“群体遗传学家”）。本文关注的是这个问题的情况下，脊椎动物，如鸟类，鱼类，哺乳动物，特别是人类，并认为在这种情况下，从多层次的角度来看这个问题。它提出的解决方案是，适应性选择的结果发生在生物体水平链下降，以确定在基因组水平的结果。高层次过程在低层次上的多重可实现性，导致这些过程在生物体水平上的适应性在很大程度上隐藏在基因组水平上。讨论进一步涉及到选择的“消极观点”，进化-发育和扩展进化综合观点，以及选择辩论的水平，其中种群水平的过程也可以以类似的方式连锁
2018-03-30 q-bio.PE
Phylogenetic Networks
系统发生学是研究生物之间进化关系的学科。该领域的主要挑战之一是获取一组有机体的生物学数据，并推断出进化树，即代表这些关系的图。开发实用和有效的方法来推断系统发育树，导致了许多有趣的数学问题，在各个领域。然而，由于杂交和基因流动，系统发育网络可能是一些生物群体进化历史的更好代表。在这一章中，我们介绍了一些基本的概念，在系统发育遗传学，并提出了相关的本科生研究项目的系统发育网络，涉及到图论和抽象代数领域。在第一部分中，我们描述了几个开放的研究问题，与组合的系统发育网络。在第二部分中，我们描述了与理解系统发育统计模型的代数簇相关的问题。
2019-06-04 q-bio.PE
Evolution of genetic organization in digital organisms
我们研究了自我复制数字生物群体中遗传信息的表达模式和组织的演变。用线性表达的祖先播种实验，我们见证了复杂的，平行的二级表达模式的发展。使用信息论的原则，我们证明了一个进化的压力对重叠的表达造成的变化（从而进一步演变）急剧下降。最后，我们比较了显性基因组的重叠部分，这些部分是单独表达，并观察到显着差异，其编码的熵。
1999-03-06 adap-org cs.NE nlin.AO
Optimal evolutionary decision-making to store immune memory
适应性免疫系统提供了一组不同的分子，可以对多种病原体产生特异性反应。记忆是适应性免疫的一个关键特征，它使生物体在再次感染时更容易做出反应。然而，记忆细胞的分化仍然是最不了解的细胞命运决定之一。在这里，我们引入了一个数学框架来描述存储记忆的最佳策略，以最大限度地提高生物体一生中免疫反应的效用。我们表明，记忆的产生应积极调节免疫受体的亲和力和交叉反应性之间的平衡，以有效地保护对不断变化的病原体。此外，我们预测记忆的特异性应该取决于生物体的寿命，寿命较短的生物体与较少的病原体接触应该储存更多的交叉反应记忆。我们的框架提供了一个基线，以衡量免疫记忆的效力，根据生物体与病原体的共同进化历史。
2021-04-12 physics.bio-ph q-bio.PE q-bio.QM
Does the Red Queen reign in the kingdom of digital organisms?
在两种适应性相等或几乎相等的RNA病毒之间的竞争实验中，通常两种病毒株在一种最终排除另一种之前都获得适应性。这一观察结果与红皇后效应有关，红皇后效应描述了生物体必须不断适应以保持现状的情况。我用数字生物（自我复制的计算机程序）进行了实验，以澄清竞争菌株在适应度空间中的位置如何影响红皇后效应。我发现，在竞争过程中，从适应性高峰底部采集的生物体普遍获得适应性增益，但从高峰顶部或从距离最近的高峰相当远的地方采集的生物体则不存在或很少。在后两种情况下，无论是中性漂移和最佳突变体的损失或等待时间的第一个有益的突变是更重要的因素。此外，我发现红皇后动力学通常比其他两种机制更快地导致排斥。
2003-02-13 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Anticipation: an effective evolutionary strategy for a sub-optimal population in a cyclic environment
我们建立了一个两态模型的无性繁殖生物体在一个周期性的环境赋予的能力，以预测即将到来的环境变化，并进行先发制人的切换。由于这些预期的转变，有机体在其两种状态之间振荡，这是一个与环境振荡不同步的时间$θ$。我们表明，一个预期能力的有机体增加其长期的健身超过一个有机体，振荡与环境同步，只要$θ$不超过一个阈值。我们还表明，长期的健身最大化的最佳预期时间，减少约为$1/n$，$n$是细胞分裂的时间$T$的数量。此外，我们证明了最佳的“预期”优于“赌注对冲”的参数范围内考虑。对于一个次优的预期者集合，只有当预期的方差与平均值相比很小并且先发制人的转换率很高时，预期才能表现得更好。两者合计，我们的工作表明，预期增加了生物体在周期性环境中的整体适应性，它是一个可行的替代赌注对冲的预期误差很小。
