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　　美國物理學聯(lián)合會(American Institute of Physics)近日報道了由中國科學院長春應(yīng)用化學研究所、吉林大學和美國紐約州立大學石溪分校汪勁教授領(lǐng)導的研究組，從物理學角度系統(tǒng)闡釋了生物進化中由來已久的難題，其中包括著名的“紅皇后假說”。相關(guān)研究成果發(fā)表在《化學物理雜志》(J. Chem. Phys., 137, 065102)上。

　　雖然關(guān)于進化的定性描述以及觀測到的相關(guān)現(xiàn)象和性質(zhì)已經(jīng)建立起來，但是完整的量化普適進化動力學理論并不存在。汪勁教授領(lǐng)導的研究小組提出了一個新的普適進化理論。這個理論包括兩個基本要素：進化過程產(chǎn)生的適應(yīng)度勢景觀和環(huán)流進化驅(qū)動力。進化可以看作在適應(yīng)度勢形成的“山峰”和“山谷”景觀中穿越的旅行路線;環(huán)流使得生物種群的進化沿著適應(yīng)度勢景觀以螺旋方式前進。

　　進化論可以解釋生物系統(tǒng)為何和如何隨時間改變，但是關(guān)于生命的故事中仍有許多未解之謎，比如生物界為什么普遍采用有性繁殖來繁衍后代。傳統(tǒng)的進化論強調(diào)生物系統(tǒng)適應(yīng)物理環(huán)境的過程。而真實的生物進化，是由物理環(huán)境和生物環(huán)境共同決定。但是，如何考慮復雜的生物環(huán)境的影響，一直是傳統(tǒng)進化論中沒有解決的難題。

　　該研究的關(guān)鍵性突破是，通過引入“流”的概念，揭示和量化了生物相互作用所導致的進化驅(qū)動力。汪勁教授解釋說，在新理論中，進化過程中形成的“勢” (物理環(huán)境)與“流”(生物環(huán)境)景觀好比是進化驅(qū)動力的“陰陽”兩面，類似于量子世界中的波粒二象性，或者是決定電子運動的電場與磁場。該研究發(fā)現(xiàn)，同種群或種群間生物個體的相互作用會導致“流”的產(chǎn)生，即使物理環(huán)境保持不變，在“流”的驅(qū)動下進化可以永無止境。

　　這一發(fā)現(xiàn)為解釋“紅皇后假說”提供了理論依據(jù)。該假說指出，生物體需要不斷進化以適應(yīng)協(xié)同進化的生物環(huán)境，即，協(xié)同進化也可以導致無止境的選擇壓。在英國作家路易斯·卡洛爾的《愛麗絲鏡中奇緣》中，紅皇后對愛麗絲答到：“在這個國度中，必須不停地奔跑，才能使你保持在原地。”進化生物學家利•范•瓦倫于1973年借用紅皇后頗有禪意的回答提出紅皇后假說，恰如其分地描繪了自然界中激烈的生存競爭法則：不進即是倒退，停滯等于滅亡。自然界中，物種之間形成非常復雜的相互作用、相互依存的協(xié)同進化關(guān)系，由此導致的諸多現(xiàn)象，可通過紅皇后假說得到解釋，包括有性繁殖的起源問題。有性繁殖是生物體抵御寄生物入侵的有效策略。與寄生物之間的協(xié)同進化可以為生物體維持遺傳變異，通過有性繁殖過程中的基因重組，生物體能夠獲得更多的多樣性特征。在與寄生物之間的生存競爭中，某些先前不必要的特征可能會突然變成決定生死的關(guān)鍵，進而使生物體通過有性繁殖獲得生存優(yōu)勢。

　　在共生的世界里，沒有對“最適者生存”的保證，為了生存必須不停地“奔跑”。

　　勢與流推動著進化。圖中曲面表示隱藏在進化背后的勢函數(shù)，其梯度(黑色箭頭)是主要來自于物理環(huán)境的進化驅(qū)動力，紫色箭頭描述另一種重要的進化驅(qū)動力—— 流，產(chǎn)生于生物環(huán)境。進化沿著勢函數(shù)減少的方向進行。圖中藍色“峽谷”區(qū)域?qū)?yīng)著進化的一種最佳狀態(tài)，但是在“峽谷”中進化不會停止，峽谷中的“水流”推動著永無止境的進化。這就是著名的紅皇后假說中指出的：產(chǎn)生于生物間相互作用的“流”推動著永無止境的進化過程。物種的進化速度必須得趕上“峽谷”中“水流”的速度，否者會在生存競爭中被淘汰掉。