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进化博弈理论是研究频率制约选择下表现型(或行为)进化的理论体系。自然界中,生物的某些特定表现型(或行为)的适合度依赖于其在种群中的频率分布的现象十分普遍,譬如:动物的配偶选择、扩散、冲突、信号传递等行为;植物在生存、生长和繁殖方面的资源分配等。因此,进化博弈理论为探究生物在表现型水平上的进化提供了一种有利途径。进化博弈动力学是刻画进化动态的基本理论框架。本文研究基于复制动力学(进化博弈动力学的核心),它主要描述适应性在自然选择作用下的短期进化过程。作为一种确定性模型,复制动力学可以很好地刻画频率制约选择下的表现型(或行为)的进化规律。经典的两表现型进化博弈动力学模型和两表现型-两等位基因进化动力学模型的研究结果表明:只要ESS存在,或者在遗传上可能的范围内存在,则ESS是稳定的。对于后一种情形,如果ESS在遗传上不可达,则种群将向最接近ESS平衡的方向进化。
为了适应环境的周期或非周期性波动,许多种群的密度在短时间内可能出现跃迁现象,譬如:由于气候的周期性变化,许多野生动物形成季节性繁殖的适应机制,进而导致种群密度在短时间内的突然增加。在数学上,可以用脉冲扰动来描述这类现象。所谓脉冲是指在一个连续的过程中所出现一系列瞬间突变现象。相对于整个种群的生长周期而言,种群密度的突然改变可以被视为瞬时完成的,即脉冲。脉冲现象介于确定性现象和随机性现象之间。脉冲微分系统理论为研究这类现象提供了有利工具。运用脉冲微分系统理论可以对具有脉冲扰动的种群动力学行为进行探讨。本文研究周期性脉冲扰动对进化博弈动态的影响,即将周期性脉冲扰动机制分别引入两表现型进化博弈动力学和两表现型-两等位基因进化博弈动力学模型,并探讨表现型的进化稳定性。
在第二章中,基于两表现型进化博弈动力学模型,分析了在周期性脉冲扰动的条件下传统的进化稳定性是否依然成立,即脉冲扰动将如何作用于两表现型系统的进化稳定性。经典两表现型模型的研究结果已表明:当种群中的所有个体都采取一个进化稳定策略(ESS)时,任何其他策略不可能成功侵入该种群。我们的结果表明:周期性脉冲扰动不仅可以导致系统中出现周期解,即表现型频率呈现周期振荡;而且,传统意义下的ESS策略可以被一个非ESS策略所取代。这一结果为解释合作行为的进化提供了一种可能的机制。
在第三章中,基于两表现型-两等位基因进化博弈动力学模型,我们考虑了周期性脉冲扰动的条件下系统的表现型平衡与遗传平衡之间的关系。经典的两表现型-两等位基因模型已表明:如果ESS在遗传上是可达的,即存在与该表现型对应的遗传平衡点,则它仍然是稳定的,如果ESS在遗传上是不可达的,则种群将向着最接近ESS的基因型平衡点进化。我们的结果表明:在ESS在遗传上可达的情形下,它将有可能是不稳定的;当ESS在遗传上不可达时,远离ESS的基因型将有可能是稳定的,即ESS平衡状态可能会被一个非ESS的平衡状态所取代。
第四章是对全文的总结以及对未来工作的展望。