Transcript ppt
Darwini evolúció elmélete • A fajok nem álladók • Minden élőlény közös ősöktől származik • Az evolúció fokozatos • A fajok megsokszorozódnak • Természetes szelekció Természetes szelekció 1 Malthus: a populációk korlátok nélkül exponenciálisan nőnek 2 A populációk mérete korlátok közt ingadozik 1 & 2 => Az egyedek forrásai korlátozottak Következtetés: Az egyedek között intenzív verseny folyik • A populáció tagjai között különbségek vannak • E variabilitás nagyrészt öröklődik • Vannak olyan tulajdonságok, amelyek miatt az egyedek eltérő valószínűséggel érik meg a szaporodást és különböző számú utódot hoznak létre ALAP SZEMLÉLET: Az a tulajdonság terjed el, amelynek több utódja kerül a következő generációba. Darwini fitness Nem átfedő generációk Aszexuális faj (a fenotípus öröklődik) Két fő faktor hat 1. Fertilitás: pl. hány darab petét, spórát, tojást újszülöttet produkál egy egyed 2. Fiatalok túlélése: milyen valószínűséggel éri meg egy utód a szaporodási kort Fitness azt méri, hogy melyik fenotípus terjed el a populációban • Szülői generáció a t=1 időpontban – Minden egyed szaporodik és szaporodás után elpusztul. – A-fenotípos „N” darab, B-fenotípus „M” darab, A átlagos fertilitását jelölje „Fa” és az A típusú fiatalok túlélésének valószínűségét jelölje „p” – B átlagos fertilitása „Fb” és a B típusú fiatalok túlélésének valószínűsége „q” • Ekkor a következő generációban a t=2 időpontban A-fenotípos egyedszáma: „N Fa p” B-fenótípus egyedszáma: „M Fb q” • A-típus fitnesze egyedre vonatkozik: „ Fa p” • B-típus fitnesze egyedre vonatkozik : „ Fb q” • A t=2 generáció összetétele: A-típus aránya: és B-típus aránya N Fa p / (N Fa p+ M Fb q) M Fb q / (N Fa p+ M Fb q) Példa 1 • Nem átfedő populációk • Aszexuális faj. • Tekintsünk, N db felnőtt egyed azonos fenotípussal • Az i-ediknek van Fi utódja (fecunity), ebből xi éri meg a szaporodási kort. • A típus felnőttjeire vonatkozó siker (fitnessze): (x1 +x2 +…+xN ) / N Példa 2 • K született egyed (tojás, pete) azonos fenotípussal (szaporodás után elpusztulnak a felnőtt egyedek) • Ebből k éri meg a felnőtt kort, K>k • Az i-edik felnőtt kort elért egyed fekunditását jelölje Fj • A típus abszolút fitnesze = (a típus szaporodási kor elérésének valószínűsége) × (az adott típus átlagos utódszáma), azaz • (k / K) (F1+…+Fk) / k • Vegyük észre: (k/K)(F1+…+Fk)/k= (F1+…+Fk)/K Nem elkülönülő generációk esete: Öregedés: tekintsünk két típust: A típus 1 évet él és 2 utódja van. B típus 3 évet él és minden évben 1-1-1, utódja van. Melyik típus növi túl a másikat? Szaporodás időzítése: • Tekintsünk két típust: 1. A típus 2 évet él, és az első évben 1 utódja van, míg a második évben 2. 