小种群效应、网络结构及激励机制对合作行为演化动态的影响

The evolution of cooperation is one of the most important theoretical problems in evolutionary biology. The key question in the evolution of cooperation is how cooperation behavior is maintained under natural selection if an individual will be incurred a cost in fitness because of his/her cooperation. Recently, people are interested in the effect of infinite population on the emergence of cooperation, the effect of network structure on cooperation dynamics, and the effect of peer and institutional incentives on promoting cooperation since these theoretical questions are very important for understanding cooperation dynamics in the population. In this project, the evolutionary significance of 1/3 law in stochastic evolutionary game dynamics, the effect of network structure on cooperation, individuals' response for the incentives, and the relationship between the peer and institutional incentives will be analyzed using the classic PD and PGG games. Our main goal is to provide some new insights, concepts and methods for explaining the maintenance of cooperation in the population.

合作行为的进化是进化生物学最重要的理论问题之一。如果合作个体为了帮助其他个体而牺牲自己的利益（适合度），那么在自然选择的压力下合作行为是怎样在种群中被长期保存下来的？小种群的随机效应，个体间相互作用的网络结构，以及个体对激励机制（惩罚和奖励）的响应是近年来在合作行为研究中的热点问题，它们对于解释合作行为在种群中的演化动态有重要的理论意义。本项目将以囚徒困境博弈和公用品博弈为基础，应用随机进化博弈动力学，网络博弈动力学和实验博弈的方法，深入分析1/3定律在随机进化博弈中的进化生物学含义，网络结构对于合作行为演化动态的效应，个体对激励机制的响应，以及自主激励和制度性激励之间的相互演化关系。这些结果将不仅会为合作行为理论的发展做出有意义的贡献，而且也将会为解释在自然种群和人类社会中合作行为的维持和演化提供新的理论依据。

合作行为的进化机制不仅是进化生物学和行为生态学最重要的理论问题之一，而且也是目前国际学术界最前沿的热点问题之一。自Hamilton (1964) 的亲缘选择及Trivers (1972) 的互惠理论，人们一直在寻找基于这两个重要理论框架的合作行为进化机制。2005年Nowak & Sigmund提出了能够促进合作行为进化的五个重要机制，它们分别是：亲缘选择（kin selection），直接互惠（direct reciprocity），间接互惠（indirect reciprocity），图选择（graph selection），群体选择（group selection）。另一方面，为揭示合作行为的进化起源，Nowak et al. (2004) 以在有限大小种群中的囚徒困境博弈的随机动力学为基础提出了著名的1/3律。在本项目的研究中，我们着重关注：(i) 在有限大小种群中1/3律的进化生物学意义；(ii) 等级序位种群中个体间非对称相互作用对合作行为演化动态的影响；(iii) 在空间异质网络中合作行为的演化博弈动力学；(iv) 在公共品博弈中制度性激励对合作行为演化动态的影响。我们的主要结果表明：（1）对于在有限大小种群中的囚徒困境博弈动态，在弱选择条件下，1/3律等价于合作者关于有效时间的平均适合性大于背叛者关于有效时间的平均适合性；（2）在等级序位结构化种群中，不同等级个体间的非对称相互作用有可能导致种群的全面合作；（3）在空间网络的合作行为演化动态中，规则网络不利于合作行为的进化，而非规则的已质网络则有利于合作行为的演化；（4）在公共品博弈中，当群体的平均合作水平较低时，制度性的奖励激励能够有效的促进群体的合作水平；反之，当群体的平均合作水平较高时，制度性的惩罚激励能够有效的维持群体的合作水平；同时大多数个体更趋向于模仿群体的平均合作水平。我们的结果在几个不同的方面为理解合作行为的进化提供了新的理论机制和实验博弈研究的证据。