层次结构的进化起源

层次组织——子模块的递归组合——在生物网络中普遍存在，包括神经、代谢、生态和基因调控网络，以及人造系统，如大型组织和互联网。迄今为止，大多数关于网络中层次结构的研究仅限于量化这一属性。然而，进化生物学中一个悬而未决的重要问题是层次结构最初为何会进化。最近研究表明，由于网络连接存在代价，模块化会进化。在这里，我们研究这种连接代价是否也倾向于导致这种模块的层次组织。在计算模拟中，我们发现没有连接代价的网络不会进化出层次结构，即使任务具有层次结构。然而，有了连接代价，网络会进化出既模块化又层次的结构，并且这些网络表现出更高的整体性能和可进化性（即更快地适应新环境）。额外的分析证实，在控制模块化之后，层次结构独立地提高了适应性。总的来说，我们的结果表明，同一种力量——连接的代价——促进了层次结构和模块化的进化，并且这些属性是网络性能和适应性的重要驱动因素。除了揭示层次结构在众多领域中出现的原因外，这些发现还将加速人工智能和机器人领域进化更复杂、更智能的计算大脑的未来研究。