[论文解读] The effect of spatial fitness heterogeneity on fixation probability

Kamran Kaveh, Alex McAvoy+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2017

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 33被引用 2

一句话总结

本文通过Moran过程研究了有限种群中空间适应度差异如何影响突变体的固定概率。研究发现，即使在大种群中，突变体适应度的异质性也会抑制其固定概率，而亲代适应度的异质性在大种群中无影响，但在小种群中可能增强固定概率，揭示了环境变异下进化动力学中的关键不对称性。

ABSTRACT

Many mathematical models of evolution assume that all individuals experience the same environment. Here, we study the Moran process in heterogeneous environments. The population is of finite size with two competing types, which are exposed to a fixed number of environmental conditions. Reproductive rate is determined by both the type and the environment. We first calculate the condition for selection to favor the mutant relative to the resident wild type. In large populations, the mutant is favored if and only if the mutant's spatial average reproductive rate exceeds that of the resident. But environmental heterogeneity elucidates an interesting asymmetry between the mutant and the resident. Specifically, mutant heterogeneity suppresses its fixation probability; if this heterogeneity is strong enough, it can even completely offset the effects of selection (including in large populations). In contrast, resident heterogeneity has no effect on a mutant's fixation probability in large populations and can amplify it in small populations.

研究动机与目标

• 研究在Moran过程中，环境异质性如何影响有限种群中突变体的固定概率。
• 确定适应度的空间变异是否改变选择更倾向于突变体而非亲代类型的情况。
• 分析在不同种群规模下，突变体与亲代适应度异质性对固定概率的非对称影响。

提出的方法

• 构建一个包含两种类型（突变体和亲代）的有限种群，暴露于固定数量的环境条件。
• 为不同类型和环境分配特定的繁殖率，使用Moran过程模拟随机的出生-死亡动态。
• 通过比较突变体和亲代类型的适应度空间平均值，推导出选择偏好突变体的条件。
• 利用解析近似和大种群的渐近分析方法分析固定概率。
• 比较突变体异质性（在不同环境中适应度的方差）与亲代异质性对固定动力学的影响。
• 通过数学分析表明，突变体异质性会降低固定概率，而亲代异质性在大种群中无影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与均质环境相比，突变体在何种条件下会在异质环境中固定？
• RQ2 适应度的空间变异如何影响突变体相对于亲代的固定概率？
• RQ3 突变体适应度异质性对大种群与小种群中固定概率的影响是什么？
• RQ4 亲代适应度异质性是否会影响突变体的固定概率？若影响，其依赖于种群大小的机制如何？
• RQ5 环境异质性是否可能在平均适应度相等的情况下，造成突变体与亲代进化成功之间的不对称性？

主要发现

• 在大种群中，只有当突变体的空间平均繁殖率超过亲代时，选择才会偏好突变体。
• 突变体适应度的异质性会抑制固定概率，甚至在强烈情况下完全抵消选择赋予的优势。
• 在大种群中，亲代适应度异质性对突变体固定概率无影响。
• 在小种群中，亲代异质性可能放大突变体的固定概率。
• 环境异质性引入了根本性的不对称性：突变体因其自身的适应度变异而处于劣势，而亲代的变异在大种群中不影响突变体的成功。