進(jìn)化動(dòng)力學(xué)

前言

《進(jìn)化動(dòng)力學(xué)》一書的主旨在于揭示生命進(jìn)化所遵循的數(shù)學(xué)原理。自20世紀(jì)50年代以來，隨著人類對(duì)自身生存世界以及生命本質(zhì)的不斷探索，生物學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)已經(jīng)取得了巨大的成就。進(jìn)化理論是生物科學(xué)的核心理論，是生物學(xué)一切分支學(xué)科的基礎(chǔ)。生命系統(tǒng)所呈現(xiàn)的一切現(xiàn)象最終都一定會(huì)從進(jìn)化角度得到解釋。在過去的半個(gè)世紀(jì)中，進(jìn)化生物學(xué)發(fā)展勢頭迅猛，已經(jīng)逐漸成為一門具有精確數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)科。與進(jìn)化過程或機(jī)理相關(guān)的所有思想都能夠并且應(yīng)該通過進(jìn)化動(dòng)力學(xué)方程來呈現(xiàn)。在進(jìn)化理論誕生最初的一百年中，其主要關(guān)注的是物種起源和適應(yīng)的遺傳進(jìn)化機(jī)制。但近年來，進(jìn)化思想已經(jīng)逐漸滲入到生物學(xué)與生命科學(xué)的許多相關(guān)領(lǐng)域。隨著生命體遺傳信息的復(fù)制，進(jìn)化在悄然無聲地進(jìn)行。具體地說，遺傳信息的傳遞誤差會(huì)導(dǎo)致突變的出現(xiàn)，于是信息更加趨向于多樣化。不同信息在復(fù)制過程中可能具有差異，其中一些信息復(fù)制得比較快，這時(shí)選擇就會(huì)起作用。突變和選擇的共同作用促成了進(jìn)化。數(shù)學(xué)模型可以精確地描述突變和選擇的過程。因此，進(jìn)化儼然已經(jīng)成為一門數(shù)學(xué)理論。生命科學(xué)，特別是生物學(xué)具有極為廣闊的理論擴(kuò)展空間。為了使學(xué)生能夠接受到跨學(xué)科教育，目前每所大學(xué)都在針對(duì)數(shù)學(xué)生物學(xué)制定涵蓋數(shù)學(xué)、分子生物學(xué)、語言學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)計(jì)劃。學(xué)科交叉會(huì)更加有利于科學(xué)發(fā)展。兩種學(xué)科的交叉無疑會(huì)帶來兩種文化的碰撞，許多新思想也必將隨之萌發(fā)。本書中，我們結(jié)合生物學(xué)語言和數(shù)學(xué)理論對(duì)進(jìn)化問題進(jìn)行探討?！哆M(jìn)化動(dòng)力學(xué)》為讀者呈現(xiàn)了生命系統(tǒng)進(jìn)化所遵循的基本原理，盡管這些原理看起來十分復(fù)雜，而事實(shí)上卻是如此簡單而令人著迷。本書為了避免不必要的復(fù)雜性，將從最基本的問題開始，逐步深入到關(guān)鍵問題。

內(nèi)容概要

《進(jìn)化動(dòng)力學(xué)》一書闡釋了生命進(jìn)化所遵循的數(shù)學(xué)原理。進(jìn)化動(dòng)力學(xué)主要涉及復(fù)制、突變、選擇、隨機(jī)漂變和空間運(yùn)動(dòng)等過程。本書結(jié)合生物學(xué)理論和數(shù)學(xué)語言對(duì)這些問題進(jìn)行了論述。開篇簡要介紹了與進(jìn)化相關(guān)的基本概念、種群動(dòng)力學(xué)基本模型以及準(zhǔn)種理論；然后介紹進(jìn)化動(dòng)力學(xué)基本研究方法及其應(yīng)用，分別就合作行為、HIV、病原體、癌癥以及人類語言的進(jìn)化機(jī)制展開討論，其中所涉及的研究方法主要有進(jìn)化博弈理論、囚徒困境模型、進(jìn)化圖論、網(wǎng)絡(luò)博弈等。    本書語言簡潔有力，論述生動(dòng)有趣。雖然書中涉及大量的數(shù)學(xué)方法，但是，讀者只需具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，就不會(huì)感到晦澀枯燥。該書適合于具有生物學(xué)、數(shù)學(xué)以及具有其他相關(guān)學(xué)科背景的讀者閱讀。