2018-11-22 q-bio.PE q-bio.QM
Dynamics of growth, death, and resource competition in sessile organisms
生态系统中的种群尺度是由个体在竞争约束下的生长和死亡引起的。我们建立在一个最小的代谢增长的动力学模型，其中个人的增长和死亡率之间的紧张关系决定人口规模分布。我们单独考虑了基于共享捕获面积的资源竞争。通过改变生长、死亡和竞争性损耗的相对速率，我们将从森林到蚂蚁、白蚁和仙女圈的固着生物的规则和随机空间模式联系起来。然后，我们考虑瞬态的时间动态的背景下，不对称的竞争，主要是削弱较小的两个竞争对手，如树冠遮荫或大殖民地的优势。当这种竞争将缓慢的增长时间尺度与快速的竞争性死亡结合在一起时，它会产生类似于森林人口数据中观察到的人口冲击波。我们的最小定量理论统一的时空模式，通过当地的竞争介导的代谢生长的法律，这反过来又导致长期的演化动力学在固着生物。
2020-10-09 q-bio.PE
Acceleration of Evolutionary Processes by Learning and Extended Fisher's Fundamental Theorem
自然选择是一个普遍而有力的概念，它不仅可以用来解释生物体的进化过程，而且可以用来设计遗传算法和粒子滤波器等工程系统。无论是生物学还是工程学，都对能够独立学习的智能体的自然选择产生了浓厚的兴趣。个体为了生存而学习更好的行为可能会通过自然选择加速进化过程。我们有越来越多的证据表明，生物体可以通过表观遗传状态或模因将其信息传递给下一代。同时，这种思想对于工程应用也是重要的。为了加速进化过程，智能体应该改变策略，使种群适应度增加最多。同样，代理应该朝着种群适应度的梯度更新策略。然而，它还没有被澄清是否以及如何代理可以估计梯度和加速进化过程。我们也缺乏量化加速的方法来理解和预测学习的影响。在本文中，我们解决这些问题。我们表明，学习代理可以通过提出祖先学习，它使用从祖先（祖先信息）传输的信息来加速进化过程。我们接下来证明祖先信息足以估计梯度。特别是，学习可以加速进化过程，而无需代理之间的通信。最后，为了量化加速，我们将自然选择的Fisher基本定理（FF-thm）扩展到祖先学习。我们的扩展FF-THM涉及到加速的进化过程中的各种个人健身的代理。通过这个定理，我们可以定量地理解什么时候以及为什么学习是有益的。
2021-06-08 q-bio.PE
Competition-driven evolution of organismal complexity
形态进化的不均匀速率和生物体复杂性的进化增加，在“适应区”，“间断平衡”和“大口径手枪模式”等隐喻中被捕获，需要比简单的突变逐渐积累更详细的解释。在这里，我们认为，非均匀的进化表型复杂性的增加，可以引起的阈值样的反应不断增长的生态压力，在给定的复杂性水平的进化多样化。获得一个新的表型特征允许一个进化的物种逃避这种压力，但通常可以预期携带显着的生理成本。因此，生态压力应该超过一定的水平，使这样的收购进化成功。我们提出了一个详细的定量描述，这一过程中使用的微进化竞争模型作为一个例子。该模型表现出连续增加的表型复杂性驱动的多样化在现有水平的复杂性和由此产生的竞争压力的增加，这可以推动一个不断发展的物种的生理成本的障碍，新的表型功能。
2019-02-15 cond-mat.stat-mech nlin.AO q-bio.PE
Evolutionary entropy and the Second Law of Thermodynamics
宏观物体中分子碰撞的动力学由参数热力学熵编码-对应于给定宏观状态的分子构型数量的统计度量。宏观物体中能量流动的方向性由热力学第二定律描述：在孤立系统中，即接近能量和物质输入的系统，热力学熵增加。复制生物种群中较低水平相互作用的动力学由参数进化熵编码，进化熵是一种描述复制生物种群中代谢周期的数量和多样性的统计度量。生物种群中能量转化的方向性由进化基本定理描述：在对能量和物质输入开放的系统中，当能量源稀缺且多样时，进化熵增加，当能量源丰富且单一时，进化熵减少。这篇文章表明，当rho为0，N为无穷大时，其中rho是外部能量源的生产率，N表示复制单位的数量，进化熵，一种有组织的能量状态;和热力学熵，一种随机的能量状态，重合。因此，进化基本定理是热力学第二定律的推广。
2020-05-20 math.DS physics.bio-ph q-bio.PE
Survival of the simplest: the cost of complexity in microbial evolution
