跨越景观中的峡谷

跨越景观中的峡谷

遗传漂变,既是种群的危机,也是危急之时的希望所在。它帮助个体数量不多的种群,以有风险的方式,跨越适应度景观中的峡谷,找到新的生存之道。

将欲夺之,必固与之。 - 《老子》
事情在变好之前往往会先变得更糟。 - 无名氏

话说X病毒在B山峰处艰难度日之时,由于Y疫苗的欺压,个体数量逐渐减少。某日,突然吹来一股大风,将一些X病毒吹下了山峰,散落在了B山峰的周围的山谷中,这是怎么回事?

这是因为 遗传漂变

打个比方,我们可以将种群的基因库看作一幅完整的画,画面上的所有像素点合在一起就是基因库的全部信息。前面说到了,X病毒有100个基因,每个基因有 \(4^{100}\)个等位基因,因为这其中绝大多数等位基因都是无效的组合,我们将之排除。假设每个基因有1000个有效等位基因,这样X病毒的基因库就相当于100 * 1000个,也就是十万个像素的一幅画,我们假设这幅画是克鲁苏的头像。

种群中个体的每一次繁殖,都相当于从这幅画上进行了一次随机采样。由于个体本身的基因是种群基因库的一部分,所以这一次采样是局限的,会丢失很多信息,我们可以将之想象为获得了画幅上一个像素点。好在种群中个体很多,它们的繁殖次数也很多,这就相当于对这幅画进行了很多次采样,它们的采样后的所有像素点合在一起,如果能还原出先前的那一幅画,则表示种群的基因库在世代间得到了完整延续。

X病毒原先还活着一亿个体,一个世代要至少进行一亿次繁殖。对一张十万个像素点的画进行一亿次采样,这几乎肯定会完整地复原那幅克鲁苏头像。

现在X病毒困在适应性不够强的B山峰上,缺衣少食衣不覆体,种群数量减少到了一百万。此时,每次世代更替,相当于对十万像素的画进行百万次采样,尽管采样次数还是挺大的,但是经过概率计算,每一个世代有 9.52% 的可能性丢失至少一个像素的信息。此时,克鲁苏头像就会缺失一些细节,比如有个眼睛瞎了,胡须少了一条,某处失去了颜色,等等。

这种基因库中随机丢失等位基因的情形,被休厄尔·赖特称之为遗传漂变。

漂泊过程仅仅是随机的采样误差。在没有自然选择的情况下,漂变注定走的都是下坡路。

遗传漂变会导致一个种群的基因库发生随机的变化,它就像方向不定的阵风,始终在吹。它是一柄双刃剑,对于在景观中艰难跋涉的登山者是干扰,但是也会触发偶然的变化。我们可以认为,由于遗传漂变,种群在景观中的位置会发生随机的位移。

请注意,种群的大小与遗传漂变的强度有直接关系。种群越小,漂变越强。这很好理解,前面说的采样次数越少,那副克鲁苏的头像就更早会出现缺失。

所以,这股妖风在种群受到威胁数量下降之时,吹得特别猛。

举个例子,那些热衷近亲繁殖的欧洲皇室,相当于主动减少种群数量,他们经历的就是这种情况。

哈布斯堡家族是欧洲的传统王室。为了保持权力,他们经常进行近亲联姻,这使其后代出现了典型的鞋拔子脸,外加各种遗传缺陷。哈布斯堡家族所酷爱的近亲繁殖最终使得他们在西班牙和奥地利的王位绝嗣,终结了统治。

再回到X病毒这儿。

X病毒的种群在B山峰处被遗传漂变的大风吹落,散布在B山峰周围的山谷中。

跌落山峰的大部分个体因为适应度降低而灭亡了。好在X病毒繁殖快,突变也快,一天时间里就可以有一两次世代更新,这赋予X病毒在景观上较强的移动能力。山谷中残存的个体在自然选择的压力下,又重新开始了艰难的攀登。

好消息是,此时这些山谷中的X病毒同样会受到基因漂变之风的吹拂。此时,由于种群数量更少,风速更劲,大部分风向都会推着它们快速移动,尽快脱离山谷。

如果幸运的话,有少数个体能够从BC之间的山谷出发,登山C山峰。或者更加幸运地,极少个体从BD之间的山谷中出发,经过卓绝努力登上了D山峰。还有的X病毒甚至徒劳地又重新回到了B山峰。

有时候,就是要先自废武功之后,才能东山再起。短跑名将苏炳添在突破百米十秒大关之前,就曾舍弃自己过去的步伐节奏,采用了全新的起跑动作。

再上山峰的X病毒又会重新启动前面的过程,经历再一次上上下下的体验。

最终,终于有几个极其幸运的 \(x\) 来到了 H 顶峰处,它们从此具备了对Y疫苗的完全抗药性。我们不能确定它们到底走得是那一条路,但是只要演化过程不停止,X病毒的种群数量够大,运气够好,它们终究会来到H顶峰。此时,它们从顶峰远眺,看到了自己的远方同胞逐渐凋零,最终灭亡,爱莫能助。

演化的历程难道不就是这些幸运的累积吗?代价是绝大部分个体的淘汰。但是,种群终于跨越了山谷,登上了更高峰。

此时,群山在望,气象万千。