模型显示进化有许多最佳结果可供选择

在进化过程中，生物体只能达到一种最佳配置吗？是否有一个单一的公式来描述朝向最优的轨迹？我们能否以纯粹的理论方式“推导”它

包括奥地利科学技术研究所（ISTA）在内的一组研究人员已经找到了答案。他们的数学模型预测了果蝇早期胚胎的理想体型，这表明进化可能有许多最佳选择

有人假设，优化是许多自然界迷人现象的秘诀，这表明世界正朝着能量最小、输出效率最高或适应性最高的状态发展。无论是鲸鱼的豆荚还是微小细胞的集合，生命的构建块都被选择为接近峰值效率的自我组织

动物胚胎的发育，从一小群细胞到多细胞生物，也可能被优化和微调到一个近乎完美的系统。然而，到目前为止，预测最佳结构的精确数学公式一直难以捉摸

来自奥地利科学技术研究所（ISTA）、法兰克福高级研究所和普林斯顿大学的物理学家现在提出的正是这一点：果蝇早期胚胎发育的理论模型已经建立了近二十年

通过他们详细的模型，他们可以从理论上推导出并预测控制早期发育过程的基因调控网络的最佳“连接”。研究结果发表在PNAS上

进化=优化

进化是每个生物体的驱动力。鉴于其环境，生物体会适应、生存并承受选择压力。“适应可以被视为一个优化过程，或者至少是一个需要优化某些特征和功能的过程，”该研究的第一作者Thomas Sokolowski解释道

与物理系统相比，优化通常会导致能量最低的最终状态，生物系统似乎对同一问题有多个最优解。例如，眼睛在各种动物中独立进化，但它们的整体结构在物种之间非常相似

Sokolowski继续说道：“眼睛针对相同的明确目标函数进行了优化，即最大限度地吸收光并将其编码为神经尖峰。因此，它们受到物理定律的强烈支配。动物之间的细微差异可能是由它们进化的侧边环境的差异所解释的。”

此外，对于各种胚胎的发育，已经进化出了许多不同的策略。它们都有相同的结果：一个高度精确和可重复的身体计划。虽然这些策略可能是由进化形成和改进的，以服务于特定的目的，但很难确定哪个目的主导了优化过程

Sokolowski说：“胚胎是如何发育的，这一点越来越清楚，但尚不清楚是哪种数学函数引导系统结合在一起。”。“这就像在生物大海捞针中找到一根数学针。”

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果蝇，正如生物学家所说，是一种被广泛研究的生物体，最著名的可能是1995年诺贝尔奖得主埃里克·维肖、克里斯蒂安·奈斯莱因·沃哈德和爱德华·B·刘易斯的作品。他们确定了对苍蝇正确发育至关重要的基因，特别是所谓的“间隙基因”和控制它们的形态发生因子（信号分子）梯度

间隙基因网络在胚胎头尾轴的发育过程中起着至关重要的作用。这种“基因定位系统”帮助单个细胞在正确的地方获得正确的命运，最终形成果蝇的分段身体

间隙基因的不同激活水平沿着这个轴形成了一个非常精确的“位置代码”，为每个细胞提供了关于它们在胚胎中位置的准确信息

时光飞逝

早在20年前，William Bialek、Gašper Tkačik、Curtis Callan、Aleksandra Walczak、Thomas Gregor等人的研究表明，果蝇中的间隙基因网络已经过进化的微调，可以用有限数量的信号分子提供高位置信息，就像用最少数量的卫星提供精确的GPS信号一样

因此，科学家们提出了一个关键想法，即找到一个数学函数来解释这一现象

在第一次尝试中，Tkačik及其同事研究了简化的理论模型，这些模型仅实现了gap基因网络的部分调控机制。他们逐渐增加了模型的复杂性，使其更具现实性

虽然这些“玩具”模型没有捕捉到gap基因系统的所有组合特征，但它们仍然为全面的优化尝试铺平了道路

Tkačik说：“我们早期的工作表明，通过在现实的生物物理和分子资源限制下优化基因调控相互作用以获得最大的信息吞吐量，可以获得对基因调控相互关系的非平凡和最初意想不到的预测。”

与此同时，Thomas Sokolowski及其同事一直在研究类似于间隙基因的空间相互作用基因的详细随机模型——明确包括随机性的模型

Sokolowski于2014年加入ISTA的Tkačik小组，这为将原始优化方法与详细的空间随机建模相结合创造了独特的机会。科学家们一起迅速实现了一个空间随机模型，一方面，该模型对实际果蝇中发生的事情是现实的，另一方面，计算效率很高

最初是一个只有两个基因的简化版本，该模型扩展到四个相互作用的间隙基因和三个形态发生梯度的全套，适用于对间隙基因系统进行功能齐全的优化。“值得注意的是，我们得出的最佳网络与在真实果蝇中观察到的空间基因表达谱的特征非常匹配，”Tkačik继续说道

许多“最佳”方式

此外，科学家们发现，在间隙网络中编码位置信息的最佳方式不止一种。不同的生物物理参数集可以导致系统所需的最佳特性。虽然最优解只是所有物理上可能的解的一小部分，但它们仍然表现出惊人的多样性

Sokolowski建议：“我们认为这对进化来说不是一种损害，而是一种优势，因为许多可以想象的进化路径都可能达到同样的适应性。”

“虽然我们今天研究的导致果蝇的进化遵循了一条特定的路径，但许多潜在的替代路径可能有助于它获得合适的生物体。”可用的选项越多，选择功能性选项的机会就越大

为了更详细地了解导致功能性身体计划的过程，并更准确地表示实际的进化动力学，研究人员将需要超越参数数值优化的额外建模

这将涉及考虑环境影响或自然选择机制等因素，这是对未来理论生物学研究的一项有趣而具有挑战性的探索 More information: Thomas R. Sokolowski et al, Deriving a genetic regulatory network from an optimization principle, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2402925121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences