Robustness and Evolvability in Living Systems

Robustness and Evolvability in Living Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Princeton University Press
作者:Andreas Wagner
出品人:
页数:367
译者:
出版时间:2005-07-05
价格:USD 60.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780691122403
丛书系列:Princeton Studies in Complexity
图书标签:
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具体描述

All living things are remarkably complex, yet their DNA is unstable, undergoing countless random mutations over generations. Despite this instability, most animals do not grow two heads or die, plants continue to thrive, and bacteria continue to divide. Robustness and Evolvability in Living Systems tackles this perplexing paradox. The book explores why genetic changes do not cause organisms to fail catastrophically and how evolution shapes organisms' robustness. Andreas Wagner looks at this problem from the ground up, starting with the alphabet of DNA, the genetic code, RNA, and protein molecules, moving on to genetic networks and embryonic development, and working his way up to whole organisms. He then develops an evolutionary explanation for robustness.

Wagner shows how evolution by natural selection preferentially finds and favors robust solutions to the problems organisms face in surviving and reproducing. Such robustness, he argues, also enhances the potential for future evolutionary innovation. Wagner also argues that robustness has less to do with organisms having plenty of spare parts (the redundancy theory that has been popular) and more to do with the reality that mutations can change organisms in ways that do not substantively affect their fitness.

Unparalleled in its field, this book offers the most detailed analysis available of all facets of robustness within organisms. It will appeal not only to biologists but also to engineers interested in the design of robust systems and to social scientists concerned with robustness in human communities and populations.

Review

"Wagner contributes significantly to the emerging view that natural selection is just one, and maybe not even the most fundamental, source of biological order. His two-page epilogue throws out seven open questions for systems biologists and neo-Darwinians to consider; hopefully they will do so."---Greg Gibson, Science

"This book is invaluable for everybody interested in robustness. . . . I predict that for many years to come, Wagner's book will be the bibliographic reference work of choice for research on robustness."---Claus O. Wilke, BioScience

"Wagner's treatise is more than good biology; it is also very interesting biology. The picture is painted by talented hands. . . . If I have a favorite aspect of the book, it is the meticulous yet insightful analysis of neutral spaces and their relevance for the main themes of the book."---Eörs Szathmáry, Nature

"Unparalleled in its field, this book offers the most detailed analysis available of all facets of robustness within organisms. It will appeal not only to biologists but also to engineers interested in the design of robust systems and to social scientists concerned with robustness in human communities and populations.", Ethnology, Ecology, and Evolution

Review

"This is a timely book that should appeal to biologists, engineers, and applied mathematicians."―David C. Krakauer, Santa Fe Institute

From the Back Cover

"This is a timely book that should appeal to biologists, engineers, and applied mathematicians."--David C. Krakauer, Santa Fe Institute

"This is a major contribution, addressing what are perhaps the central questions in the subject of complex adaptive systems: What makes systems robust and how does selection at different levels of organization act to shape robustness? It is a well-written, well-organized, provocative piece of scholarly work that will be widely read and debated."--Simon Levin, Princeton University

