学术进展

计算生物学中心研究团队发现博弈论新应用

[发布日期:2016-03-28 点击数: ]

近日,一个利用博弈论解释生物自然变异起源的新理论,由我校计算生物学中心研究团队在国际上率先创立。有关成果已在国际遗传领域顶尖学术期刊《Trends in Genetics》(2015影响因子9.2)上面公开发表。
      在推动人类社会发展的灿若星辰的无数理论中,有两个因为横跨自然科学与社会科学领域而显得尤其的耀眼。它们一个是探讨自然界物种起源的达尔文进化论,另一个是研究个体在游戏规则中寻求最优对策的博弈论。
自然界生物千差万别,各守其职,但是都趋于在结构与组织设计上实现功能最优最强,以便在与自然界各种生物、非生物环境搏斗中获得生存、交配与繁殖的空间与资源。这一“弱肉强食、适者生存” 的达尔文进化论对于人类认识自然起了巨大的作用。
       起源于近代经济领域的博弈论,讲的是在二人平等的对局中各自利用对方的策略变换自己的对策,以获取最大的利益。按照这一理论,在多个参与者的博弈中,最后的胜利不仅取决于参与者的实力,更取决于如何巧妙利用其它参与者的策略调整自己的对策以获得最佳发挥。
      虽然进化论与博弈论都包含了“目标最优”思想,但它们的出发点是不一样的。能真正将这两个理论完美结合在一起, 更好地研究物种进化的人是英国生物学家John Marynard Smith。在上世纪七十年代初期,他与Price发表一篇划时代论文,提出博弈的基本均衡概念,从而奠基了进化博弈论作为一门独立学科的基础。
      长期以来,人们追求认识生物、改造生物目标的脚步从未停止,人们利用各种现代生物技术对生物自然变异的遗传起源进行解析,对生物现象的认识已达到了前所未有的高度,然而离最终能完全按照人类意志改变、改造生物的目标仍然相距甚远。因此,在解析生物现象这一巨大的目标面前,各国科学家可谓争先恐后、勇往直前。
      我研究团队发表的这一论文的突破点在于,结合进化博弈论与功能作图方法在研究生物发育、生态演化现象基础上,而提出了一个崭新的基因解析概念——生态博弈作图法。这一新概念打破传统基因解析所利用的生物是孤立存在的假设,利用进化博弈论的基本原理,构建出动态数学模型,定量分析生物之间竞争、合作等相互作用策略,进一步估计这种互作对生物表型形成的影响。通过把进化博弈论与功能作图方法相交叉,这一新概念不仅能估计个体基因对自身表型的直接影响,还能估计各个体基因对它们的共处生物的表型的间接影响,而且还能估计出不同个体之间的基因如何通过信号传导对整个生物表型的互作影响。这一新概念不仅提升了基因解析的精度,还能对进化遗传学、生态遗传学、发育遗传学、微生物遗传学等多门学科产生潜在的影响。
      这一工作是由邬荣领教授负责顶层设计,产生研究思路,指导一批由研究生与青年教师组成的团队参与模型构建、结果解释与论文撰写。这篇观点性论文是《Trends in Genetics》主编及其她领导的编委会,组织各方权威专家仔细评审、多次讨论才最终发表的。它的正式发表标志着我校计算生物学中心在理论生物学研究方面已跨入世界领先水平行列。
      据悉,计算生物学中心研究人员正在利用这一新概念设计各种实验,以期获得数据,尽快验证理论,争取更大的突破。
      我校计算生物学中心一直以来秉承“创新是科研灵魂”这一宗旨,力争通过提高团队创新力为国家科研创新做出应有的贡献。

论文链接:http://www.cell.com/trends/genetics/fulltext/S0168-9525%2816%2900028-7


计算生物学中心: 梁丹


小知识:博弈论源自经济领域研究,虽然我国古代《孙子兵法》运用了博弈论的思想,但真正将这一思想上升到理论高度,并借助数学工具定量分析博弈中的各方对策,还是西方科学家在上世纪二三十年代完成的。目前,博弈论正广泛用于经济、军事、国际政治、计算机设计、进化、抗癌药物设计等多个关键领域,已有大约14名科学家因为博弈论开拓性研究而获诺贝尔奖。Marynard Smith因为进化博弈论的创立而获得与诺贝尔奖互补的Crafoord奖。
      什么是创新力?创新力是在科学技术领域(并不局限于这个领域)中提出具有理论价值、经济价值、社会价值的新思想、新方法与新发明的能力。创新力是人类进步的灵魂,是经济发展的核心,是提升国家竞争力与国际地位的决定性因素。