利用数字进化进行协调停滞的实验研究

It has been proposed, as an extension of punctuated equilibria, that evolutionary stasis can apply not only to particular evolutionary lineages, but to whole communities made up of different species. This "coordinated stasis " can be explained by: i) habitat tracking, where species track shifting patches of preferred habitat; and ii) ecological locking, where ecological relationships among community members become rigid and eventually stall evolutionary change. Despite considerable attention from paleobiologists, results of paleontological investigation remain inconclusive regarding the phenomenon and/or the mechanism(s) behind it. The proposed work will apply digital evolution, a computer-based experimental evolutionary method, to investigate coordinated stasis in a controlled experimental setting. We will create populations of self-replicating computer programs-digital organisms-that replicate, mutate, compete for space and resources, and evolve new genotypes and phenotypes. As the digital organisms consume some resources and generate others that can be used by other organisms, simple but plausible ecosystems will evolve over time. By constructing such synthetic ecologies, we will examine coordinated stasis at individual, ecological/phenotypic, and phylogenetic levels; to investigate whether and how often coordinated stasis emerges, and if so, whether occurrences of ecological stasis are reflected at the level of phylogeny, in whole or in part. We will determine whether any observed stasis is in fact "true" stasis by performing further experiments to detect the presence of ecological locking, or whether other evolutionary dynamics are present. This work will enhance understanding of multi-agent evolutionary systems involving generation and exchange of resources among community members, and contribute to a closer unification of micro- and macroscale views of evolution.

协同停滞是间断平衡论的延伸，该观点认为进化停滞适用于特定的演化谱系或由不同种群组成的群落。包含2个假说:1）栖息地追踪：物种总是追踪他们喜好的栖息地；2）生态封闭：群体内部成员间错综复杂的生态关系能阻止整个群落的演进。尽管这种现象已受到古生物学家的重视，但该现象及其发生机制却未能得到古生物学证据的证实。本项目基于计算机程序实验进化模拟，研究可控实验环境下的协同停滞检验：基于计算机语言设计模拟生物种群的复制、突变、新基因型和新表型产生、存在空间和资源竞争的程序--数字生物；在个体、生态/表型、系统发育水平进行协同停滞检验模拟；研究协同停滞是否发生以及发生的频率；该现象在系统发育水平的发生以及发生的覆盖面；进一步通过生态封锁检验确定所观察到的停滞是否真实发生或者是否存在其他有趣的进化机制。研究结果将增进对多因子群落演化系统中协同停滞演化机制的理解，有助于微进化和宏进化观点更进一步的统一。

项目背景：进化水平的停滞现象作为间断平衡理论的延伸，不仅仅存在于特定的演化谱系，并且存在于由不同物种组成的群落中。“协调停滞”的现象可以用以下机制来解释：1.栖息地追踪，物种会追踪不断变化的最适宜的栖息地区块。2.生态封闭，群落成员之间的生态关系会阻止整个群落的演进。但该现象及其发生机制却未能得到古生物学证据的证实。..主要研究内容：1.利用数字进化的手段和数字化个体的群落来研究可控环境下的群落稳定性和协调停滞现象。2.研究群落在生态/表型以及系统发生水平稳定性对于随机脉冲灭绝和选择性压力灭绝的相应（项目1）。3.利用附加的移动能力和地标（移动子系统）以及资源感知和可耗减性（生态子系统）来验证栖息地追踪的假设（项目2）。..主要结果：项目1:在所有的可量化视角中，强压力灭绝产生了与试验前不同的重度重塑群落；大多数较弱的试验条件不会产生与对照组显著不同的结果；随机的强脉冲灭绝产生的结果介于以上两个较为极端的结果之间。系统发生单独对对群落稳定性造成的影响甚至大于生态指标。项目2：当移动子系统和生态子系统被分别验证的时候均得到了不错的结果：我们获取到了具有移动能力和觅食能力的数字化个体。然而，当两个子系统结合时产生了未预见到的冲突，使得我们并没有获取到很多类似之前的结果。由于有效的栖息地追踪并不频繁的演变，栖息地的重定位并未导致协调停滞的多次出现。多数的重定位群落通常会显著地丧失生态及系统发生水平的完整性。..科学意义：尽管研究过程中出现了重重困难，本研究的结果还是证明了当与群落生态学的研究方法结合的时候，数字进化仍然是一种可以用来研究古生物学以及长期演化过程之中问题的有效手段，并且这些问题无法用其他方法解决。本研究增强了对包括资源的产生和在群落成员间的互换在内的多主体的演化系统的理解，并且促进了进化生物学在微观和宏观视角的进一步统一。