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生物学院计算生物学研究团队提出生物互作行为新理论

  日前,Cell出版集团旗下的跨学科刊物《Heliyon》正式发表我校生物学院计算生物学团队的最新研究论文,题为“A quantitative decision theory of animal conflict”,论文发表后在国际学术界引起广泛关注。

  

  从细菌群落到人类社会,群落中的有机体以各种方式相互作用,形成复杂的行为关系。因为对抗或合作需要能量,所以每一种生物的互动行为都可能付出高昂的代价。为了获得最大的收益,每一个生物体都努力选择一个最优的交互策略,使其对资源的占用最大化,但对能量的消耗最小化。然而,现有的理论无法解释,更不能量化生物体何时以及何种方式做出这样的选择。

  

  我校计算生物学学科研究人员提出了关于生物之间互作行为的新理论,并根据该理论发展了一个简单的定量决策模型来指导生物体之间的互作关系。

 

 

  该模型产生了四个假设,即一个参与者对另一个参与者的策略做出反应时,如何选择最优的行为策略。(1)“黄金分割比”假说(golden threshold hypothesis)认为,62%是决定一个较大的参与者(鹰式)对其较小的伙伴(鸽式)的策略转变的关键阈值。在这个临界点之下,大的利用小的,而在它之上,大的选择与小的合作。(2)从竞争到合作的转变假说(competition-to-cooperation shift hypothesis)认为,一个较大的玩家永远不会与一个较小的鹰型玩家合作,除非前者在规模上被后者反超75%。(3)斐波那契回溯标记假说(Fibonacci retracement mark hypothesis)提出,面对一个更大的鸽形玩家,一个较小的玩家选择合作还是欺骗,这取决于它相对于较大玩家的规模是小于还是大于38%。(4)投降抵抗假说(surrender-resistance hypothesis)认为,对于一个更大的鹰型玩家,一个较小的玩家可以从抵抗中获得一些好处,或者选择投降而牺牲。

  

  大量的研究表明,表型变异驱动动物相互作用的行为和功能,而生物体型被认为是动物互动策略中的关键驱动力。该论文用动物的大小来研究某些交互作用的最优策略的选择。通过分析在同一个水池中共同养殖的全同胞鱼的体重数据来检验这些假设。

 

 

  该模型揭示了生物互作中未知的数量机制,首次构建数学模型定量反映了生物之间的互作关系,这些机制介导了种群中动物行为的策略选择。鉴于生物相互作用普遍存在于不同层次的组织中,该模型还可以进一步用来研究细胞之间、基因之间和蛋白质之间的关系。决策理论模型的结果代表了深入理解生物体如何相互作用以推动其进化的第一步。

  

  生物学院计算生物学学科博士生吴双和青年教师姜立波为论文的共同第一作者,生物学院教师何晓青、金一以及宾夕法尼亚州立大学Christopher Griffin副教授共同参与了这项研究,邬荣领教授是论文的通讯作者。

 

      文章链接:https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07621

 

作者:梁丹;审稿:陆海      |     编辑:张薇; 审核:杨金融