作者簡介

Martin A.Nowak，哈佛大學(xué)生物學(xué)和數(shù)學(xué)教授，進(jìn)化動(dòng)力學(xué)中心主任。

書籍目錄

中文版序言前言1  緒論2  進(jìn)化是什么3  適合度景觀與序列空間4  進(jìn)化博弈理論5  囚徒困境6  有限種群7  有限種群中的博弈8  進(jìn)化圖論9  空間博弈10  HIV感染11  毒力的進(jìn)化12  癌的進(jìn)化動(dòng)力學(xué)13  語言的進(jìn)化14  結(jié)論進(jìn)一步閱讀參考文獻(xiàn)索引譯者后記

章節(jié)摘錄

插圖：這一觀點(diǎn)是所謂中性進(jìn)化理論（neutral theorv 0f evolution）的核心,根據(jù)這一理論，大多數(shù)能夠被觀察到的突變——例如比較人類和黑猩猩的遺傳序列——是中性的，在那些由物種的祖先經(jīng)歷上百萬代的優(yōu)化過程保留下來的基因則完全不可能發(fā)生所謂的有利突變，另一方面，由于被淘汰的概率很高，有害突變不可能被觀察到，因此，在任何系統(tǒng)發(fā)生過程中觀察到的大多數(shù)突變應(yīng)是中性的（或接近中性的）。中性突變的累積率可以簡單地由突變率表示，它不依賴于種群大小，且不受種群大小波動(dòng)的影響。如果突變率主要依賴于DNA復(fù)制的精確性，而DNA的復(fù)制又是由在真核生物里很少發(fā)生改變的高度優(yōu)化的酶系統(tǒng)控制完成的，則進(jìn)化速率應(yīng)是一個(gè)常數(shù)。中性理論為我們提供了一個(gè)“分子鐘（molecularclock）”（見圖6.5）。中性理論的提出曾掀起一場支持者和反對(duì)者之間的激烈論戰(zhàn)。中性理論的極端擁護(hù)者認(rèn)為所有可以觀察到的突變，例如在人類和黑猩猩之間，都是中性的。因此，僅用中性變異（variation）就可以完全解釋這兩個(gè)物種的進(jìn)化分支問題，而適應(yīng)（adaptation）是不重要的。極端的適應(yīng)論者則認(rèn)為中性進(jìn)化是不重要的，甚至中性進(jìn)化不能被認(rèn)為是進(jìn)化，因?yàn)樗鼉H僅代表沒有適應(yīng)的隨機(jī)變異；進(jìn)化的本質(zhì)是活廊。

后記

《進(jìn)化動(dòng)力學(xué)》原著作者借助十分精煉的數(shù)學(xué)語言將色彩紛呈的生命進(jìn)化過程呈現(xiàn)給廣大讀者在翻譯過程中，我們也盡力秉承原著的敘述特色，以便讀者能夠充分領(lǐng)會(huì)原著作者敏銳的洞察力和獨(dú)特的視角。同時(shí)希望該書中譯本能為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供一些有益的啟迪，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的融合和發(fā)展。在本書的翻譯過程中，我們由衷感謝中國科學(xué)院動(dòng)物研究所理論生態(tài)學(xué)研究組陶毅博士為譯文的校對(duì)提供了寶貴建議。同時(shí)感謝天津科技大學(xué)孫明晶博士，中國科學(xué)院植物研究所孟新柱博士，動(dòng)物研究所張博宇、王百樺、鄧玲玲、何巧巧、張加華等對(duì)書中部分章節(jié)的修改，正是由于他們提供了寶貴的參考意見，才使得翻譯工作順利完成。最后，我們要特別感謝高等教育出版社李冰祥博士的鼓勵(lì)和編輯的幫助，感謝中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目（Kzcx2-YW-415）對(duì)翻譯工作的資助。鑒于譯者學(xué)識(shí)有限，謬誤之處在所難免，敬希讀者不吝指正。