微生物和病毒生物的进化经常会产生克隆干扰，这是一种种群内遗传进化枝之间的竞争模式。在本文中，我们表明，干扰强烈约束进化系统的遗传和表型的复杂性。我们的分析使用生物药理学基础的生物体的定量分子表型，如折叠稳定性和酶活性的基因的进化模型。我们发现了一种被称为表型干扰的无性进化的通用模式，它对系统生物学具有强烈的影响：它将个体基因的稳定性和功能与种群的整体进化速度相结合。这种模式发生在适合微生物种群的广泛的进化参数范围内。它产生了针对基因组复杂性的选择，因为突变的适应性成本随着基因数量的增加而增加，而不是线性增加。交配可以产生一种独特的性进化模式，消除超线性成本。我们表明，积极的选择可以驱动从无性到兼性进化的过渡，为性的进化提供了一个特定的，生物进化的基础方案。在更广泛的背景下，我们的分析表明，微生物有机体的系统生物学与它们的进化模式密切相关。
2018-03-22 q-bio.PE
The evolution of asymmetrical regulation of physiology is central to aging
本文提出一个基于生理不对称调控演化的衰老框架，认为早期生命选择压力塑造的调控系统在衰老中失衡并导致功能定向漂移，从而解释了衰老的渐进性、异质性及死亡率补偿定律等现象。
2025-09-19 q-bio.PE
Some Techniques for the Measurement of Complexity in Tierra
最近，阿达米和同事们已经能够测量生活在他们的{ \em Avida}人工生命系统中的数字生物体的信息内容。他们表明，随着时间的推移，生物体的行为就像麦克斯韦的恶魔，随着它们的进化而增加信息（或复杂性）。在{ \em Avida}中，生物体彼此之间不相互作用，只是以特定的速率繁殖（它们的适应度），并试图评估外部给定的算术函数以赢得额外的适应度点。测量数字生物体的信息含量本质上是计算产生相同表型的基因型数量的过程。虽然Avidan生物体具有特别简单的表型，但Tierran生物体相互作用，产生表型生态学。在本文中，我讨论了技术比较对Tierran生物体，以确定它们是否是表型等效的。然后，我讨论了一种方法，用于计算的表型等效的基因型，这是更准确的“热点”估计使用的阿达米的小组的数量估计。最后，我报告的Tierra运行的实验分析。
2000-01-10 nlin.AO 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
Spontaneous genetic clustering in populations of competing organisms
我们介绍并分析了一个基于个体的进化模型，在这个模型中，一群遗传多样性的生物相互竞争有限的资源。通过理论分析和随机模拟，我们表明，该模型表现出模式形成的不稳定性，这是高度放大的人口噪声的影响，导致自发形成的基因型集群。这一机制支持了随机性在物种的形成和凝聚中起核心作用的论点。
2012-11-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Evolutionary ecology in-silico:evolving foodwebs, migrating population and speciation
我们通过考虑同一生态系统中生物体从一个“斑块”到另一个“斑块”的可能运动，概括了我们的进化生态学的“统一”模型。我们对生态系统的空间扩展进行建模（即，地理学）由一个正方形网格组成，每个站点对应一个不同的“补丁”。一个自组织的等级食物网〈动〉<动>描述了生态系统中的捕食者-食饵关系。同一种在不同斑块的食性〈动〉<动>相同，但繁殖特征不同。通过进行计算机模拟到$10^9$时间步长，我们发现，根据参数集的值，物种的寿命分布可以是指数或幂律的组合。我们的“统一”模型的其他一些特征对生物体的迁移是强大的。
2004-03-27 q-bio.PE q-bio.QM
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
A Test of the Thermodynamics of Evolution
针对近期提出的统一演化生物学、机器学习与热力学的理论框架，研究人员通过具备基因突变、适应环境特性的生物演化模拟开展检验，结果与框架结论一致，为该框架提供了证据支撑。
2024-05-20 q-bio.PE
Maladaptation and the paradox of robustness in evolution
背景生物体使用各种机制来保护自己免受干扰。例如，修复机制修复损伤，反馈回路保持稳态系统在其设定点，生化过滤器区分信号和噪音。这样的缓冲机制经常在鲁棒性方面进行讨论，鲁棒性可以通过降低性能对扰动的敏感性来衡量。方法/主要调查结果。我使用一个数学模型来分析稳健性的演化动力学，以便理解自然选择的生物体设计方面。我专注于两个角色：一个角色执行自适应任务;另一个角色缓冲第一个角色的表现以对抗扰动。增加的扰动有利于增强缓冲和鲁棒性，这反过来又降低了敏感性，降低了适应性特征的自然选择强度。适应性特征上的选择压力的减少往往导致成本更低，性能更低的性状。结论/意义。鲁棒性的悖论来自于演化动力学：增强的鲁棒性导致目标角色的适应性能的进化降低，与缺乏鲁棒性机制的自然选择相比，导致一定程度的适应不良。随着进化时间的推移，缓冲特性可能会变得层层叠加，而底层的自适应特性则会被更便宜、性能更低的组件所取代。鲁棒性悖论对理解生物体设计有着广泛的影响。
2011-12-13 q-bio.MN q-bio.PE
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
Eco-Evolutionary Feedback in Host--Pathogen Spatial Dynamics
空间范围是数学生物学中的一个复杂因素。A点的动作不能立即影响B点发生的事情，这种可能性为空间不均匀性创造了机会。这种不一致性必然会改变我们对进化动力学的理解，因为同一个生物体在不同的地方可能会有不同的预期进化结果。由于生物体的起源和命运都是局部决定的，我们必须明确考虑异质性以确定其影响。我们使用空间扩展的主机-病原体和捕食者-猎物生态系统的模拟，以揭示空间异质性的标准数学处理的局限性。我们的模型生态系统动态地产生异质性;病原体传播的宿主的适应性网络作为一种紧急现象出现。该网络的结构和动力学与自适应网络领域研究的相关模型有很大不同。我们使用一种新的技术，生物体交换，测试简单的近似和更详细的时刻关闭方法的有效性，和一个新的措施，以揭示入侵应变行为的时间尺度依赖性。我们的研究结果表明，失败不仅是最直接的（“平均场”）近似，完全平滑的异质性，但也是标准的校正（“对近似”）的平均场治疗。在空间背景下，入侵病原体品种可以繁荣，但在中期内灭亡，这意味着生殖适应度和进化稳定策略的概念必须修改这样的系统。
2013-12-31 nlin.AO nlin.CG 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
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
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
Haploid-Diploid Evolutionary Algorithms
本文使用了最近的想法，真核生物的基本单倍体-二倍体生命周期实现了进化中学习的基本形式。演化计算的一般方法是在这里得出的，不同于所有以前已知的工作，使用二倍体表示。重组的主要作用也改变了以前认为在自然和人工进化下的新观点。使用著名的抽象可调模型，它表明，不同的健身景观的坚固性不同的新方法的好处。
2017-03-15 cs.NE q-bio.PE
Comparative Analysis of the Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans Protein Interaction Network
蛋白质相互作用网络旨在总结生物体中蛋白质的复杂相互作用。早期的研究表明，蛋白质在网络中的位置决定了它的进化速度，但对于其他因素（如蛋白质丰度）在多大程度上改变了这种依赖性，存在相当大的分歧。我们比较酿酒酵母和秀丽隐杆线虫的基因组与密切相关的物种，以阐明各自的蛋白质相互作用网络的最近的进化历史。相互作用和表达的数据进行了研究，根据详细的系统发育分析。底层网络结构被明确纳入统计分析。系统发育分辨率的提高，加上高质量的相互作用数据，使我们能够解决蛋白质相互作用网络结构和蛋白质丰度影响进化速率的方式。我们发现表达水平比蛋白质的连接性更能预测进化速率。对这两种生物的详细分析还表明，相互作用的蛋白质的进化速率并不足够相似，无法相互预测。看来，有意义的推论蛋白质相互作用网络的进化需要比较分析合理密切相关的物种。蛋白质进化的特征是由蛋白质在生物体中的丰度及其功能和它所参与的生物过程形成的。它在相互作用网络中的位置及其连接性可能会调节这一点，但它们似乎对蛋白质的进化速率只有很小的影响。
2005-03-03 cond-mat.dis-nn q-bio.MN q-bio.PE
An Artificial Life Simulation Library Based on Genetic Algorithm, 3-Character Genetic Code and Biological Hierarchy
本文设计并实现基于GA、3字符遗传密码和生物层级的Python人工生命模拟库DOSE，并通过三维生态世界实验考察突变率对遗传序列的影响。
2023-02-19 cs.NE q-bio.PE
Informations in models of evolutionary dynamics
