計(jì)算機(jī)科學(xué)家首次發(fā)布報(bào)告聲稱，一種50多年前在博弈論中被發(fā)現(xiàn)、如今廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，與用來(lái)描述生物體內(nèi)基因分布的方程式，在數(shù)學(xué)形式上完全相同。 研究人員也許能夠用這個(gè)出奇簡(jiǎn)單卻強(qiáng)大的算法，更好地理解自然選擇是如何工作的，以及人類如何保持他們的遺傳多樣性。
編譯：集智俱樂(lè)部翻譯組
來(lái)源：quantamagazine
原題：The Game Theory of Life
研究者將進(jìn)化視為一場(chǎng)不斷重復(fù)的博弈（Game），在基因棋盤(pán)上，各路選手都在尋求一個(gè)能讓種群數(shù)量最優(yōu)的策略。在這一過(guò)程中，進(jìn)化既重視多樣性，也重視適者生存。
一些生物學(xué)家聲稱這些發(fā)現(xiàn)太新了、太理論化了，而難以應(yīng)用；研究者還不知道如何在活的生命體中去檢驗(yàn)這些想法。
另一些生物學(xué)家則說(shuō)這些發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）的進(jìn)展，將有助于科學(xué)家們理解自然選擇中一些難以理解的特點(diǎn)，比如：適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體并不一定都能將那些弱的競(jìng)爭(zhēng)者斬草除根，事實(shí)上，正如諾亞方舟所描述的那樣，物種基因的多樣性主導(dǎo)著大格局。
論文題目：
Algorithms, games, and evolution
論文地址：
http://www.pnas.org/content/early/2014/06/11/1406556111
“這是個(gè)看待自然選擇很不同尋常的視角?！眮?lái)自耶魯大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家 Stephen Stearns 說(shuō)道。
多重權(quán)重更新算法
當(dāng)要做出一系列決策時(shí)，那些用于線性規(guī)劃、零和博弈和諸多其他計(jì)算機(jī)科學(xué)復(fù)雜問(wèn)題中解題的算法，被用來(lái)權(quán)衡各種可能的策略。假如現(xiàn)在有10位金融專家為你投資資產(chǎn)出謀劃策，每天你要選擇其中一位的建議遵照操作在投資初期，你不了解每個(gè)專家的水平，難以選出最佳策略。但借助多重權(quán)重更新算法（the multiplicative weights update algorithm），你可以在每天的實(shí)踐中不斷提高做出正確選擇的概率，并且選擇錯(cuò)誤的概率會(huì)不斷降低。
在一些應(yīng)用程序中，如物體識(shí)別，使用“多重權(quán)重更新算法”
“如果你一天天地重復(fù)做這項(xiàng)工作，那么到年底時(shí)，你的表現(xiàn)就和你從一開(kāi)始就跟隨的那位最好的專家?guī)缀跻粯雍昧恕！眮?lái)自加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)專家 Christos Papadimitriou 說(shuō)，“這就好像你一開(kāi)始就是無(wú)所不知的，挑選出最好的專家，每天聽(tīng)從他的建議。”
Christos Papadimitriou表示，這個(gè)算法可能有助于解釋有性生殖。
進(jìn)化與協(xié)調(diào)博弈
生殖行為通過(guò)將父母配子中染色體混合，觸發(fā)了基因多樣性——當(dāng) Papadimitriou 與他的合作者在為生殖活動(dòng)找數(shù)學(xué)解釋時(shí)，發(fā)現(xiàn)了博弈論和進(jìn)化論之間的聯(lián)系。他們正在研究群體遺傳學(xué)中常用的方程式，這些方程式最早是在近一個(gè)世紀(jì)前發(fā)展起來(lái)的，描述了特定基因變異的頻率如何隨著每一代種群發(fā)生變化。 例如，隨著全球變暖，在當(dāng)前氣候條件下繁茂的植物可能會(huì)逐漸減少。
