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　　美國物理學聯合會(American Institute of Physics)近日報道了由中國科學院長春應用化學研究所、吉林大學和美國紐約州立大學石溪分校汪勁教授領導的研究組，從物理學角度系統闡釋了生物進化中由來已久的難題，其中包括著名的“紅皇后假說”。相關研究成果發表在《化學物理雜志》(J. Chem. Phys., 137, 065102)上。

　　雖然關于進化的定性描述以及觀測到的相關現象和性質已經建立起來，但是完整的量化普適進化動力學理論并不存在。汪勁教授領導的研究小組提出了一個新的普適進化理論。這個理論包括兩個基本要素：進化過程產生的適應度勢景觀和環流進化驅動力。進化可以看作在適應度勢形成的“山峰”和“山谷”景觀中穿越的旅行路線;環流使得生物種群的進化沿著適應度勢景觀以螺旋方式前進。

　　進化論可以解釋生物系統為何和如何隨時間改變，但是關于生命的故事中仍有許多未解之謎，比如生物界為什么普遍采用有性繁殖來繁衍后代。傳統的進化論強調生物系統適應物理環境的過程。而真實的生物進化，是由物理環境和生物環境共同決定。但是，如何考慮復雜的生物環境的影響，一直是傳統進化論中沒有解決的難題。

　　該研究的關鍵性突破是，通過引入“流”的概念，揭示和量化了生物相互作用所導致的進化驅動力。汪勁教授解釋說，在新理論中，進化過程中形成的“勢” (物理環境)與“流”(生物環境)景觀好比是進化驅動力的“陰陽”兩面，類似于量子世界中的波粒二象性，或者是決定電子運動的電場與磁場。該研究發現，同種群或種群間生物個體的相互作用會導致“流”的產生，即使物理環境保持不變，在“流”的驅動下進化可以永無止境。

　　這一發現為解釋“紅皇后假說”提供了理論依據。該假說指出，生物體需要不斷進化以適應協同進化的生物環境，即，協同進化也可以導致無止境的選擇壓。在英國作家路易斯·卡洛爾的《愛麗絲鏡中奇緣》中，紅皇后對愛麗絲答到：“在這個國度中，必須不停地奔跑，才能使你保持在原地。”進化生物學家利•范•瓦倫于1973年借用紅皇后頗有禪意的回答提出紅皇后假說，恰如其分地描繪了自然界中激烈的生存競爭法則：不進即是倒退，停滯等于滅亡。自然界中，物種之間形成非常復雜的相互作用、相互依存的協同進化關系，由此導致的諸多現象，可通過紅皇后假說得到解釋，包括有性繁殖的起源問題。有性繁殖是生物體抵御寄生物入侵的有效策略。與寄生物之間的協同進化可以為生物體維持遺傳變異，通過有性繁殖過程中的基因重組，生物體能夠獲得更多的多樣性特征。在與寄生物之間的生存競爭中，某些先前不必要的特征可能會突然變成決定生死的關鍵，進而使生物體通過有性繁殖獲得生存優勢。

　　在共生的世界里，沒有對“最適者生存”的保證，為了生存必須不停地“奔跑”。

　　勢與流推動著進化。圖中曲面表示隱藏在進化背后的勢函數，其梯度(黑色箭頭)是主要來自于物理環境的進化驅動力，紫色箭頭描述另一種重要的進化驅動力—— 流，產生于生物環境。進化沿著勢函數減少的方向進行。圖中藍色“峽谷”區域對應著進化的一種最佳狀態，但是在“峽谷”中進化不會停止，峽谷中的“水流”推動著永無止境的進化。這就是著名的紅皇后假說中指出的：產生于生物間相互作用的“流”推動著永無止境的進化過程。物種的進化速度必須得趕上“峽谷”中“水流”的速度，否者會在生存競爭中被淘汰掉。