機器人模擬基因數百代進化 闡明持久爭論的難題

瑞士洛桑聯邦理工大學和洛桑大學合作，使用機器人模擬生物基因在數百代間的進化，闡明瞭生物學界持久爭論的難題，也為漢米爾頓親緣選擇規則提供了數量證據。該研究將於下周發表在開放雜誌《科學公共圖書館·生物學》上。

    漢米爾頓親緣選擇規則於1964年由生物學家W·D·漢米爾頓提出。該規則認為，如果一個家庭成員和其餘家庭成員共用食物，會增加家庭成員把基因流傳下來的機會，許多基因是整個家族中所共有的。也即一個生物是否和其他個體共用其食物，取決於它和其他生物基因的相似性。但驗證這一規則的活體生物試驗需要跨越上百代，數量過於龐大，幾十年來實驗幾乎不可能進行，漢米爾頓規則因此長期備受爭議。 

    洛桑聯邦理工大學的機器人技術教授達裏奧·弗洛裏諾小組設計了一種機器人，模擬基因和基因組的功能迅速完成進化，使科學家能分析檢測與基因特徵相關的成本與收益效果。

    此前合作小組也作過類似實驗，是用覓食機器人執行簡單的任務，如推動如種子似的物體到達目的地，將此過程多代進化。那些不能把種子推到正確位置的機器人不能留下它們的程式編碼，而較好執行任務的機器人能將自身程式編碼複製、變異，並與其他機器人傳給下一代的編碼重新結合——這是自然選擇的迷你模型。

    在新實驗中，研究小組又增加一個新維度：一旦某個覓食機器人把種子推到了正確目的地，還要決定是否與其他機器人共用它。他們還在機器人世界裏創造了兄弟姐妹、堂表兄妹、非親戚關係等社會群體。進化實驗持續了500代，不斷重復著利他主義相互作用的各種場面：共用多少和個體成本，這些共用現象按照漢米爾頓規則發生。

    實驗結果的數量和按漢米爾頓規則預測的數量驚人地相符。雖然漢米爾頓的最初理論並未考慮基因的相互作用，而在覓食機器人中模擬基因運行，增加了一個基因和多個其他基因結合的綜合效果，而漢米爾頓規則仍然成立。試驗證明，漢米爾頓規則很好地解釋了一個利他基因何時能被傳到下一代，何時不能。

    這一發現同樣適用於蜂群機器人。“從這一實驗中我們能提出運演算法則，而這種法則可以被用在任何類型機器人的進化合作中。”弗洛裏諾解釋說，“用這種利他主義演算法，還能改進飛行機器人的控制系統，讓它們更有效地合作，在群體飛行中更加成功。”




科技日報 2011/05/05 常麗君

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