當(dāng)他們向伯克利的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Umesh Vazirani 展示這些方程式時(shí)，Vazirani 注意到了一個(gè)它與重復(fù)的協(xié)調(diào)博弈有相似之處——在博弈中，成功取決于玩家選擇互利還是互害的選擇。 試想一個(gè)兩個(gè)囚犯互相對(duì)抗的情景：如果一方開(kāi)口，雙方都會(huì)失敗；如果雙方都不開(kāi)口，那么雙方都會(huì)贏。 兩個(gè)囚犯都不知道對(duì)方會(huì)做什么。 （這種情況與眾所周知的囚徒困境不同）
關(guān)于納什均衡與協(xié)調(diào)博弈
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從進(jìn)化的角度來(lái)看這個(gè)算法，基因是玩家，每個(gè)基因都有許多不同的策略，比如遺傳變異，或等位基因。 舉個(gè)例子，基因的一種變異可能使植物耐受溫度升高或者干旱土壤。讓這個(gè)博弈一輪一輪持續(xù)進(jìn)行；在每一輪的結(jié)尾，基因，這個(gè)博弈里的玩家，會(huì)評(píng)估它的所有等位基因在當(dāng)前遺傳環(huán)境中的表現(xiàn)，然后增加表現(xiàn)優(yōu)秀者的權(quán)重，并削減表現(xiàn)不佳者的權(quán)重。
研究人員說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)將為研究“繁殖行為在進(jìn)化中的作用”提供一種新的方法。 譬如說(shuō)，Papadimitriou 表示他相信生殖行為的部分作用是執(zhí)行多重權(quán)重更新算法，盡管他還沒(méi)有在數(shù)學(xué)上證明這一點(diǎn)。
傳統(tǒng)的博弈論應(yīng)用于進(jìn)化領(lǐng)域，主要用于研究進(jìn)化過(guò)程如何影響個(gè)體行為。它們也被用來(lái)研究利他主義和其他屬性的進(jìn)化。 “但在這里，我們討論的是完全不同的東西，” 弗吉尼亞理工學(xué)院的生物學(xué)家Adi Livnat說(shuō)。 這項(xiàng)新的博弈論研究側(cè)重于基因而不是個(gè)體生物，側(cè)重于種群的基因組成，而不是具體行為。
這種方法可以解釋種群生物學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)。 就像在金融界，最好保持多樣化的投資組合，Vazirani 和他的合作者發(fā)現(xiàn)這個(gè)算法既重視適者生存，也重視多樣性。 你可能會(huì)忍不住想把所有的錢都花在一只高漲的股票上。 但是，如果環(huán)境發(fā)生變化，股票開(kāi)始下跌，你最好還是投資于一個(gè)更加平衡的選擇。
Umesh Vazirani，也是伯克利的計(jì)算機(jī)專家，首先注意到群體遺傳學(xué)中使用的方程式類似于計(jì)算機(jī)科學(xué)中強(qiáng)大的多重權(quán)重更新算法。
同樣，某種生物的基因可能會(huì)完美地適應(yīng)特定的環(huán)境條件，但是如果這些條件發(fā)生變化，基因多樣性的種群更有可能存活下來(lái)?！爱?dāng)然，進(jìn)化對(duì)表現(xiàn)很感興趣，” Papadimitriou 說(shuō)， “但它也有興趣對(duì)沖自己的賭注，保持大量的遺傳多樣性，因?yàn)檎l(shuí)都不知道接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么。”
爭(zhēng)議與質(zhì)疑
進(jìn)化生物學(xué)家知道，實(shí)際情況中，一個(gè)基因多樣化的種群往往比其他種群更具彈性，因?yàn)樗芨玫貞?yīng)對(duì)不斷變化的環(huán)境。 但生物學(xué)家一直難以解釋如何保持這種多樣性。 從短期來(lái)看，人們可能會(huì)認(rèn)為，隨著種群中對(duì)環(huán)境適應(yīng)良好者的擴(kuò)散，基因不同的弱勢(shì)群體被淘汰，多樣性將會(huì)下降。 長(zhǎng)期需求（基因多樣性）又是如何克服短期壓力（適者生存）的呢？
來(lái)自?shī)W地利科學(xué)技術(shù)研究所的生物學(xué)家Nick Barton沒(méi)有參與此項(xiàng)研究，他說(shuō)，“盡管作者沒(méi)有提出具體的機(jī)制，但這些發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)‘推測(cè)性的建議’，我認(rèn)為該研究并不能給我們提供一種普適算法去模擬出地球在35億年間形成的生物多樣性”。
