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第93章 演化生物的启示

1演化是一切进化的描述,而生命是其具体的表达,即一种动态的平衡。我们的生命是多层次的均衡,如同自然界的各种关系最后的底层的各个物种的相对稳定的比例。

2演进本质就是从简单到复杂的变化过程,从非生命物质到生命,而物种也是可变,本质上是内在的基因的突变,然后在环境的筛选有特定的个体脱颖而出,最后能够繁衍,最后形成的生殖隔离标志着物种的形成。这种模式同样体现于生物内部的进化。分子水平的演化是中性的,但层次不断跃迁升维到生物机体水平就会有一定的偏向性。这种思想就是微积分的无穷小量的一个应用。

3拉马克演化思想,长期进化发育形成物种;环境的变化/需求的变化使得生物行为变化,理论上表观遗传学能够深入到基因水平从而影响到更高层次如机体的形态。拉马克的观点可能在这个分子层次存在,这也是当然的各种生物科研的基本假设之一。现在的各种因素的处理和最后的指标的测量:一用进废退,不断使用的基因得到加强,反之则削弱,这是基因层次的表达;而是获得性性状遗传,即可能具有一定的延续性,但是更低层次如细胞/分子层次的,机体层次需要更广的时代间隔来实现。

4达尔文思想:自然选择,适者生存。一变异提供无限的可能性,就是对所有的可能路径的遍历,最后能够根据与环境的交互得出一定的适应度;二是生存竞争,这是如同波的干涉,最后能够形成一定的坍缩的路径;3自然选择,适者生存,能够把有利突变遗传下去。4性选择,一种弥补,能够通过多种机制进行筛选。这是多层次竞争博弈达成的均衡。5生命之树,演化的宏观轨迹,这是一种分形结构。

5挖掘生物演化的遗传基础,即分子层次的基因,这是一种不动点的解释,能够通过这个层次来解释宏观层次的变化。我们能够在这个基础上通过基因的组合模式来介绍各种生物过程等等。物种的过渡类型缺少可能是如同量子层次的跃迁,这是层次的相似性;而特殊其实本身就一点都不特殊,只是更多的特殊都死去了;复杂结构的形成其实是一种历史的惯性,是逐步的变异积累的结果。

6孟德尔的杂交实验的分离定律和独立分配定律是基于实验发现的,然后可以抽象出遗传因子的的概念,并在DNA序列找到基因来对应。这是基于数据分析的结果,即各种群体遗传学。如同流行病学研究。

7哈达-温伯格平衡,在无突变/自然选择/迁移,随机交配的大种群(理想假设),基因频率和基因型频率满足q?:2qp:p?(A:q;a:q),这个定理其实可以用随机过程的马尔科夫过程来表示,其中的基因频率就是高维的概率矩阵,基因型频率是其具体的表达,如果满足q?:2qp:p?可以视为一种稳定状态。这就是一种理想情况了,是隐马尔科夫模型的一种极度简化。

8基因漂流;先锋者效应,瓶颈效应,这是一种滚雪球的效应形成。

9自然选择:生存和繁殖;定向的移动就是基因频率的改变。动态的平衡就是生命。

10杂合子具有选择优势,这是多层次博弈达成的均衡。正选择和负选择本质上是一种反馈机制。杂交是多层次的交互。

11适应,是个体多层次与环境的交互达成的均衡,即复杂的程度。我们使用各种二叉树治疗的算法来发现各种可能的组合,我们需要进行特定指标的筛选来确定哪些组合具有更大的意义,以自然选择学说的观点可以以适应度来表示,但这也是需要实验来证实的,这就形成了循环论证。我们可以一开始假设不同的组合对应于不同的信号通路,对应于不同的功能(概率分布),具体组合的预测就是这些基本的概率的贝叶斯运算。单个基因带来获利大于损失这种经济学的思考来考虑各种可能的效应,可以以均衡的概念来理解(基因频率的)

