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博弈论或许能解释生命的起源  

2015-03-23 09:38:56|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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博弈论能够描述分子之间的竞争与合作

  

 


 

用来玩扑克或者其他室内游戏的数学理论也能为生命的起源提供线索。

 

乍一看你会觉得奇怪:用来描述商业竞争,打击恐怖分子以及玩扑克的数学理论竟然也能和生命起源有关系?你绝对想不到。

 

博弈论——用来描述策略互动的一个数学分支——通常被认为是解释室内游戏的一种演算。起初,这个概念用于分析那种结果是失败一方把东西输给胜利一方的双人游戏(零和游戏)。约翰?冯?诺依曼是喜欢玩扑克的数学家、物理学家和计算机科学家,他在20世纪20年代发明了博弈论,用来量化不同选择的优劣,比如决定要加注还是跟注。到了20世纪40年代冯?诺依曼和经济学家奥斯卡?摩根施特因共著《博弈论与经济行为》,打算用博弈论彻底改变经济。

 

博弈论在经济学界流行的比较慢,但是它在其他地方一展身手,例如分析冷战策略。20世纪50年代博弈论在约翰?纳什的努力下发展起来。多难的数学家纳什是《美丽心灵》一书和同名电影的原型。

 

纳什认为博弈论适合应用于类似游戏的复杂局面:其中有多名玩家,各自有多种策略。纳什提出,总有一个策略组合,在每个人都尽全力做出最正确的选择的情况下,能够让每一位玩家获得最多收益。这时,每个人都不愿意再改变策略。那意味着这个游戏(或者是经济体制,亦或国际局势)已经达到了一个稳定状态,或者叫做均衡。

 

“纳什均衡”成为了博弈论的核心概念,它将博弈论推广到多个研究人类行为的学科中,包括心理学、社会学、政治学和经济学。20世纪70年代,乔治?普赖斯(George Price)和约翰?梅纳德?史密斯(John Maynard Smith)将纳什均衡的概念进行微调,并应用于物种之间的生存竞争,至此博弈论进入生物学领域。一个生态系统中,所有生态位都能让其中成员拥有最大存活机会,意味着这些物种共同建立了“稳定进化策略”。

 

换句话说,动物和人一样,可以从多种不同的策略中选择。比如猫可以选择捉老鼠也可以朝你呜呜叫求你拿猫粮。不过对大多数生物来说,在行为上可选择的策略没有这么多。在一个满是鹰和鸽子的岛上,鹰采取侵略策略,鸽子只能是被动策略,单纯因为这就是这两种鸟的行为方式。当鹰和鸽子的相对数量能让其他鸟加入后得不到任何好处,这就成了稳定进化策略。

 

正如某些科学家所说,如果动物能够凭借他们先天的行为进行博弈,那不难想象博弈论可以延伸到生物分子中。

 

KatrinBohl和其合作者去年在《分子生物系统》上发表的一篇文章提到:“总的来说,除了整个生物体,影响(间接影响)它们繁衍的大分子也可以被看做博弈者。它们的很多特性都可以被看做策略,成为博弈论模型中博弈者并非必需认知能力和理性。”

 

事实上,很多时候你会真切地觉得化学反应就是分子间的一种竞争,其目标是排列成某种最佳状态。就像经济学领域竞争者希望最大化个人利益,一堆分子希望在能量上实现最稳定——这是通过达到一个最低能量状态实现的。纳什把博弈论里面的稳定状态称作“均衡”并非偶然,他显然是将博弈的平衡点比作化学反应的平衡状态。(在学数学之前,纳什是化学与化学工程专业的学生。)

 

生物体中的分子有不同的策略(特性),以此帮助它们所处的生物体存活下来。例如,基因就是生物存活和繁殖的主要功臣。有些基因明显有着对生物体有利的合作策略。但是有时候基因的特性(策略)没有那么有利于生物,但是它利用其它基因之间的合作,“搭着便车”就被传递到下一代。Bohl和同事称它们是“基因组寄生虫”,就像那些依赖社保,但是又想尽办法偷税漏税的人们。

 

还有一些分子作为博弈者的例子。某些蛋白折叠成刚性结构,而其他蛋白结构更加灵活。还有一些蛋白的刚性还是灵活取决于与之相互作用的蛋白。而刚性和灵活性可以看做策略,因此这些蛋白相互作用可以用博弈论分析。相同的博弈论分析还可以用于病毒——介于生物界和非生物界之间的遗传物质。这里,博弈论的思考很有价值,为生物医学界的博弈者(被称为医生)提供更好的抗感染策略。

 

理解了病毒存在博弈,那么就不难想象:在地球形成早期,生命出现以前,分子就发生着可以用博弈论分析的相互作用。Bohl和同事指出:核酶(一种有催化活性的RNA)可以自组装成网络,这个过程可能为生命诞生提供了足够的复杂性。2012年波特兰州立大学的Nilesh Vaidya和同事用实验展示了这是如何发生的。他们在Nature上发表了结果:一种核酶能够催化第二种核酶的合成进而第二种合成第三种;然后第三种再去催化第一种的合成。这种互相帮助的核酶是原始分子体系中的“合作者”;而其他“自私的”核酶只是自己合成自己。看来合作策略要比自私策略更有助于形成生命诞生前的复杂性,为生命诞生提供更大可能。

 

“我们的实验强调了早期生命的分子阶段中合作行为的重要性。”Vaidya和同事写道。

 

因此下次我写博客帖子推测博弈论能够解释生命的起源,请不要笑。即使我在开玩笑。(撰文:汤姆?西格菲尔德(TOM SIEGFRIED) 翻译:冯薇  审稿:李伯勋)

 

原文链接:

https://www.sciencenews.org/blog/context/life%E2%80%99s-origin-might-illustrate-power-game-theory

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