通过游戏理解进化过程

导读：什么是使生命的游戏活跃起来的关键的动作？在圣塔菲研究所主席David Krakauer 在Nautilus的专栏文章中解释说，它们与围棋的关键动作有惊人的相似之处。

生命的历史是用进化生物学的语言书写的，但是我们已经误译了一段时间了，Krakauer 解释道。直到不久以前，适应性进化还被描述为一种“不可阻挡的战术行动序列”，一种零和游戏，其中一种适应性基因型“以牺牲所有其它基因型为代价换取利益”——这是一种错误的过度简化。

在两篇新的论文中，Krakauer观察到，我们看到进化遵循着一条无法用如此简单的方案来解释的路径。虽然针锋相对的过程在表面上看是有发生的，但我们也观察到其他类型的过程，这些过程看起来更像围棋中的劫，一个玩家建立的战略位置，为以后的战术移动建立潜在的潜力。

该文认为，通过类比围棋和国际象棋这样的复杂战略游戏，来重新审视适应性进化，我们可以阐明我们一直以来所忽略的适应性进化具有的战略特征。

原文翻译

1938年，东京的一位年轻记者川端康成，报道了下棋棋盘游戏中 Honinbo shuai 大师和学徒 Minoru Kitani 争夺冠军的战斗。这是竞技游戏历史上时间最长的比赛之一，为期6个月。

围棋是一个非常复杂的游戏，但今天围棋已经成为人类在算法进步面前代表失败队的墓碑。(AlphaGo 击败了围棋最好的棋手之一李世石之后，世石退出了比赛，称他的对手是“一个不可战胜的实体”。)

达尔文很可能是第一个通过跨越时间的游戏来理解自然的人。我一直在想，如果这位象棋博物学家像川端康成那样研究围棋的话，他会把这个比喻推广到什么程度。国际象棋的目标是通过消灭棋子来暴露和捕获国王，而围棋的目标则是通过围攻敌人的棋子---- 石头---- 来占领领土，并保护无人认领的区域。

我们通过游戏的视角来理解进化。

我认为，沉思游戏策略的一些微妙之处，可以阐明我们对进化战略特征的理解，这两篇最近由不同研究团队发表在《科学》杂志[1]和《自然》杂志[2]上的关于蛋白质进化的论文，精彩地聚焦于此。

与围棋的比较说明了这两个研究如何将进化从一个很大程度上的战术过程提升到一个富有战略可能性的过程。换句话说，他们解释了二阶生物特性，如鲁棒性、复杂性和可进化性(即适应性变化的潜力增加)是如何在自然选择下自然出现的。与可能更为熟悉的一阶适应性特性同时出现的，这些一阶适应性特性增加了适应性。

特别是，这些论文展示了这些二阶属性——它们可以是中性的，也可以是对机体无害的，或者可能是有利的——在蛋白质中起作用。当然，蛋白质是由一个或多个长链氨基酸组成的大型折叠分子构成的。这些链往往折叠成多个不同的亚单位形成大型多亚基，也称为多亚基复合物。各种三维、三级结构的蛋白质可靠地形成，这些蛋白质在很大程度上负责适应性功能，比如当暴露在特定波长的光线下时会发出颜色。

蛋白质的三维结构

生物学中的健壮性、可进化性和复杂性类似于围棋中的打劫，是一种战术，因为它们在组合规则系统中都具有共同的基础。围棋玩家需要学习建立一个“厚实的”或无懈可击的领地，它们不能被修改，因为任何放入棋盘的石头都会被捕获。

适应性进化的历史通常被看成是零和博弈或“适者生存”，一个适应性基因型或一个有机体所储存的基因，会以牺牲其他所有基因为代价而获益。每一个新的优势突变都会将成功的基因组提升到一个适合的高度，走向它的巅峰。

这种相当简单的进化观念，在精神上更接近井字棋，而不是国际象棋和围棋所具有的丰富性，在过去的几十年里受到了挑战。进化不仅是通过直接竞争优势进行的，而且通过无害的基因突变等中性过程，建立了强有力的表型(厚度) ，这些表型是由与环境相互作用的生物体基因发展而来的。从新的中性变异可以获得全新的潜在变异 。许多特征一旦建立不能改变，成为进化的共同依赖的结果。