12分子水平的演化是经典的形态特征变化的更底层的本征:中性演化,如同微积分的无穷小量是中性的。从底层的单元形成的组合序列之间的相似性可以推测可能的演进关系即同源性(以概率来推断,理论上完全随机的组合具有相似性的概率很低1/20^n,虽然不可能完全随机,但概率也足够低,因此相似性可以推断来自同一祖先的概率更大)。

13多层次的演化:DNA—RNA—蛋白质,与中心法则具有一定的相似性,这种相似性也是我们进行比较的工具。核酸演化与蛋白质演化是相似的,其速率也是时间,距离等等的函数。我们不单单要考虑单个位点如核苷酸和氨基酸的频率,还需要考虑其具体组合的频率如密码子,内含子等等结构,而这些组合即序列具有更大的意义。

14隐马尔科夫模型来理解进化的过程:基本假设是不同位点处于持续的突变中,且速度一致(转移概率矩阵),不同序列的比对(BLAST),其差异度pd(=差异数/序列长度)是时间对于变异的函数(作为一种不动点,在高维层次揭示序列之间的关系)。由于突变可能在几次变异之后变回原样,我们需要进一步假设不同位点变异的分布(每个位点平均替换的次数Kaa=-ln(1-pd),平均替换数越小,说明同源性越高)如泊松分布(次数为0,1,2……的概率)。而且一些位点可以有一定的可取代性。(替换率kaa=Kaa/2T,每年的替换率很低,只有在大的时间尺度上才有明显的变化)我们会发现这种演化是必然的,可以通过统计的演化速率是恒定的来证明,当然,具体的演化的形式可以是多样的,这就是为什么我们的物种如此多种多样(分子演化是形态演化的底层,是多层次竞争博弈形成的均衡,如象鲨的基因组演化速率在脊椎动物中最慢,其可能的原因的研究就是寻找这些影响因素如特殊的生态环境)。

15分子钟(足够细化到无穷小量的分子层次,可以模仿微积分来进行运算):一个特定的大分子在所有的演化谱系中具有恒定的演化速率。分子演化单位MEU,每年每个位点以10^-9演化。当然,我们同时需要注意到,在具体的序列种特定部位的演化速度也是不同的,是具有一定分布的(重要性有一点的分布,而变化的速度也有一定的分布,如非保守的不重要的演化速度快,保守的重要的演化速度慢(并非不可变,只是风险更大,因此发生概率低)),即有的快有的慢,但根据连续的假设和中值定理,一定存在一个数值(速度=每个位点的平均替代数)可以描述整体。不同物种中相同分子的演化速率可以不同,这个可以通过一定的实验设计来证明如修复的速度,生命周期的变化,代谢速率等等有一定相关性而且可以量化的指标。

16具体的模型的构建,不同的碱基之间的变换可以以一定的参数来表示(现实碱基的替代是复杂的,序列作为结果是如同马尔科夫矩阵的特征值,但其具体的变化过程不清楚),而这些参数其实就代表一定的生物机制。AGCT之间的转换的参数可以以马尔科夫矩阵来表示,最后达成的均衡就是比较稳定的常数,如核苷酸位点平均碱基替换数。JC模型(不区分嘌呤嘧啶之间的转换)—K2模型(嘌呤嘧啶之间的转换都有一定参数)。然后是核苷酸的组合,密码子是次级结构,我们需要考虑密码子之间的简并性,有的密码子可以替代其碱基而不改变编码的氨基酸。

17中性演化理论:在中性选择下,同义替代位点KS和非同义替代位点KA(改变编码的氨基酸)上发生的替代的概率相同(具体情况可能有一点波动),KA/KS的大小就决定氨基酸改变的频率,从而导致形成一定的选择:KA/KS<1,造成氨基酸改变的替代少,为负选择;KA/KS>1,造成氨基酸改变的替代多,为正选择(氨基酸变化的固定,即延续);

18基因组测序的数据,在不同尺度的序列进行比对,这无疑是需要极大的计算资源的,如具有的组装序列的算法也是需要考虑的。基因组层次的大数据研究就是微积分的思路,底层的无穷小量的叠加能够逼近高维的结构(牛顿-莱布尼茨公式,微积分基本定理)。我们以有限的基因(人类三万多基因)来形成复杂的生物体,就是依赖于这些基因的组合形成的高维结构,包括可变剪切等等的机制使得机体能够表达出无穷无尽的可能性,对应于各种生物学的机制。

