Symbiotic Sympatric Speciation: Compliance with Interaction-driven Phenotype Differentiation from a Single Genotype
基于相互作用诱导的表型发育可塑性，提出了同域物种形成的机制。首先，具有相同基因型的个体的表型根据个体之间的竞争性相互作用所触发的发育动态的不稳定性而分成几组。然后，通过基因的突变变化，表型差异被固定到基因上，直到群体在基因和表型上完全分离。这也表明，提出的理论导致杂种不育性下的有性重组，从而物种形成是在生殖隔离的意义上完成的。由于这种交配后的隔离，交配偏好后来演变。当存在两个等位基因时，等位基因之间形成相关性，以巩固物种形成。当个体位于空间中时，不同的物种随后在空间上分离，这意味着迄今为止被认为是异地的物种形成可能是同域物种形成的结果。与以前的理论，频率依赖性选择，强化，鲍德温效应，表型可塑性和资源竞争的关系进行了简要讨论。自然进化的结果的相关性进行了讨论，包括间断平衡，突变体中的不完全突变，以及基因型-表型对应的灵活性的变化。最后，讨论了我们的理论是如何在现场和实验室（在实验中使用大肠杆菌）证实。
2002-03-18 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Genomic Informational Field Theory (GIFT) to characterize genotypes involved in large phenotypic fluctuations
本文提出基因组信息场理论（GIFT），用于在表型不服从正态分布、均值和方差无法定义的情况下进行基因型-表型关联分析，并在 Cauchy 分布表型场景中验证了其识别与大型表型波动相关基因型的能力。
2023-07-05 physics.bio-ph q-bio.PE
Dimensionality-Reduction in the Drosophila Wing as Revealed by Landmark-Free Measure-ments of Phenotype
生物表型来自一组复杂的基因型相互作用。虽然测序技术的进步提供了生物体基因型的定量描述，但生物体物理表型的表征远远落后。在这里，我们涉及基因型的复杂和多维表型的解剖结构使用果蝇翅膀作为模型系统。我们开发了一种数学方法，使生物学显着的表型变异的强大的描述。分析自然的表型变异，以及在发育过程中遗传和环境条件的弱扰动所产生的变异，我们观察到一组高度受限的翅膀表型。在降维的一个显著例子中，果蝇发育程序产生的变种的性质被限制在翅膀的单一综合变异模式中。我们的策略表明，在果蝇翅膀的基因型-表型图中出现的简单性，并可能代表了一个一般的方法来询问各种基因型-表型关系。
2020-10-13 physics.bio-ph q-bio.PE q-bio.QM
Genotype networks in metabolic reaction spaces
背景：代谢基因型包括生物体可以通过其基因组中编码的酶催化的所有化学反应。如果一个基因型能够产生生物体生存和繁殖所需的所有生物质成分，那么它在给定的环境中是可行的。以前的工作主要集中在单个基因型的属性，而很少有人知道如何基因组规模的代谢网络与一个给定的功能，可以改变他们的反应内容。结果：我们在这里的特征空间，这样的基因型。具体来说，我们研究代谢基因型，其表型是在最小的化学环境中的生存能力，不同的唯一碳源。我们发现，无论在代谢基因型的反应的数量，一个给定的表型的基因型通常形成巨大的，连接的，和非结构化的集-基因型网络-几乎跨越整个基因型空间。在这样的空间中，代谢表型对随机反应去除的鲁棒性具有高平均值的窄分布。不同的碳源在其基因型网络中的代谢基因型的数量上不同;随着基因型需要在增加数量的碳源上存活，该数量减少，但比在不同化学环境中独立使用代谢反应少得多。结论：我们的工作表明，表型保留基因型网络具有通用的组织属性，这些属性是不敏感的代谢基因型中的反应的数量。
2010-04-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Evolutionary Shaping of Low-Dimensional Path Facilitates Robust and Plastic Switching Between Phenotypes
本文用含活性与调控位点的自旋统计物理模型进化基因型，发现系统在复制对称破缺转变温度附近形成沿一维低维路径的自由能谷，从而兼顾表型切换的稳健性与可塑性。
2023-04-22 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.PE
Architecture-dependent Effects of Trade-offs on Evolutionary Navigability and Epistasis
National Institute of Advanced Studies（国立高级研究所）
本研究通过可调节的多层基因型-表型映射框架，揭示了进化可导航性与上位性对崎岖度、权衡的效应依赖于映射结构，还发现等位基因频率变化的时间协方差可源于该映射结构。
2026-09-04 physics.bio-ph q-bio.PE
Metanetworks of artificially evolved regulatory networks