《生命系统的鲁棒性与可演化性》:洞察生命之韧与进化之力的精密解析 本书深入探索生命系统在面对扰动时的内在稳定机制,以及其适应环境并实现代际繁衍与多样化演进的能力。我们并非简单罗列生命现象,而是力求揭示隐藏在不同尺度、不同层级生命组织中的普适性原理。从分子层面的蛋白质折叠稳定性,到细胞信号通路的稳健性,再到个体生理机能的弹性,直至种群应对环境变化时的动态平衡,本书提供了一个跨越生物学范畴的综合视角。 一、生命系统的鲁棒性:抵御扰动的智慧 生命系统之所以能在充满不确定性的环境中生存和繁衍,离不开其卓越的鲁棒性。这种鲁棒性并非僵化的抗拒,而是一种动态的适应与缓冲能力。本书将从以下几个核心层面剖析生命系统的鲁棒性: 分子与生化网络的稳健性: 探讨酶活性调控、代谢通路反馈机制、DNA修复系统等如何确保生化反应在内外环境波动下的准确与高效。例如,冗余的代谢途径如何在某种酶失活时通过替代通路维持生命活动,以及蛋白质内在的折叠动力学如何抵抗突变或环境胁迫。我们将审视基因调控网络的反馈与前馈回路,解析它们如何在噪声干扰下维持基因表达的稳定性和精确性。 细胞层面的抗逆性: 聚焦细胞如何应对温度、pH、渗透压、氧化应激等物理化学环境的剧烈变化。细胞膜的流动性调控、热休克蛋白的响应、细胞骨架的重塑、凋亡与自噬等机制,都是细胞在逆境中生存的重要策略。本书将深入分析这些分子机制的协同作用,以及它们如何构成细胞层面的鲁棒性屏障。 生理与个体层面的弹性: 考察生物体在生理功能上的适应与调节能力,例如体温的恒定、血糖的维持、免疫系统的动态平衡等。神经内分泌系统的反馈调节、循环系统的代偿机制、运动器官的适应性重塑,都体现了个体层面的鲁棒性。我们将分析这些复杂系统的相互作用,揭示其在维持稳态方面的精妙设计。 群体与生态层面的韧性: 审视种群如何通过基因多样性、生态位分化、个体行为的变异等方式,增强其应对环境波动的整体抵抗力。生物多样性在维持生态系统稳定性和恢复力中的作用,以及不同物种间的互利共生、竞争与捕食关系如何共同构建了一个复杂而稳健的生态网络。 二、生命系统的可演化性:适应与创新的驱动力 鲁棒性为生命系统提供了生存的基础,而可演化性则赋予了生命系统持续适应和创新的能力,这是生命得以延续和丰富的原因。本书将深入探讨生命系统可演化性的内在机制: 遗传变异的源泉: 详细阐述点突变、插入、缺失、基因重组、染色体畸变等突变类型,以及它们作为演化原材料的根本来源。我们将探讨基因复制、基因转化、水平基因转移等机制如何引入新的遗传信息,拓展生物的可能性。 表观遗传的调控与传递: 解析DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等表观遗传修饰在调控基因表达、影响个体性状以及在某些情况下介导代际信息传递中的作用。理解表观遗传机制如何在不改变DNA序列的情况下,为适应性变化提供灵活性,并可能影响演化轨迹。 性状的可塑性与适应性: 探讨生物体在发育过程中,根据环境信号调整自身表型的能力。这种表型可塑性不仅是鲁棒性的体现,更是演化创新的重要起点,为自然选择提供了多样化的素材。我们将分析发育可塑性与遗传性状之间的相互作用,以及它们如何共同驱动演化。 新功能与新结构的产生: 审视基因重复与分化、基因表达网络的重塑、新的发育路径的出现等,如何催生全新的生物功能和结构。例如,从简单的酶到复杂的器官,演化并非简单的渐进式累积,而是伴随着创造性的突破。 演化的约束与机会: 讨论生物演化并非无所不能,而是受到物理规律、资源限制、生物相互作用等多种因素的约束。同时,这些约束也可能催生出意想不到的创新和适应策略。本书将探讨演化路径的“锁定”现象,以及“机会”如何影响演化的方向。 三、鲁棒性与可演化性的辩证统一 鲁棒性和可演化性并非孤立的概念,而是生命系统内部相互关联、相互促进的辩证统一体。 鲁棒性为可演化性提供基础: 一个脆弱的系统难以承受环境的微小变化,更遑论演化。只有具备一定程度鲁棒性的系统,才能在生存的压力下,有机会积累突变并进行尝试性的适应。 可演化性是鲁棒性的终极保障: 当环境变化超出了现有鲁棒性的承受范围时,演化就成为必然。能够有效演化的系统,最终会寻找到新的、更强的鲁棒性状态。 权衡与取舍: 高度鲁棒性的系统可能牺牲一定的演化灵活性,而高度可演化的系统可能在某些方面显得不够稳健。生命系统需要在鲁棒性与可演化性之间找到精妙的平衡点。本书将通过案例分析,展现这种权衡如何在不同生命形式中体现。 本书旨在为读者提供一种理解生命系统运作模式的新颖视角。通过深入剖析鲁棒性与可演化性这两个核心概念,我们期望读者能够更深刻地认识生命的韧性、适应性以及其令人惊叹的创造力,并从中汲取对其他复杂系统进行分析和设计的启示。

作者简介

Andreas Wagner is professor of biochemistry at the University of Zurich. He studies the evolution of biological systems on all levels of organismal organization, from genes and genomes to gene networks and embryonic development

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的封面设计就透露出一种严肃的学术气息,那种深沉的蓝色调和清晰的字体排版,让人立刻意识到这不是一本轻松的休闲读物。我最初翻开它,是被“生命系统”这个宏大的概念所吸引。它试图探讨的,是生物体在面对外界干扰时,如何维持其功能和结构的稳定,这本身就是一个跨学科的难题。书中对不同生物层级——从分子到生态系统——的鲁棒性机制进行了细致的梳理,比如蛋白质折叠的稳定性、细胞信号网络的冗余设计,以及种群对环境波动的抵抗力。作者的笔触非常扎实,引用了大量的实验数据和数学模型来支撑论点,使得论证过程逻辑严密,几乎不留给读者去质疑的空间。尤其让我印象深刻的是,它并没有将“鲁棒性”简单地等同于“不变性”,而是深入探讨了在维持核心功能不变的前提下,系统如何允许某些部分的灵活变化以适应长期演化需求。这种对稳定与灵活性的辩证思考,极大地拓宽了我对生命复杂性的理解。虽然某些章节涉及复杂的动力学方程,初读起来确实需要极大的耐心,但一旦掌握了其内在逻辑,便会发现其理论框架的普适性和强大解释力。对于任何一个希望深入理解生命体适应机制的生物学或系统科学研究者来说,这无疑是一部必不可少的案头工具书,它提供了理解生命现象的全新视角。

