生物系统的自组织现象

生物系统的自组织现象与可能的机理李衍达2004.5 一、系统的自组织现象参数出现与尺度无关的特性代谢网络物种间协同进化Internet——BBSID-networks 一、系统的自组织现象ID-network中的度与聚集度的概率分布1 一、系统的自组织现象物种间协同进化过程生态系统与复杂系统的联系生态系统协同进化模型（基于马氏链）（MCEM:ModelofCoevolutionofEcosystembasedonMarkovChain） 一、系统的自组织现象图2生态系统的进化112进化历程 一、系统的自组织现象生态系统也出现雪崩进化效应相互依赖关系能加速生态系统的进化过程(a)(b)进化代数/50进化代数/50图3物种的突变的分布情况显示了生态系统的间断平衡特性（a）整个系统的突变情况；（b）100个连续编号的物种的突变情况物种编号物种编号 一、系统的自组织现象图4雪崩突变规模的分布n(s)sn(s) 一、系统的自组织现象MCEM可模拟生态系统的进化幕即生态系统各个进化阶段：各段之比为3:15:10:4:6，与实际相符太古宙早期（38-35亿年前）太古宙至早元古代（35-20亿年前）中元古代（20-10亿年前）晚元古代（10-6亿年前）显生宙（6亿年前至现代） 一、系统的自组织现象图5生态系统各阶段的平均进化程度进化代数/10000 一、系统的自组织现象表1生态系统进化阶段（幕）地质年代（同位素时间）生态系统与生物进化事件太古宙早期（38-35亿年前）生命起源，最早的微生物生态系统建立太古宙至早元古代（35-20亿年前）光合作用起源，具光系统1的光合细菌和蓝藻出现和繁盛中元古代（20-10亿年前）真核生物起源，蓝藻和真核藻类释氧的光合作用成为有氧生产和自由氧的主要来源；浮游生物出现和繁盛，大规模生物礁出现晚元古代（10-6亿年前）真核生物性别分化、减数分裂和世代交替出现，后生动物、植物起源，建造叠层石和蓝藻衰落显生宙（6亿年前至现代）陆地维管生物和脊椎动物起源和发展，陆地生态系统建立，动物、植物歧异度增大，物种替代频繁 二、可能的机理可能在演化进程中，变异（或联结）具有倾向于聚集中心的偏好性即引起演化的变异不是纯随机的，趋向聚集中心的变异概率更大 二、可能的机理BA模型(Barabási,Albert)机理：“线性偏好联结”特性网络中某顶点，其最近邻顶点数称为“度”一个新顶点加入，连接到“”度的顶点的概率正比于，为一常数越具聚集性的顶点与新顶点连接的概率越大 二、可能的机理BA模型的聚集系数出现与尺度无关的特性其中，为顶点的度（最近邻顶点数）为最近邻顶点的连接数为网络中的顶点数 二、可能的机理如果把定义为“聚集度”，对广义BA模型、的概率分布均有与尺度无关特性（如下图）且与的尺度特性间有一定关系。 二、可能的机理6 三、为何生物系统采取倾向于聚集中心的偏好性？在进化计算模型中我们改变原来的基因随机变异策略，改为向聚集方向以更大概率变异的“定向变异”策略优化结果表明将定向变异与随机变异相结合(PDVES)或定向变异(DVES)均大大加快优化的进程在各种情况下，优化结果均优于随机变异(ES)。 三、为何生物系统采取倾向于聚集中心的偏好性？Fig.7.TwodifferentmethodstoapplydirectedvariationtoES.(a)DVES.(b)PDVES. 三、为何生物系统采取倾向于聚集中心的偏好性？Fig.8.Usingthethreedifferentalgorithmstooptimize(a)hyperspherefunction,(b)Rastriginfunction,and©Ackleyfunctionwithn=4.Thenumbersoffunctionevaluationsare1000,2000,and2000,respectively,for(a),(b),and(c).Inthefigure,thelineswithcirclesaretheresultsforES,thelineswithdotsaretheresultsforDVES,andthelineswithstarsaretheresultsforPDVES. 三、为何生物系统采取倾向于聚集中心的偏好性？Fig.9.Usingthethreedifferentalgorithmstooptimize(a)hyperspherefunction,(b)Rastriginfunction,and©Ackleyfunctionwithn=10.Thenumbersoffunctionevaluationsare5,000forallthethreefunctions.Inthefigure,thelineswithcirclesaretheresultsforES,thelineswithdotsaretheresultsforDVES,andthelineswithstarsaretheresultsforPDVES. 四、结论采用向聚集中心变异的偏好性，使生物能更快、更好的产生对环境的适应性（互联网的信息获取也是如此）所以，生物就采用了这样的策略因为，采取这种策略的生物更适于生存——这是自然选择的结果。 Thanks!