2. B típus 2 évet él, és az első évben 2 utódja van, míg a második évben 1. Melyik típus növi túl a másikat? • „A” típus 2 évet él, és az első évben 1 utódja van, míg a második évben 2. „B” típus 2 évet él, és az első évben 2 utódja van, míg a második évben 1. Összefoglalva: a fitnesz, a típus, egyedre vonatkoztatott átlagos növekedési rátája. Fenotípus evolúció Evolúciós játékelmélet Fitnesz-függések Abiogén szelekció • Madár szárny • Tengeri élőlények uszonya • Párolgást csökkentő nővényi képletek Biogén szelekció • Denzításfüggő rátermettség (fitnessz): optimális táplálék választás • Frekvenciafüggő rátermettség : -szexuális szelekció, -agresszivitás OPTIMIZÁCIÓ: csak a típustól függ egy adott típus fitnesze JÁTÉKELMÉLET: a többi kölcsönható típustól is függ egy adott típus fitnesze Néhány alapkérdés • Miért ritka a „vad” harc egy forrásért? • Hogyan alakult ki és marad fenn a kooperáció? • Mikor őszinte a kommunikáció? • Miért van parciális preferencia? (Ragadozók préda, illetve élőhely preferenciája) • Nemek aránya Evolúciós játékelmélet Klasszikus alapmodell • Egy aszexuális faj kellően nagy és jól kevert populációja • Ritka mutáció • Frekvenciafüggő rátermettség, fitnesz additívitás • A kölcsönhatás két egyed között zajlik • Fenotípus centrikus: típusok átlagos utódszáma a kifizetés • Tekintsünk két fenotípust: R (rezidens) és M (mutáns) • E(Y,X) jelölje az Y típus átlagos nyerségét, ha X típussal hat kölcsön • Jelölje 1-ε az R-típus arányát, így a M-típus aránya ε. R M R E(R,R) E(R,M) M E(M,R) E(M,M) • A populáció nagyon nagy és jól kevert • B jelölje az alap-fitneszt • R-típus fitnesze W(R) = B + (1- ε) E(R,R) + ε E(R,M) • M-típus fitnesze W(M) = B + (1- ε) E(M,R) + ε E(M,M) • Átlagos fitnesz W = (1- ε) W(R) + ε W(M) • Az Rezidens fenotípus Evolúciósan Stabilis Stratégia (ESS), ha egy olyan populációban, melyben az egyedek többsége ezzel a stratégiával rendelkeznek, egyetlen, kellően ritka Mutáns sem tud elterjedni. • Formálisan: R - típus ESS, ha kellően kis ε mutációs ráta esetén, minden mutánsra W(R) > W(M) Azaz (1- ε)E(R,R) + εE(R,M) > (1- ε)E(M,R) + ε E(M,M) Kellően ritka a mutáció ha 1. időben ritkán jelenik mutáns (két mutáció között van elég idő, a kevésbé életképes típus kihalásához) 2. kis arányban megjelenő mutáció • Egyensúlyi feltétel E(R,R) ≥ E(M,R) • Stabilitási feltétel: ha valamely M-típus neutrális, azaz E(R,R) = E(M,R), akkor E(R,M) > E(M,M) Sólyom galamb játék • Cél: territórium megszerzése • Sólyom stratégia: győzelem vagy sebesülés • Galamb stratégia: harcias pózolás, de nem küzd, soha nem sebesül meg • Territórium értéke: V • Sebesülés költsége: C Típusok átlagos kifizetései • Darwin: az a típus terjed el S G amely nagyobb fitneszt biztosít S (V-C)/2=-2 V=2 • Sólyom - Sólyom: (V-C)/2 • Sólyom - Galamb: V • Galamb - Sólyom: 0 G 0 V/2=1 • Galamb - Galamb: V/2 • Pl: V=2, C= 6 Polimorf populáció • Minden egyednek tiszta stratégiája van, azaz vagy „Galamb” vagy „Sólyom”. • Tiszta Galamb populációban – Galambok kifizetése: V/2 – Sólymok kifizetése: V • Tiszta Sólyom populációban – Galambok kifizetése: 0 – Sólymok kifizetése: (V-C) / 2 < 0 • Mikor egyenlő a két típus kifizetése: 1-x* jelölje a Sólymok arányát, így x* a Galamboké, -2(1-x*)+2x*= 0(1-x*)+x* x* = 2/3 • Stabilis-e ez az x* állapot? Ha a Sólymok aránya nagyobb (x > x*), akkor a Sólyom kifizetése kisebb Ha a Sólymok aránya kisebb (x < x*), akkor a Sólyom kifizetése nagyobb. Ami ritkul terjed! Replikátor dinamika • Jelölje pi az i-edeik tisztastratégia arányát • Folytonos replikátor dinamika dxi / dt = xi [ Wi (x) – W(x)] Wi (x) a i-stratégia, W(x) a teljes populáció átlagos fitnessze, ha az i-stratégia aránya xi • Darwin: az a típus terjed el, amelynek nagyobb a rátermettsége mint a populációé. • Diszkrét replikátor dinamika xi(t+1)= Wi (p) / W(p) Monomorf populáció, Mátrix játék • Az egyedek kevert stratégiát használnak, Pl: egy adott valószínűséggel, p-vel Galamb illetve (1-p) –vel, Sólyom stratégiát használnak. • Egyensúlyi feltétel: minden p-re p*Ap* ≥ p A p* • Stabilitási feltétel: Ha valamely p-re p*Ap* = pAp*, akkor p*Ap > pAp Ahol, p egy n-dimenziós eloszlás, míg A egy nxn-es kifizető mátrix. Mátrix játék esetén a következők esetek lehetnek: – Van egyetlen belső kevert ESS, pl Sólyom – Galamb – Egy vagy több tiszta ESS van 4 2 1 3 Nincs ESS: Kő – olló - papír 0 -1 1 1 0 -1 -1 1 0 Uta stansburiana hímek játéka (Mexikóból) Tesztoszteron színt apai vonalon örökődik. Narancs: nagy tesztoszteron színt, nagy territórium, agresszív, sok nőstény Kék: alacsonyabb tesztoszteron színt, 1 nőstény, kevésbé agresszív Sárga: nőstény imitátor, nincs territórium. Narancs veri Kéket, Kék veri Sárgát Sárga veri Narancsot NINCS OPTIMÁLIS STARTÉGIA, AMELY MINDEN MÁST VER Aszimmetrikus konfliktus • Egy adott fajon belül, a kölcsönható egyedek nem tekinthetők azonosnak • Tulajdonos – Betolakodó: A tulajdonos energiát fektet be, így értékesebb neki a territórium mint a betolakodónak. • Hím – Nőstény Mások a stratégia halmazok és a kifizetések Aszimmetrikus Sólyom – Galamb Játék • Sólyom, Galamb és „Bourgeois”: Ha tulajdonos, akkor Sólyom stratégiát játszik, ha betolakodó akkor Galamb stratégiát játszik. • Tegyük fel, hogy minden típus azonos 0.5 valószínűséggel „tulajdonos”. S G B S -2 2 0 G 0 1 1/2 B -1 3/2 1 • Tiszta Bourgeois ESS ha – A territóriumok értéke azonos – A kifizető mátrix nem változik az időben – A nyereség kisebb mint költség. • Páviánok hímek nőstényei, • Kutyák terület védő viselkedése Folytonos stratégia • Menny időt fordítódik egy adott aktivitásra. • Mekkora legyen egy mag súlya? • p* ESS, ha minden p≠p* esetén W(p*,p*)>W(p,p*) Így x* ESS ha rögzített p=p* esetén dW(p,p*) / dp = 0 d2W(p,p*) / dp2 <0. ESS és a szexuális szaporodás Tfh, egy szexuális diplodi populációban – A viselkedés típusok 1 lókuszon öröklődnek – Minden egyednek tiszta stratégiája van – Minden tiszta stratégiát kódol egy homozigóta – Az öröklődés domináns - receszív • Ha létezik fenotípusos ESS, akkor a szexuális populáció ebbe fejlődik • A szexuális populációban zajló szelekció végállapotának fenotípikus képe polimorf ESS. Ökológiai játékok • „Optimal foraging”: ragadozó optimalizálja energia bevitelét. 1 ragadozó 2 préda faj. • 0-1 törvény • Mi van ha a préda fajok képesek csökkenteni a ragadozó sikerét? • Önző horda elmélet • Menedék • Élőhely preferencia Feladatok: • Van(ak)-e ESS-ek és ha van(ak) mik azok ? 4 2 1 3 1 6 2 5 2 2 2 2 3 • Mi annak a feltétele, hogy egy p állapotot egy q állapot elözönöl mátrix játék esetén? Javasolt irodalom • Maynard Smith J. 1982 Evolution and the theory of game. Cambridge Univ. Press • Karl Sigmund. 1993 Az élet játékai. Akadémiai Kiadó, Budapest