生物生长建模验证代谢成本与自然选择间的普适关系

代谢与进化紧密相连：若某一突变给生物体带来额外的能量成本，则存在一种基线选择劣势，该劣势可能被其他适应性效应所补偿，也可能不会。一个长期存在但迄今未经证明的假说是，这一劣势等于相对于总静息代谢支出的分数成本。该假说近来作为定量理解不同类群生物间选择强度的有力工具而重新受到关注。我们的工作通过广义代谢生长模型从第一性原理探究该假说的有效性，该模型的若干版本已成功描述从单细胞到高等动物的生物生长。我们建立了一个数学框架，用以计算维持与合成成本的扰动如何转化为对选择系数的贡献。这使我们能够证明，该假说是实际基线选择系数的一种近似。此外，我们可以导出其函数形式中正确的前因子，以及针对模型任意给定实现下其精度的解析界限。我们利用该生长模型的一个特例阐释我们的通用框架，表明其可对广泛单细胞生物（原核生物与真核生物）收集数据中的代谢支出给出定量描述。在所有这些情形中，我们证明该假说是一个极好的近似，对基线选择系数的估计可落在真实值的 15% 以内。即便在涵盖多细胞生物生长数据的更宽泛生物参数范围内，该假说依然表现良好，始终处于正确结果一个数量级之内。因此，我们的工作证成了其作为一种通用工具的用途，为其更广泛部署奠定了基础。