[논문 리뷰] Is information a selectable trait?

Masoud Mirmomeni, William F. Punch외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 15.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 75인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고정된 환경에서 디지털 진화 실험에 프라이스 방정식을 적용하여, 게놈의 정보량(정보의 양)이 선택 가능한 특성인지 테스트한다. 정보는 선택에 의해 증가하며, 무작위나 약한 선택의 부산물이 아니라, 강한 선택을 받는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

There is little doubt in scientific circles that--counting from the origin of life towards today--evolution has led to an increase in the amount of information stored within the genomes of the biosphere. This trend of increasing information on average likely holds for every successful line of descent, but it is not clear whether this increase is due to a general law, or whether it is a secondary effect linked to an overall increase in fitness. Here, we use "digital life" evolution experiments to study whether information is under selection if treated as an organismal trait, using the Price equation. By measuring both sides of the equation individually in an adapting population, the strength of selection on a trait appears as a "gap" between the two terms of the right-hand-side of the Price equation. We find that information is strongly selected (as it encodes all fitness-producing traits) by comparing the strength of selection on information to a weakly selected trait (sequence length), as well as to a neutral marker. We observe that while strength of selection on arbitrary traits can vary during an experiment (including reversing sign), information is a selectable trait that must increase in a fixed environment.

연구 동기 및 목표

• 진화 과정에서 게놈의 정보가 피트니스 향상의 부산물이 아니라, 능동적으로 선택되는지 여부를 규명하기 위해.
• 유전적 정보의 증가가 일반적인 진화 법칙의 결과인지, 또는 피트니스 선택의 부차적 결과인지에 대한 논쟁을 해결하기 위해.
• 디지털 생물에서 정보의 표현형 특성으로서의 선택 압력을 정량화하기 위해 프라이스 방정식을 적용하기 위해.
• 정보의 선택 강도가 약한 선택을 받는 특성(예: 서열 길이)이나 중립 마커와 비교되어 진화적 의의를 규명하기 위해.
• 안정된 환경 조건에서 정보량이 단조롭게 증가하는지, 환경 변화가 이 추세에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 통제된 고정된 환경 조건에서 무성 진화를 시뮬레이션하기 위해 디지털 생명체 시스템(Avida 생물)을 사용하기 위해.
• 정보를 게놈 서열의 샤논 정보량으로 정의하고, 단일, 이중, 고차 이상의 돌연변이를 포함한 인공적 집합을 통해 추정하기 위해.
• 확장된 프라이스 방정식을 적용하여 진화적 변화를 두 성분으로 분해하기 위해: 정보와 피트니스의 공분산(선택 항), 및 돌연변이에 의한 기대 변화(두 번째 항).
• 적응하는 집단에서 시간에 따라 프라이스 방정식의 양변을 실측하여 정보의 선택 강도를 평가하기 위해.
• 정보의 선택을 서열 길이(약한 선택을 받는 특성) 및 중립 마커(선택 없음)와 비교하여 상대적 강도를 규명하기 위해.
• 선택 스위프트나 정체 상태 기간 동안 선택 압력의 변화를 감지하기 위해 프라이스 방정식 항의 시간적 동역학을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진화적 동역학에서 정보는 선택 가능한 특성인가, 아니면 피트니스 향상의 부산물로만 증가하는가?
• RQ2 정보의 선택 강도는 서열 길이나 중립 마커와 같은 약한 선택을 받는 특성보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 고정된 환경에서 정보량은 단조롭게 증가하는가? 환경이 급격히 변화하면 어떻게 되는가?
• RQ4 프라이스 방정식을 통해 정보가 선택을 받고 있음을 실측적으로 입증할 수 있는가, 아니면 당연한 결과이거나 부산물일 뿐인가?
• RQ5 고차 서열 상관관계는 정보량 추정에 어떤 영향을 미치며, 이를 忽시할 경우 어떤 편향이 발생하는가?

주요 결과

• 고정된 환경에서 정보는 강하게 선택되며, 정보의 선택 강도는 서열 길이나 중립 마커보다 유의미하게 높다.
• 프라이스 방정식의 공분산 항(선택 항)은 정보에 대해 항상 양수를 유지하여 지속적인 방향성 선택이 있음을 나타낸다.
• 임의의 특성에 대한 선택 강도는 변동하거나 부호가 뒤바뀔 수 있지만, 정보는 항상 양의 선택을 보이며, 이는 무작위 부산물이 아님을 시사한다.
• 환경이 변화하면 정보량이 급격히 감소하며, 이는 이전에 유용했던 정보가 더 이상 관련성이 없어지기 때문이다. 이로 인해 피트니스와의 공분산은 음수가 된다.
• 환경 변화 이후 프라이스 방정식의 두 번째 항(돌연변이에 의한 변화)은 양수가 되어, 돌연변이를 통해 새로운 정보가 나타나고 있음을 반영한다.
• 이 연구는 정보량이 피트니스의 신뢰할 수 있는 대체 지표임을 확인하였으며, 생물의 성공과 강하게 상관관계가 있어 직접 측정 없이도 피트니스를 유추할 수 있음을 보여준다.