媒體關(guān)注與評(píng)論

“閱讀本書給我?guī)頍o盡的享受。對(duì)數(shù)學(xué)生物學(xué)中有趣而重要的新問題，本書論述精彩絕妙，并提出了一系列嶄新的觀點(diǎn)。它必將受到廣大讀者的熱切歡迎。” 　　——Robert M．May，牛津大學(xué)動(dòng)物學(xué)教授 “Martin Nowak為語言和合作的進(jìn)化研究注入了嚴(yán)密而新穎的思想。書中到處洋溢著獨(dú)特的見解和令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。對(duì)于該領(lǐng)域有興趣的讀者來講，它是一本不可錯(cuò)過的好書?！?　　——StevenPinker，哈佛大學(xué)Johnstone心理學(xué)教授，著有《語言本能》(The Language Instinct)，《詞與規(guī)則：語言的組成》(Words and Rulcs：TheIngredients of Language)，《大腦是如何工作的》(How the Mind Works) “這是該領(lǐng)域大師的杰作。簡潔、清晰、深刻地闡述了許多重要問題，包括合作、癌癥、語言及H，V。你可以從Nowak那里受益匪淺?！?　　——Robert Trivers，Rutgers大學(xué)人類學(xué)和生物學(xué)教授，《基因的沖突》(Genes in Conflict)作者之一

編輯推薦

《進(jìn)化動(dòng)力學(xué):探索生命的方程》中，Nowak向我們展示了真實(shí)世界中的許多重要問題，如HIV致病過程，病原體毒力的進(jìn)化，癌的進(jìn)化，利他行為的進(jìn)化，甚至人類語言的進(jìn)化等，都可運(yùn)用進(jìn)化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行解釋。《進(jìn)化動(dòng)力學(xué):探索生命的方程》以進(jìn)化動(dòng)力學(xué)的語言，對(duì)理解每一個(gè)生命系統(tǒng)，包括由生命系統(tǒng)所導(dǎo)致的一切，舉出了清晰且有說服力的案例。在生命科學(xué)空前發(fā)展的時(shí)代，進(jìn)化是唯一貫穿并統(tǒng)一其各分支領(lǐng)域的理論。生命系統(tǒng)所呈現(xiàn)的一切現(xiàn)象最終都一定會(huì)從進(jìn)化角度得到解釋。進(jìn)化是突變和自然選擇共同作用的結(jié)果，而突變和自然選擇都可以通過數(shù)學(xué)方程表示。《進(jìn)化動(dòng)力學(xué)》關(guān)注的正是這些描述生命系統(tǒng)進(jìn)化過程的方程。在《進(jìn)化動(dòng)力學(xué):探索生命的方程》中，Martin Nowar利用生物學(xué)理論和數(shù)學(xué)語言闡釋了生命進(jìn)化遵循的數(shù)學(xué)原理。無論控制生命系統(tǒng)的進(jìn)化原理表面上看起來多么復(fù)雜，它們總可以用最簡單但卻非常有力的數(shù)學(xué)形式進(jìn)行闡釋。Nowak提出，如今進(jìn)化儼然已經(jīng)成為了一門數(shù)學(xué)理論，關(guān)于進(jìn)化過程或機(jī)理的所有思想都能夠并且應(yīng)該通過進(jìn)化動(dòng)力學(xué)方程來呈現(xiàn)。為此，書中介紹了一系列分析工具：適合度景觀、突變矩陣、基因組序列空間、隨機(jī)漂移、準(zhǔn)種、復(fù)制者、囚徒困境、有限種群和無限種群中的博弈、進(jìn)化圖論、網(wǎng)格博弈、進(jìn)化萬花筒、分形以及空間混沌。

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