生物的进化模型1:刻在DNA里的生物本能

生命是由DNA和蛋白质相互作用产生的，从环境中获取物质、能量和信息以维持自身平衡的复杂系统。生命最基本的单位是细胞，最基本的功能是生存、繁衍和与环境互作。
　　　生命诞生之初拥有的只是DNA和蛋白质，生物所能依赖的只能是刻在DNA里的遗传信息。如果环境能够提供足够的能量与物质，生物就能不断的生存与繁殖。比如来源于人类宫颈癌的海拉细胞系，不仅可以无限分裂，而且细胞也不会衰老，因此在理论上生物能够实现永生的功能。但是自然环境在不停的变 化，即使能够演化出永生生命，也会因为不能适应环境的变化而灭绝，因此生物生存的前提是适应环境。
　　　　在以DNA为核心的生命系统中，生存是繁殖的前提，繁殖是DNA变化的前提，适宜环境是生存的前提，三者形成循环反复。在此循环中，自然环境随着时间而改变，是自变量（x），生物基本的生命活动都受DNA的操控，DNA是应变量（y），需要随着环境变化而改变，DNA和环境存在着y=f(x)函数关系。生物个体的DNA是定量，在诞生时的就已经被预编码，后天很难改变，只有在繁殖时，DNA才有可能突变、重组和交换重新编码。

生命的三种基本功能

　　　
　　　　生物的繁殖方式可分为有性生殖和无性生殖，无性生殖是由母体直接产生新个体，DNA复制传递给后代的繁殖方式。最原始的原核生物和古细菌都采用无性繁殖，真核生物酵母菌的出芽生殖、植物的营养生殖也属于无性生殖。无性生殖产生后代的速度快，数量多，但是产生的后代基因型比较单一。
　　　　有性生殖是指经过两性生殖细胞结合，再由合子或受精卵发育成为新个体的生殖方式。有性生殖优点是来自于亲本双方的DNA发生重组和交换，能够产生和保留更多的遗传变异，促进了有利突变在种群中的传播，增加了子代适应环境变化的能力。高等动植物都采用有性生殖，现存150余万种生物中，能进行有性生殖的种类占98%以上，有性生殖增加了生物的多样性和生物进化的速度。

生物的繁殖方式

　　　有些生物酵母菌、水母具有无性和有性两种繁殖方式，当环境条件适宜时,它们都进行无性生殖，快速的复制自己，但在环境恶化时,它们都进行有性生殖，因为有性生殖的后代基因型更加多样化，从而帮助生物度过恶劣的环境。
　　　　在生物繁殖过程中DNA会发生复制、重组和突变，从而导致后代个体遗传信息的改变。在无性生殖时，DNA复制成两个相同的DNA分子，子代获得和母代相同的遗传信息。无性生殖有较低概率发生基因突变，导致后代DNA出现碱基或小片段的改变。
　　　在有性生殖时，DNA与组蛋白结合包装成线状结构的染色体，来自于亲本双方的染色体会在相同的位置处发生交换或重组，形成新的遗传信息排列组合。有性生殖的DNA突变不仅包括基因突变，也包括染色体结构和数量的变异。
　　　　生物进化中的反馈，来自于适者生存的环境选择和生物竞争的优胜劣汰。进化是以种群的形式进行的，种群是进化的基本单位，个体是组成群体的单个生物，携带有不同的基因型特征，种群内个体基因型的集合称为基因库。基因型是性状在生物个体内部的DNA编码，表现型是基因型的输出，是基因型和环境交互作用的产物。个体对于生存环境的适应程度称为适应度。进化的外在表现是种群逐渐适应生存环境，本质是种群内基因频率的改变。

生物繁殖过程中的DNA变化或遗传现象

通过模拟生物进化的原理，霍兰德于1975提出了遗传算法，主要通过选择、重组和变异这三种操作来实现问题的最优化求解。遗传算法不仅可以用来寻找复杂问题的解，还可以用来模拟生物演化系统本身，加深我们对生物演化过程的理解。
　　　　遗传算法可以分为以下几个基本步骤:第一步是初始化种群，把问题可能的解 编码成个体，得到第一代群体;第二步是进行个体评价，计算群体中各个个体的适应度;第三步是选择操作，类似于自然环境中的优胜劣汰，从当前种群中选择出适应度较好个体进行繁殖;第四步是交叉、变异操作，类似于亲本有性繁殖后代时，不仅染色体之间会发生重组交换，DNA上的基因也会发生突变。第五步是经过选择，交叉和变异三个操作后，得到下一代群体，再进入新的循环。第六步是重复2，3，4，5步骤，循环反复直至找到满意的解，当选择到的具有最大适应度个体时，作为最优解输出终止计算。

遗传算法的步骤

　　　　但是生物的目标并不是找出最佳答案或者做正确的事，生物的目标是适应环境的变化从而能够繁衍生息。DNA是生物的第一套学习和控制模型，个体的基因型决定了生物输出的表现型，DNA预编码和控制了生物的行为和反应，不仅决定了生物普遍的生存、繁殖等本能，也编码了动物复杂的先天行为，例如蜘蛛织网、蜜蜂跳舞和鸟类迁徙等。
　　　　生物不仅需要适应自然环境的变化，还要与环境中的其他生物展开物种间的竞争，比如在研究植物抵抗病原菌侵染的过程中，科学家Flor提出了“基因对基因假说”，植物抗病基因编码的R蛋白能够特异性的识别来自病原菌的某个基因产物，从而产生抗病性，不携带该抗病基因的植物则容易感病死亡。而病原菌要入侵植物，就需要演化出新的致病基因，植物和病原菌在不断的竞争中存在着协同进化。
　　　在生物进化的模型中，生物个体的遗传信息输入，来自于繁殖过程中DNA的突变、重组和交换，从而产生的DNA的多样性，生物个体输出的表现型，来自于生物根据环境条件，开启或关闭表达某些基因。自然选择是进化模型中的负反馈，只有适应环境的生物才能生存，不适应环境的生物被淘汰甚至物种灭绝。生物竞争是进化中的正反馈，有竞争优势基因型的生物个体能获得更多的资源，繁殖更多的后代。在下一代群体中，DNA经过复制、重组和突变产生新的遗传信息和生物个体，如此循环反复，构成生物进化的模型。

生物的进化模型

　　　　在生物进化的模型中，DNA的信息输入并不是直接来自于环境，而是来自于繁殖过程中DNA的重组和交换，因此生物的终极目标就是繁殖，产生数量和多样性足够多的后代个体，个体死亡是DNA进化和获取信息的代价。《自私的基因》作者理查德·道金斯（1976）在书中指出“生命是自然选择塑造的信息，基因是生命的本质，而每个生物个体只是承载基因的载体”。所以在较为原始的生物物种中，生物的繁殖本能大于生存本能，物种延续的优先级高于生物个体生存的优先级。