我们研究元网络中出现的基因型和表型空间，在一个模型人口的布尔图的背景下发展选择短的动态吸引子。我们定义一个图的邻接矩阵为它的基因型，它在进化过程中发生突变，而它的表型是它的动态吸引子集。基因型和表型空间中的元网络分别由遗传接近性和表型相似性形成，后者由共享吸引子的吸引盆的大小加权。我们发现，人口的进化网络形成巨大的集群在基因型空间，泊松度分布，但表现出层次组织的$κ$核心分解。然而，在大尺度上，它们形成树状扩展图。布尔图的随机种群通常在遗传上彼此远离，以至于它们不能形成元网络。在表型空间中，进化种群的元网络在弱连接消除和节点随机删除的情况下都是超鲁棒的。
2015-06-19 physics.bio-ph physics.soc-ph q-bio.PE
From genotypes to organisms: State-of-the-art and perspectives of a cornerstone in evolutionary dynamics
理解基因型如何映射到表型、适应性以及最终的有机体，可以说是完全预测进化理论中的下一个主要缺失部分。我们通常把这称为基因型-表型图谱的问题。虽然我们还远远没有达到这些关系的全貌，我们目前的理解更简单的问题，如结构诱导基因型空间的序列映射到分子结构，揭示了重要的事实，深刻影响的动态描述的进化过程。支持表型偏差等特征的基本相关性的经验证据也在增加，而概念和实验进展的综合导致对当前关于演化动力学性质的假设提出质疑-癌症进展模型或合成生物学方法是值得注意的例子。这项工作深入研究了一个关键的和建设性的态度，在我们目前的知识，基因型如何映射到分子表型和生物体功能，并讨论了理论和经验的途径，以扩大和改善这种理解。作为一个最终目标，这个社区的目标应该是获得一个更新的图片进化过程中健全的依赖于基因型空间的结构特性，揭示了现代技术的分子和功能分析。
2021-03-17 physics.bio-ph q-bio.PE
Systematic conformation-to-phenotype mapping via limited deep-sequencing of proteins
非天然构象驱动蛋白质错误折叠疾病，使生物工程工作复杂化，并推动分子进化。目前没有实验技术是非常适合阐明他们和他们的表型效应。特别棘手的是由内在无序的蛋白质组成的瞬时构象。我们描述了一种方法来系统地发现，稳定和纯化天然和非天然构象，在体外或体内产生的，并直接连接构象的分子，有机体，或进化表型。这种方法涉及整个蛋白质的高通量二硫键扫描（HTDS）。为了揭示哪些二硫键捕获哪些色谱可分辨的构象异构体，我们设计了一种用于蛋白质的双Cys变体文库的深度测序方法，该方法精确地同时定位每个多肽内的两个Cys残基。高丰度E.大肠杆菌周质分子伴侣HdeA揭示了不同类别的无序疏水构象与可变的细胞毒性取决于骨干交联。HTDS可以桥接构象和表型景观的许多蛋白质，在二硫化物允许的环境中发挥作用。
2023-01-30 physics.bio-ph q-bio.BM
Evolution enhances mutational robustness and suppresses the emergence of a new phenotype: A new computational approach for studying evolution
本文的目的有两个方面。首先，我们提出了一种新的计算方法来研究进化的特殊性。其次，我们将这种方法应用到一个基因调控网络（GRNs）模型中，并探讨了突变鲁棒性和双稳态的演化。生命系统通过进化过程发展了它们的功能。为了从理论上理解这一过程的特殊性，进化模拟（ES）本身是不够的，因为ES的结果取决于进化途径。我们需要一个参照系来进行比较。用于此目的的适当参考系统是随机取样基因型的集合。然而，通过简单的随机抽样产生高适应度基因型是困难的，因为这样的基因型是罕见的。在这项研究中，我们使用统计物理学中发展的多规范蒙特卡罗方法来构建一个参考系综的GRNs和ES的结果进行比较。我们得到了以下结果。首先，突变的鲁棒性显着高于在相同的健身水平在ES比在参考集成。第二，一个新的表型，双稳态的出现，在进化中被推迟。第三，与非突变组相比，突变组的GRNs包含许多突变脆弱的GRNs。这表明，延迟出现的双稳态是突变选择机制的结果。
2022-01-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
A unified formal framework for developmental andevolutionary change in gene regulatory network models
描述生物学变化的两个最基本的过程，发育和进化，发生在截然不同的时间尺度上，很难在一个统一的框架内调和。发育涉及由调控结构层次控制的细胞状态的时间序列。它发生在单个个体的一生中，并且与给定基因型的基因表达水平变化相关。相比之下，进化通过基因的获得/丢失以及基因间相互作用的网络拓扑结构的变化来实现基因型的改变。它涉及在许多个体的一生中出现新的、环境选择的表型。在这里，我们提出了一个模型的监管网络的演变，占两个时间尺度。我们扩展了基因调控网络（GRN）的布尔模型的框架-目前只适用于描述发展，包括进化过程。与一对一映射到特定吸引子相反，我们将细胞的表型确定为GRN的相关宏观状态。一个表型现在可以对应多个吸引子，它的正式定义不再需要基因型的固定大小。这为定量研究基因型的表型变化提供了可能性，基因型本身也在进化的时间尺度上发生变化。我们展示了如何实现特定的表型可以控制的基因复制事件（这里使用的原型进化事件能够改变基因型），以及如何连续的基因复制事件导致新的监管结构，通过选择。与此同时，我们表明，我们的广义框架不抑制网络的可控性和网络控制理论的可能性来描述发展过程中的表观遗传信号。
2019-03-07 physics.bio-ph q-bio.PE