生物有机体通过处理来自不同来源的信息来适应变化，最主要的是来自祖先和环境的信息。我们回顾了一种通过分析演化动力学的数学模型来量化这些信息的方法，并展示了这些模型的可解子类是如何获得明确的结果的。在某些限度内，结果与通信、赌博或热力学的信息处理研究中得到的结果一致。然而，在最一般的情况下，生物种群的信息处理显示出独特的特征，这些特征激发了对特定模型的分析。
2015-04-29 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Chemical kinetic theory of aging
本文提出基于化学反应动力学和自然选择的衰老理论，指出生育后未受调节的生化过程失衡导致衰老，并认为平衡关键生化过程可实现生命无限延续。
2024-01-06 physics.chem-ph q-bio.PE
Adaptation by Cumulative Selection
University of Exeter（埃克塞特大学）
本文提出累积选择理论，涵盖达尔文进化及其他适应过程，通过克隆生物、两性种群和神经网络等实例展示其应用。
2026-11-06 q-bio.PE
The case of the missing neutrality
中性进化网络的概念是Huynen { \em et al.}大约七年前在某种意义上，这个原则很容易陈述-因为大多数突变对生物体是有害的，人们会期望不影响表型的中性突变在后继生物体中的代表性将不成比例地大于人们所期望的，如果每个突变的可能性相等。因此，我非常惊讶地注意到，在{ \em Tierra}生成的系统发育树的可视化中，中性突变非常罕见，因为我已经知道在Tierra基因型-表型图中有大量的中性突变。这篇文章报道了对这一谜团的调查。
2004-01-27 nlin.AO q-bio.PE
Tierra's missing neutrality: case solved
中性进化网络的概念是Huynen { \em et al.}大约七年前在某种意义上，这个原则很容易陈述-因为大多数突变对生物体是有害的，人们会期望不影响表型的中性突变在后继生物体中的代表性将不成比例地大于人们所期望的，如果每个突变的可能性相等。因此，我非常惊讶地注意到，在{ \em Tierra}生成的系统发育树的可视化中，中性突变非常罕见，因为我已经知道在Tierra基因型-表型图中有大量的中性突变。原来，宿主和寄生虫之间的资源竞争抑制了中性进化。
2004-04-06 nlin.AO q-bio.PE
Adaptive efficiency of information processing in immune-pathogen co-evolution
本文提出免疫-病原体协同进化的非平衡形式化框架，利用信息交换、熵产生和协同进化效率识别军备竞赛中的领先者，并给出稳定协同进化的条件与适应边界。
2024-10-27 q-bio.PE
Feedback between population and evolutionary dynamics determines the fate of social microbial populations
作弊策略的进化传播可以破坏参与合作行为的种群的稳定性，从而表明进化变化对种群动态具有深远的影响。与此同时，合作性状的相对适合度往往取决于人口密度，从而导致人口密度和合作性状的进化之间的双向耦合的潜力。尽管这些生态进化反馈回路的潜在重要性，他们还没有被证明在社会物种的实验和他们的生态影响知之甚少。在这里，我们证明了一个强大的反馈回路之间的种群动力学和演化动力学的社会微生物基因，SUC 2，在实验室酵母菌群的合作增长是由SUC 2基因介导的。我们直接可视化生态进化轨迹的数百个人口超过50代，使我们能够表征相空间描述在这个系统中的进化和生态的相互作用。小种群崩溃，尽管不断演变的合作等位基因频率增加;大种群与足够数量的合作者螺旋到一个稳定的状态共存的合作者和骗子的策略。作弊者的存在不会显著影响平衡种群密度，但它确实降低了种群的弹性以及适应迅速恶化的环境的能力。我们的研究结果表明，演化动力学和种群动力学的合作生长的生物，特别是在微生物之间的耦合的潜在生态重要性。
2013-01-13 q-bio.PE
Elusive preferred hosts or nucleic acid level selection? A commentary on: Evolutionary interpretations of mycobacteriophage biodiversity and host-range through the analysis of codon usage bias (Esposito et al. 2016)