19SNP(单核苷酸多态性),indel(插入/缺失,动态规划进行序列匹配的策略),单倍型,重复。这些策略就是生物体为适应复杂功能衍生出复杂机制。这些组合其实就是一种杂交(基因重复如多倍体,基因重排等等),即线性组合。

20在比对关键的序列即基因后,发现其他的序列之间的可能关系即非编码区。这必然的趋势,比较生物不存在junk。其是基因之外的调控机制(高保守性)。

21以分子层次来理解疾病,最明显的是各种基因结构的缺陷带来的功能变异,最终导致机体层次的不协调(不动点);然后是功能层次的缺陷,即各种基因蛋白的组合形成的机制的缺陷如特定信号通路的表达上下调。其应该形成一定的稳定系统。

22物种的形成是一种稳态,是多层次竞争博弈暂时达成的均衡,是分子层次的变异,遗传漂变,自然选择,适应这个循环过程形成的结果。这是一种人为界定的概念,是抽象层次对这个复杂过程的整体把握,是对具有相似特征的生物的一个抽象理解。物种的形成是隔离导致的。如同河流的分支,物种不断分化。这个树状图的不同分子的演化的速度不同。而且这些分支之间其实也存在一定的竞争博弈,如同波函数的坍缩/光的干涉,最后的物种是幸存的路径。因此也有灭绝的可能,物种形成和灭绝本来就是一对双生子(递归的结构),灭绝可以视为一种修剪(参考二叉树算法),使得形成的物种是有竞争力的(局部最优解)。

23间断平衡学说(在渐进论的进一步发展):物种进化是长期的稳定状态和短暂的剧烈变化交替的结果;有限基因的变异就可以产生足够大的变化,这些基因的寻找就是一种最优路径的求解(不动点),当然自然界的计算方式就是大规模的繁衍和选择,能够幸存的就是局部最优解。因此遗传多样性是能够求解的前提,使得最后能够不至于收敛到离整体最优的结果。

24野生动物在养殖的情况是低生育率的,这是多层次原因导致的,是一种反馈结构。因此各种保护措施的采用可能产生相反的效果,因为具体的存在是其背景多因素竞争博弈形成的动态平衡。牵一发而动全身,我们需要充分考虑各种复杂关系,而自然规则是之前形成的局部最优路径(如小规模放火能够减少大面积火灾,保护性破坏),可以遵循其来减少大规模试错即减少计算资源。参考物理的楞次定律,总存在抵抗原发变化的次生变化,我们需要从多层次靶定才能真正起到我们需要的结果。系统工程需要我们建立比较好的模型,将整体视为生命体,能够通过多层次的调控来联系形成一个系统,本质上是一种动态平衡。

25系统发育是理解系统结构的一个方法。构建系统发生树有助于理解这些复杂关系。通过序列的比对来发现,以及各种相似性,如生态,行为,位置等等。这些树是根据数据形成的函数(目标函数是真正的树,我们只是通过减少误差来逼近),具体的参数是可以变化的,即具体的顺序可能有一定的差异。各种方法构建系统发生树:距离法(序列比对),简约法(贪心算法的思想),最大似然法,贝叶斯法。这些方法有一定的软件包,我们可以尝试自己写。

26生命是什么,以生命的起源来理解。Miller设计实验来证实原始汤的存在的可能性。也可以从人工生命的角度来理解,webuildthenweknow.我们不能起到从原始汤有细胞生成,而是利用基因的组合来构建生命必须的生命物质。如将细菌的基因组移植到另一个细菌(Science317:632-638)。我们必须考虑生物与非生物的界限是什么。生命在于无限的可能性。

27生命演化:原核细胞—真核细胞,这是如同自然界的分形结构的演化。或许寒武纪物种大爆炸就是一种奇点后的表现。

28生命平等。

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