Model of haplotype and phenotype in the evolution of a duplicated autoregulatory activator
基因复制被认为在基因组复杂性的进化中起着重要作用。重复基因的存在消除了自然选择对基因的限制，导致其可能丧失功能，或者偶尔获得新的功能。另一方面，一个多效性基因可能在它的复制品之间分配它的功能，从而保留两个拷贝。重复基因对于二倍体基因型来说并不新奇，但仅对于单倍型来说。在本文中，我们研究了二倍体基因型中调控相互作用的后果，并探讨了等位基因相互作用的背景如何产生动态表型，使重复基因在人群中传播。我们研究的调控网络是一个单一的自动调节激活基因，该基因的两个拷贝在二倍体物种中作为等位基因或在单倍体中作为复制品而发散。这些差异是在他们的转录能力-无论是通过改变其激活域，或其顺式调节结合库。当引入顺式调节变化，在重复物之间划分多个调节触发物时，显示出现的重复物的互斥表达状态伴随有备用设施：当高度表达的基因缺失时，先前未表达的重复拷贝补偿它。调控网络模型的二倍体版本可以解释等位基因特异性表达变体，单倍型网络的遗传模型使我们能够追踪杂合表型的进化结果。这是模拟一个副本的激活域中的变化，从而在单细胞中产生稳定的以及短暂的爆发振荡。进化模型表明，这些表型状态的二倍体，杂合基因型，使重复的单倍型的传播。
2012-12-04 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.PE
Proteins: the physics of amorphous evolving matter
蛋白质具有双重性质。蛋白质分子作为一种物质，是由氨基酸折叠而成的链状结构，具有多种生物化学性质。但它也是沿着进化轨迹的一个实例，该轨迹由蛋白质在细胞、生物体和群体的交织相互作用网络的层次结构中所执行的功能所决定。因此，蛋白质的物理理论需要统一生物物理和进化两个方面。具体来说，它应该提供一个DNA基因如何映射到蛋白质的功能表型的模型。我们回顾了蛋白质问题的几种物理方法，重点是一个机械框架，将蛋白质作为可进化的凝聚态物质：突变在基因中引入局部扰动，这些扰动被翻译成蛋白质物质中的局部扰动。研究突变如何塑造表型的自然工具是格林函数。他们将基因突变之间的进化联系（称为上位性）映射到蛋白质中氨基酸之间的协同物理相互作用。我们将讨论如何机械的观点可以应用于研究蛋白质进化和设计的基本问题。
2019-07-31 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Large phenotype jumps in biomolecular evolution
通过定义其活性的三维形状的生物聚合物的表型，其基因型的主要序列，我们提出了一个模型，预测和表征的人口的生物聚合物的统计分布与特定的表型，起源于一个给定的基因型序列由一个单一的突变事件。根据比率g 0的特点的潜在能量的突变人口相对于温度的传播，三个不同的统计制度已被确定。我们认为，在自然界中发现的生物聚合物是在一个关键的制度与g 0在1-6的范围内，对应于一个广泛的，但不是太广泛的，表型分布类似于一个截断的利维飞行。因此，生物聚合物表型可以在仅仅几个突变中被显著地改变。所提出的模型是在良好的协议与实验分布的活动确定的人口的单突变体的组I核酶。
2004-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.data-an
Dimensional reduction in evolving spin-glass model: correlation of phenotypic responses to environmental and mutational changes
高维表型的演化研究使用的统计物理模型由相互作用的自旋，其中基因型，表型，和环境表示的自旋配置，相互作用矩阵，和外部字段，分别。我们发现，在不同的环境变化和遗传变异的表型变化是高度相关的所有自旋，与最近的实验观察生物系统。在表型变化的维数减少被证明是一个结果的进化的鲁棒性热噪声，在副本对称阶段实现。
2020-05-01 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph
Dynamical Theory for Adaptive Systems
本文提出 MSRDJ 路径积分框架分析快慢双时间尺度自适应系统的非平衡相变，并以基因调控网络为例证明中等环境噪声会选择相干反馈互惠网络基因型并带来表型稳健性。
2024-08-05 cond-mat.dis-nn nlin.AO physics.bio-ph
Mapping gene expression dynamics to developmental phenotypes with information entropy analysis
本研究以黑腹果蝇为模式生物，提出将发育视为非平衡态间热力学转变的假设，通过信息熵分析发现转录组动态的PI熵与发育阶段高度相关，为关联微观生物标志物统计力学与宏观发育动态提供了测试案例。
2025-10-05 physics.bio-ph q-bio.QM
Phenotype selection due to mutational robustness
本研究通过基因调控网络模型与数值模拟，发现突变鲁棒性的选择偏差会导致表型选择差异，缺乏鲁棒性的单向开关表型在进化中被强烈抑制，且鲁棒与非鲁棒网络具有不同的核心结构基序。
2024-09-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