虽然证实了长期持有的观点，即病毒不会密切模仿其宿主密码子目录的使用，但Esposito和同事仍然认为令人惊讶的是，尽管具有感染相同宿主的能力，但许多分枝杆菌噬菌体几乎没有或没有遗传相似性（即GC含量和密码子利用模式的相似性）。正确地论证了噬菌体的蛋白质在宿主内的有效翻译可能通过噬菌体匹配宿主密码子使用模式的能力来优化，得出结论，许多分枝杆菌噬菌体的优选宿主不是耻垢分枝杆菌，尽管它们已在该生物体上分离。因此，病毒及其难以捉摸的优选宿主将具有相似的GC百分比和密码子使用，但相同的病毒仍然可以感染不太优选的宿主（耻垢分枝杆菌），其中病毒-宿主相似性将不太明显。然而，还有另一种进化的解释。
2016-12-06 q-bio.PE
The Host-Pathogen Game: an evolutionary approach to biological competitions
我们引入了一个称为宿主-病原体博弈的模型来研究生物竞争。值得注意的是，我们专注于外部代理，如细菌，在宿主生物体内的侵入动力学。前者被映射到一群旨在宿主细胞外介质中传播的缺陷者。反过来，后者由细胞组成，映射到一群合作者，旨在杀死病原体。细胞的合作行为是整个有机体的生命功能出现的基础，因为每个细胞都有助于完成一系列特定的任务。因此，广义地说，它们的贡献可以被视为一种能量形式。当细菌在空间上接近细胞时，后者可以使用其能量的一部分来去除它们。另一方面，当细菌在攻击中幸存下来时，它们会吸收接收到的能量，变得更强大，更能抵抗进一步的攻击。此外，由于细菌扮演着叛逃者的角色，它们的独特目标是增加自己的财富，而不是支持自己的同类。在许多生物体中，宿主温度在宿主-病原体平衡中起着相关的作用。例如，在像人类这样的动物中，神经机制触发体温升高以激活免疫系统。在这种情况下，一旦细菌被完全清除，合作者就会成功，而在相反的情况下，宿主会经历一个深层次的侵入过程，比如血液中毒。数值模拟的结果表明，所提出的模型的动力学允许达到各种状态。在非常高的抽象层次上，这些状态中的一些似乎与在某些生命系统中可以观察到的状态相似。因此，总的来说，我们认为我们的模型可能被利用来研究进一步的生物现象。
2018-08-31 nlin.AO q-bio.PE
Exploring the evolution of a trade-off between vigilance and foraging in group-living organisms
尽管分组行为已经被积极研究了一个多世纪，但分组的众多健身益处的相对重要性仍然不清楚。我们使用一个模拟捕食下进化猎物的数字模型，直接探索群居觅食行为的进化，根据这样一个好处，“多眼”假设。根据这一假说，集体警戒使大型群体中的猎物能够通过相互发出警报信号或行为线索更有效地发现捕食者，从而使群体中的个体花费更多的时间觅食。在这里，我们发现，只要没有分组的直接成本，集体警惕就足以选择群居觅食行为（例如，竞争有限的食物资源），即使在控制混杂因素，如稀释效应。此外，我们探讨的遗传相关性和繁殖策略的猎物的作用，并发现，高度相关的群体的猎物与semelparous繁殖策略是最有可能进化的群居觅食行为介导的好处警惕。这些发现，结合早期对进化中的数字生物的研究，进一步加深了我们对有利于群体行为的因素的理解。
2014-08-08 cs.GT cs.NE q-bio.PE
Nonlinear learning and learning advantages in evolutionary games
无能作为一种学习或适应功能的想法是在进化博弈的背景下作为一个固定参数引入的。然而，活的生物体通常执行不同的非线性适应函数，例如幂律或指数适应度增长。在这里，我们将研究学习过程的功能形式如何影响不同行为类型之间的社会竞争。此外，我们扩展了我们的结果的进化游戏，在环境中的波动影响竞争物种的行为适应，并证明了生存的起始水平的无能的重要性。因此，我们定义了一个新的学习优势的概念，当环境不断变化，需要物种快速适应时，这一概念变得至关重要。这可能导致进化上的薄弱阶段，甚至进化稳定的种群变得容易受到入侵。
2018-10-22 math.DS q-bio.PE
Mobility driven coexistence of living organisms
我们提出了一个最小的离格模型的生物体，只有很少的动力学生长规则的假设。当我们用一个局部应用的规则代替全局限制规则时，我们发现了多个簇的稳定共存。揭示了丰富多样的演化模式，球员运动对演化结果具有决定性作用。例如，密集的个人移动可能会危及人口的生存，但如果我们进一步增加玩家的移动，那么它可以拯救人口。值得注意的是，人口成员的集体动力能够补偿密集流动的负面后果，并使系统保持活力。当驱动器变得有偏置时，所产生的单向流动改变了稳定的模式，并产生了条纹状的状态，而不是先前观察到的六边形排列的簇。有趣的是，如果单个移动超过阈值，则条纹的旋转可以翻转。