Stearns和其他業(yè)內(nèi)人士表示，評(píng)估這些發(fā)現(xiàn)將如何影響我們對(duì)進(jìn)化論的理解還為時(shí)過(guò)早。 雖然不同領(lǐng)域之間的聯(lián)系是有趣的，“但它實(shí)際上并沒(méi)有太能幫助我們理解生物進(jìn)化，”一位沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的物理學(xué)家和計(jì)算生物學(xué)家Chris Adami說(shuō)。 “除非這種關(guān)系允許你在計(jì)算機(jī)科學(xué)或生物學(xué)中做出新解釋，否則這只是一種觀察罷了。”
進(jìn)化生物學(xué)家經(jīng)常對(duì)來(lái)自外界的數(shù)學(xué)見(jiàn)解持懷疑態(tài)度。 盡管數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家經(jīng)常在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)表文章，但是生物學(xué)家們對(duì)于他們的貢獻(xiàn)在很大程度上制造了這一領(lǐng)域的分歧。
Stearns 認(rèn)為，需要一段時(shí)間才能弄清楚這篇論文是如何發(fā)揮作用的。如果這項(xiàng)研究沒(méi)有得到任何新的數(shù)據(jù)支持，那么它就不是很重要。雖然這些發(fā)現(xiàn)在短期內(nèi)沒(méi)有被證實(shí)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些發(fā)現(xiàn)也可能是重要的。 有時(shí)需要幾十年的時(shí)間，才會(huì)出現(xiàn)正確的技術(shù)或方法來(lái)檢驗(yàn)一個(gè)新的理論。
研究中的方程式是基于某些特定假設(shè)的，這些假設(shè)可能會(huì)限制它們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的適用性。 例如，這些方程沒(méi)有考慮到突變，而是將新的等位基因或新策略引入博弈中。因?yàn)榧由贤蛔円蛩貢?huì)使數(shù)學(xué)表達(dá)更復(fù)雜。有人說(shuō)這種簡(jiǎn)化是一個(gè)嚴(yán)重缺陷，而另一些人則認(rèn)為，當(dāng)已有變異是主要影響因素時(shí)，新突變?cè)诙唐趦?nèi)并不重要。
如果拋開(kāi)這些假設(shè)，會(huì)怎么樣呢？奧地利Konrad Lorenz研究所高級(jí)研究員 Lee Altenberg 認(rèn)為，這些假設(shè)就好比在地圖上標(biāo)出了一個(gè)點(diǎn)，但想知道這個(gè)點(diǎn)有沒(méi)有深層作用，那就必須從這個(gè)點(diǎn)出發(fā)，向下推演。
這項(xiàng)分析的一個(gè)結(jié)果可能讓生物學(xué)家感到困惑。 根據(jù)進(jìn)化論的標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)，一代人的年代越久遠(yuǎn)，對(duì)現(xiàn)在的影響就越小——你1000年前的祖先可能比你的祖父母對(duì)你的適應(yīng)度影響更小。 但是，如果伯克利團(tuán)隊(duì)的見(jiàn)解站得住腳，那就意味著，每一代人都在為下一代人做出同樣的貢獻(xiàn)！
從正常進(jìn)化的角度來(lái)看，這是一個(gè)有趣但極其難以置信的說(shuō)法。Papadimitriou表示，他的團(tuán)隊(duì)也對(duì)這個(gè)結(jié)果感到困惑，這是一個(gè)有希望讓研究人員重新思考、重新審視進(jìn)化的東西。
在現(xiàn)實(shí)生活中，你不可能真正測(cè)試這些定理（比如多重權(quán)重更新算法），但它們作為工具，可以幫你在直覺(jué)上理解什么是進(jìn)化。
翻譯：李周園
審校：劉培源
編輯：王怡藺
原文地址：
https://www.quantamagazine.org/game-theory-makes-new-predictions-for-evolution-20140618/?from=singlemessage
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