在科学杂志上的论文。Andreas Wagne着手研究通过适应度最大化过程，自然选择如何可能间接导致可进化性的增加，这是一种元进化。为此，他们对大肠杆菌中的黄色荧光蛋白进行了不同强度的选择。

在他们实验的第一阶段，他们让三个不同的黄色荧光大肠杆菌群体通过强选择、弱选择或无选择。强烈的选择相当于光学分类那些菌能繁殖到下一代，只繁殖顶部20% 的绿色荧光有机体。在弱选择条件下，研究人员繁殖所有发绿色荧光的生物，包括最弱的。无选择仅仅意味着随机向前传播种群，而不考虑它们的荧光。

在第二阶段，研究者在所有三个种群中施加了相同的选择压力，以使它们进化出更强的绿色荧光。他们发现，在第一阶段，相对于弱选择或无选择，强选择导致更快地向绿色目标进化。

这很奇怪。有人可能会认为，强选择消除了可能导致进化的可变性，而弱选择则允许中性变异积累。研究人员发现，强选择可以促进可折叠突变的积累，其中一些突变增加了蛋白质的突变稳定性，提供了对有害突变的保护。

选择性强，有利于折叠，实际上使“适应度景观”更加平坦。平坦的适应性景观是指相邻的突变具有大致相同的适应度(因此没有局部梯度)。由于没有任何突变可以超过其他所有突变，因此平坦性允许更大的可变性，从而使基因型有机会更迅速地“发现”绿色荧光基因型。

换句话说，这是一个进化的劫。研究者实际上利用选择来消除较少发黄色荧光的蛋白质的遗传序列。这些允许中性或无害的突变积累和构建由弱绿色荧光蛋白质组成的连接网络，这些新形成的网络能显著增加可进化性。

正是这些由连接在一起的棋子/基因型组成的更大的可进化的结构，才是最终胜利的关键ーー在这里，一个领域由一个玩家主导，在该文中是强绿色荧光蛋白质。正如Wagene所写的，他们对这些黄色荧光蛋白进行了多轮定向进化，以“证明自然选择本身可以创造达尔文进化成功的条件”。

Georg Hochberg 和他的同事们在《自然》杂志的论文中也研究了蛋白质的进化ーー不是在实验室里，而是通过系统发育重建的方法，利用基因型来推断祖先蛋白质的系谱树。他们感兴趣的是，对于许多蛋白质复合体，为何会有多个没有功能价值的亚单位。通过分析甾体受体的进化及其与水环境的界面，他们假定，一个疏水性棘轮(偏向疏水性氨基酸替代)和将疏水性氨基酸暴露在界面上的有害后果的结合，将产生大量的多亚基受体蛋白。回归到单体构型，这些残留物暴露在水中的形状，将倾向于通过净化选择对抗不适应的变异而消除。这样，分子复合体就变得根深蒂固了ーー被锁住了。

1975年，诺贝尔奖获得者化学家曼Manfred Eigen和他的合著者Ruthild Winkle建议我们通过游戏的镜头来理解进化。受 Herman Hesse的小说《玻璃珠游戏》中围棋格子的启发，埃根和温克勒写道: “游戏是一种自然现象，从一开始就指导着世界的进程。这一点在物质的形成、物质进入生命结构的组织以及人类的社会行为中都很明显。”俄罗斯国际象棋大师Boris Spassky可能会惊讶地发现，他的主张“国际象棋就像生活”超越了这个比喻。

1. Zheng, J., Guo, N., & Wagner, A. Selection enhances protein evolvability by increasing mutational robustness and foldability. Science 370, eabb5962 (2020).

2. Hochberg, G.K.A., et al. A hydrophobic ratchet entrenches molecular complexes. Nature 588, 503-508 (2020).

更多阅读

生态位构建-一种普遍的主动进化

生命进化的跃升

当机器学习遇上进化算法