2021-03-01 cond-mat.stat-mech physics.soc-ph 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
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
Modularity in biological evolution and evolutionary computation
生物系统的主要特性之一是模块性，它体现在其组织的各个层面，从分子遗传学层面开始，到整个生物体及其社区的层面结束。在一个简化的形式中，这些基本原理从种群遗传学转移到演化计算领域，以解决应用优化问题。在计算机科学的这一领域中，经过近半个世纪的发展，已经获得了相当多的实践经验，并取得了令人感兴趣的理论成果。在这项调查中，遗传学和演化计算与模块化相关的现象和模式进行了比较。从模块化的角度分析了在这些领域取得的结果的相似性和差异。讨论了各领域之间知识转移的可能性。
2018-11-19 cs.NE q-bio.PE
A Guide to Tracking Phylogenies in Parallel and Distributed Agent-based Evolution Models
本文系统评估了遗传地层学算法在不同演化条件下的配置对系统发育重建质量的影响，并提出最佳实践指南，以指导大规模并行演化模拟中的高效谱系追踪。
2024-10-02 cs.NE q-bio.PE
The Evolution of Imitation Without Cultural Transmission
模仿的进化和功能一直被置于动物学习的范围内，并与其在文化传播和文化进化中的关键作用相关联。在没有文化传播的情况下，模仿是否可以作为一种表型可塑性的形式，在超越行为的表型中进化？我们研究了一个模型，在该模型中，模仿是从文化传播中分离出来的：一个生物体的成年表型是可塑性改变的经验，作为一个少年的其他青少年的遗传决定的特征。世代之间传递的唯一信息是基因。我们发现，在朝向表型最佳值的定向选择〈动〉<动>中，自然选择倾向于使生物体将其可塑性表型偏向与种群平均表型相反的方向--反模仿。当群体接近表型最优值并进入稳定选择时，对修饰因子的选择会逆转并有利于对群体平均值的强烈模仿。模仿可以进化到超越目标，并产生一种进化病理，即平均适应度下降。当对极端表型的纯化选择进行建模时，即使在突变-选择平衡时，也只发生反模仿选择。模仿和反模仿是在没有任何目标表征、对目标的认知理解或任何形式的识别的情况下从这些模型中产生的。这些理论成果都是新的进化和生物学现象，我们讨论他们的影响。
2021-10-21 q-bio.PE
Emergence of the protein universe in organismal evolution
在这项工作中，我们提出了一个生物体进化的物理模型，其中表型，生物体预期寿命，是直接相关的基因型，即其蛋白质的稳定性，可以准确地确定在模型中。在计算机上模拟模型，我们始终观察到大爆炸的情况下，指数人口增长englomerate作为有利的序列结构组合（稳定蛋白质的前体）被发现。在此之后，随机多样性的结构空间突然崩溃成一个小的首选结构图案集。我们观察到，蛋白质折叠在种群中保持稳定和丰富的时间尺度远远大于突变或生物体的寿命，和分布的优势折叠的寿命在一个人口近似遵循幂律。新折叠的发现和新序列的产生之间的进化时间尺度的分离引起了蛋白质家族和超家族的出现，其大小是幂律分布的，紧密匹配真实蛋白质的相同分布。进化蛋白质域的结构相似性网络具有与实际蛋白质域域图（PDUG）相同的无标度特征。此外，该模型预测，古老的蛋白质结构域代表了所有蛋白质结构域的高度连接和聚集的子集，与现实完全一致。总之，这些结果提供了蛋白质结构和基因家族在进化过程中如何进化的微观第一原理图。
2007-01-17 q-bio.BM q-bio.PE
Evolution of Spatially Inhomogeneous Eco-Systems: An Unified Model Based Approach
最近我们扩展了进化生态学的“统一”模型，将生态系统的{ \it空间不均匀性}和同一生态系统中个体生物从一个斑块到另一个斑块的{ \it迁移}纳入其中。在本文中，我们最近的模型的扩展进行了研究，以描述{ \it迁移}和{ \it物种形成}在一个更现实的方式。
2004-07-25 q-bio.PE
Spatial Population Genetics: It's About Time
我们对生物的历史和动态的许多问题都有地理成分：有多少，它们生活在哪里？它们是如何在这片土地上迁徙和杂交的？一千年前他们是如何移动的，今天活着的特定个体的祖先在哪里？这些问题的答案可能对我们理解历史、生态和进化过程产生深远的影响。在这篇综述中，我们讨论了地理方面的分布，运动和生物体的繁殖是如何反映在他们的系谱跨越空间和时间。因为系谱的结构决定了现代遗传变异中的相关模式，我们的目标是为这些过程如何在遗传数据中留下印记提供直觉。我们还强调了空间群体遗传学统计工具箱中的一些现有方法和差距。