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这本书的阅读体验是漫长而艰苦的,它更像是一部精密的百科全书,而不是一本能让人一口气读完的小说。它的结构组织非常严密,每一章的论述都建立在前文的基础上,逻辑链条环环相扣,不允许有丝毫的跳跃。我特别欣赏作者在论述中对不同理论模型的对比和批判。例如,在讨论鲁棒性如何促进新功能出现时,书中细致地比较了突变累积模型与间歇性平衡模型在解释系统对环境变化的反应速度上的优劣。这种学术上的坦诚和对现有知识局限性的清晰界定,使得整本书的论述显得格外可信。它没有给出万能的答案,而是提供了一整套分析问题的框架和工具。我个人发现,在试图将书中的抽象概念应用于我自己的研究课题时,最大的挑战在于如何将这些高度简化的理论模型,映射到真实世界中那些充满了噪声和不确定性的复杂实验数据上。这本书迫使我不断地反思:我的模型是否遗漏了关键的“软约束”?我的系统是否因为过于追求短期效率而牺牲了长远的生存潜力?这是一次深刻的思维训练。

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这本书的行文风格可以说是极其内敛且严谨,几乎没有丝毫煽情的笔墨,完全是教科书式的精确表达。它不是为了取悦大众,而是致力于建立一个清晰、无歧义的知识体系。我花了很长时间才适应这种风格,因为它要求读者必须对背景知识有相当的储备,否则很容易在专业术语的海洋中迷失方向。最令我感到惊喜的是,它对“可演化性”的论述。这部分内容超越了一般的进化生物学范畴,引入了计算复杂性和信息论的视角来量化一个系统未来产生新功能或新结构的潜力。作者似乎在暗示,一个“健壮”的系统不应是僵死的,而应该像一个精心规划的城市,拥有足够的预留空间和灵活的交通网络,以便在未来面对未知的挑战时能够快速重构。这种前瞻性的视角,让我开始重新审视那些看似效率不高的生物结构——也许它们并非“浪费”,而是为了保障长期的进化可能性而设置的“保险机制”。书中对不同时间尺度下,鲁棒性与可演化性之间可能存在的权衡关系进行了深入的剖析,这种权衡在不同环境下如何动态调整,是全书最引人入胜的部分之一。这种高度凝练的学术探讨,非常适合需要进行深度理论构建的研究生和学者。

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这本书的语言风格有一种古典的学术美感,每一个句子都经过了反复的锤炼,力求信息密度最大化。阅读过程中,我常常需要停下来,反复咀嚼那些描述复杂动态过程的定语和状语,以确保没有遗漏任何细微的限定条件。书中对生命系统的“适应性景观”的描述尤其精妙,它将演化路径描绘成一条在多维能量地形中蜿蜒前行的过程,鲁棒性确保了系统不会过快地跌入局部最优的陷阱,而可演化性则保证了系统有能力攀越那些高耸的“山脊”去探索更广阔的区域。这种具象化的比喻,极大地帮助我理解了那些原本抽象的数学概念。此外,它对“自组织临界性”在生物系统中的体现也有独特的见解,探讨了生命如何巧妙地运行在稳定与混沌的边缘,以最大化其响应能力。这种对生命哲学的深刻洞察,使得这本书不仅仅是一部技术手册,更像是一部关于生命本质的精妙论述。它教会我的,是如何在追求确定性的同时,拥抱不确定性带来的无限可能,这对于身处快速变革时代的所有人来说,都是极具启发性的教诲。

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读完这本书,我产生了一种强烈的职业冲击感,它彻底颠覆了我对工程学中“可靠性设计”的固有认知。以往我们总倾向于通过增加冗余和标准化来提升系统的可靠性,追求绝对的“零缺陷”。然而,这本书清晰地展示了,生命系统在资源受限的自然选择压力下,所发展的鲁棒性策略远比我们想象的要精妙得多。它不是简单地增加副本,而是通过网络拓扑结构的优化,例如模块化设计和中心节点的保护机制,来实现高效且低成本的稳定性。更重要的是,它强调了“演化”作为一种持续的、动态的优化过程,而非一个孤立的事件。书中对“演化潜力”的探讨,特别是在基因调控网络中,如何通过轻微的突变就能解锁新的表型空间,这与我所熟悉的传统工程学中的容错设计形成了鲜明的对比。作者似乎在邀请工程师们向生物界学习,设计出那些“既能抗住今天的小故障,又能为明天的重大变革做好准备”的复杂系统。这种跨领域的借鉴价值,使得这本书的受众范围远超生物学领域,对于人工智能、材料科学和复杂网络工程领域的同仁而言,都具有极高的参考价值。

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