[论文解读] Is information a selectable trait?

Masoud Mirmomeni, William F. Punch+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2014

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 75被引用 8

一句话总结

本研究在数字演化实验中应用Price方程，检验信息（定义为基因组的信息含量）是否为可选性状。结果表明，在固定环境中，信息受到强烈选择，其增加由自然选择驱动，而非中性或弱选择性状的被动副产物。

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.

研究动机与目标

• 确定基因组中的信息是否在进化过程中被主动选择，而非因适应度提升而偶然增加。
• 解决关于基因组信息增加是否为普遍进化规律的结果，还是适应度选择的次要效应的争议。
• 应用Price方程量化信息作为数字生物体表型性状的选择压力。
• 将信息的选择强度与弱选择性状（如序列长度）及中性标记进行比较，以确立其进化重要性。
• 评估在稳定环境条件下信息含量是否单调增加，以及环境突变如何影响该趋势。

提出的方法

• 利用数字生命系统（Avida生物体）在受控的固定环境条件下模拟无性繁殖进化。
• 将信息定义为基因组序列的香农信息含量，通过人工构建单个、双个及更高阶突变体的集合进行估计。
• 应用扩展的Price方程，将进化变化划分为两部分：信息与适应度的协方差（选择项），以及由突变引起的期望变化（第二项）。
• 在适应性种群中随时间测量Price方程的两侧，以评估信息的选择强度。
• 将信息的选择与序列长度（弱选择性状）及中性标记（无选择）的选择进行比较，以确立相对强度。
• 分析Price方程各项的时间动态，以检测在选择扫荡或停滞期间选择压力的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在进化动态中，信息是否为可选性状，还是仅作为适应度提升的副产品而增加？
• RQ2 信息的选择强度与序列长度等弱选择性状或中性标记相比如何？
• RQ3 在固定环境中，信息含量是否单调增加？当环境发生突变时会发生什么？
• RQ4 Price方程能否实证证明信息受选择，而非同义反复或偶然结果？
• RQ5 高阶序列相关性如何影响信息含量的估计？忽略它们会引发何种偏差？

主要发现

• 在固定环境中，信息受到强烈选择，其选择强度显著高于序列长度或中性标记。
• Price方程中的协方差项（代表选择）对信息始终保持正值，表明持续的定向选择。
• 尽管任意性状的选择强度可能波动或改变符号，但信息始终表现出正向选择，表明其并非随机副产品。
• 当环境改变时，信息含量会突然下降，因为先前有用的信息变得无关，导致与适应度的协方差为负。
• 环境改变后，Price方程的第二项（突变引起的改变）变为正值，反映出通过突变产生新信息。
• 本研究证实信息含量是适应度的可靠代理指标，因其与生物体成功高度相关，且可无需直接测量即推断适应度。