2019-05-10 q-bio.PE
Progress and open problems in evolutionary dynamics
几十年来，进化一直吸引着定量和物理科学家：遗传信息的突变、重组和复制的随机过程如何产生生命的多样性？是什么决定了进化的速度？是否存在数量法则来支配和约束进化？进化是可重复的还是可预测的？从历史上看，进化的研究涉及物种的分类和比较，通常基于形态学。除了生物体和分子尺度上的表型，我们现在使用全基因组测序不仅揭示物种之间的差异，而且还以前所未有的细节来表征物种内的遗传多样性〈动〉性<动>。这种多样性可以与演化动力学定量模型的预测相比较。在这里，我们回顾了群体遗传学和进化的关键理论模型，以及来自实验室进化实验、病毒种群纵向采样、微生物群落和免疫库研究的数据实例。在所有这些系统中，进化都是由经常变化的生物和物理环境塑造的。虽然这些可变的环境可以隐式地模拟宿主-病原体共同进化的情况，但动态环境和新兴生态往往不能被忽视。从观测和理论模型两方面综合不同尺度上的动态，仍然是更好地理解进化的一个重大挑战。
2018-04-20 q-bio.PE
Evolutionary consequences of assortativeness in haploid genotypes
我们研究了大种群中等位基因频率的演变，在大种群中，随机交配以一种特殊的方式被违反，这种方式与最近的物种形成工作有关。具体来说，我们认为非随机遇到的单倍体生物体描述的双等位基因在两个位点，并假设个人的等位基因在两个位点不同是不兼容的。我们表明，在这些条件下的进化导致一个等位基因的消失，大大减少了人口的多样性。消失的等位基因和其他处于平衡状态的等位基因频率只取决于它们的初始值，达到平衡的时间也是如此。然而，某些组合的等位基因频率保持不变的过程中，揭示了出现强相关性的两个位点之间的上位性不亲和机制促进。确定了单倍型频率空间的几何结构，求解了动力学方程，得到了由初始条件确定平衡解的简单规则。我们表明，我们的研究结果相当于选择对双杂合子的二倍体个体的人口，并讨论我们的研究结果的物种形成的相关性。
2013-09-03 q-bio.PE
A Markov chain model of evolution in asexually reproducing populations: insight and analytical tractability in the evolutionary process
进化过程已经在许多方面使用随机和确定性模型建模。我们开发了一个代数模型的进化在一个人口的无性繁殖的生物体，在其中我们表示一个随机行走在表型空间，约束到边缘的一个基本的图形代表的基因型，与时间齐次马尔可夫链。我们证明了它等价于一个更标准的，明确的随机模型，并显示代数模型的优越性，在计算效率。由于效率的提高，我们提供了在更现实的基因型空间中模拟更大种群进化的能力。此外，我们展示了如何马尔可夫链模型的代数性质可以洞察到的进化过程，并允许使用熟悉的线性代数方法进行分析。
2013-01-17 math.PR q-bio.PE
The Hypercube of Life: How Protein Stability Imposes Limits on Organism Complexity and Speed of Molecular Evolution
经典的群体遗传学先验地将适合度分配给等位基因，而不考虑这些等位基因编码的蛋白质的分子或功能特性。在这里，我们研究种群动力学在一个模型中，健身可以推断出从蛋白质的物理性质下的生理假设，任何蛋白质的稳定性损失编码的一个必需基因赋予一个致命的表型。在含有γ基因的生物体中突变的积累可以表示为在具有吸收边界的γ维超立方体内的扩散，在每个维度上，吸收边界由蛋白质稳定性的损失确定，在更高的稳定性下，吸收边界由蛋白质序列的缺乏确定。求解扩散方程，其参数来自蛋白质点突变的数据，我们确定了一个普遍的蛋白质稳定性分布，与现有的数据。该理论提供了突变率、最大基因组大小和蛋白质对点突变的热力学响应之间的基本关系。它通过预测当嗜温生物每次复制基因组每个重要部分的突变率超过约6个突变时，以及嗜热生物每次复制每个基因组超过1至2个突变时，种群就会灭绝（通过致命突变），从而建立了分子进化速率的通用速度限制。此外，我们的研究结果表明，在没有纠错的情况下，现代RNA病毒和原始基因组必然非常短。几种RNA病毒的功能接近进化速度极限，而DNA病毒和具有不同基因组长度和突变率的非突变细菌菌株所使用的纠错机制使这些生物体普遍低于自然速度极限约1000倍。
2007-05-28 q-bio.BM q-bio.PE
