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系统发育树的模式分析可以揭示进化与生态之间的联系

  • 科学
  • 2020-06-28 08:35:58
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在生物学中,系统进化树代表着物种的进化历史和多样化-生命的“家谱”。系统发育树不仅描述了一组生物的进化,而且还可以由特定环境或生态系统(例如人类微生物组)中的生物构建而成。通过这种方式,他们可以描述这个生态系统如何演变以及它的功能可能是什么。

现在,研究人员对系统发育树产生的模式进行了新的分析,表明它们反映了以前假设的进化与生态之间的联系。这项研究由斯旺伦德物理学教授奈杰尔·金菲尔德(Nigel Goldenfeld)领导,他还领导了伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所的生物复杂性小组。团队的其他成员是研究生Chi Xue和前本科生Zhiru Li(现为斯坦福大学)。他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇新文章中,标题为“生态位建设中出现的尺度不变拓扑和进化树的突发分支”。

地球上所有生命中最熟悉的系统发育树使用细胞核糖体必不可少的机制中的基因来表示物种。通过比较不同生物上相同基因的分子序列之间的差异,研究人员可以推断出哪些生物是其他生物的后代。这个想法导致了地球生命进化史的规划,并在1977年由Carl R. Woese和合作者发现了生命的第三领域。

真正的系统进化树是复杂的分支结构,反映了物种形成新突变体时物种形成的模式。分支结构很复杂,但是可以根据它们的平衡程度和反映树拓扑的其他统计特征来表征它们。最简单的表征是查看树上的每个分支节点:它是分成两个长度完全相同的分支还是两个分支的长度不相等?据说前者是平衡的,而后者则是不平衡的。

尽管树木很复杂,但在整个进化时间内,拓扑结构仍具有一致的数学模式,即自然相似或分形的模式。研究人员使用最小限度的进化表示法,展示了这种分形结构如何反映了生态与进化过程之间相互作用的不可磨灭的烙印。最小自然模型的目的不是要过于现实,而是要以简化仿真和数学分析的方式捕获过程中最重要的成分。

Goldenfeld的工作经常使用最少的模型来解释对精确细节不敏感的复杂生物和物理现象的一般方面。复杂现象的其他方面无法用这种方式很好地描述,但是已知使用最少的建模方法可以描述诸如空间中的自相似性之类的物理模式。

Goldenfeld说:“因此,尝试这种方法来及时描述自我相似性似乎也是合理的。”

薛说:“我们着手研究系统发育树的拓扑特性,并最终为树的特殊性提供了额外的'解释性果实'。”

该研究围绕着进化生态学的概念,即生态位构建,大约在40年前首次提出。在生态位建设中,生物会改变其环境,从而在生态系统中创建新的生态位并改变环境。反过来,这些新的生态位会影响共享环境的生物的整体进化轨迹。最终结果是进化与环境紧密耦合在一起。尽管从直觉上讲吸引人,但进化论并不是在纯静态的环境背景下发生的想法是有争议的。他们的发现通过以现代基因组学和系统进化树构建可以发现的方式确定生态位构建的长期影响,从而增加了现有的工作范围。

在这里报告的工作中,研究人员模拟了生物,并赋予了它们与生态位有关的价值,这些价值描述了它们与环境的相互作用。那些具有较高生态位价值的生物体具有多种适应环境并最终导致其生存的方法,而那些具有较小生态位价值的生物体的适应力较弱。

“在我们的模型中,就生态位而言,我们将生态位与物种形成的可能性呈正相关,因为具有较大生态位的生物很可能可以成功地进行多样化,”薛说。“在系统树的进化过程中,当两个子节点从其父节点出现时,它们的利基部分来自继承,部分来自构建。”

研究人员表明,生态位空间用尽的物种无法再分支或形成物种。在数学上,这表示为代表该物种的节点上的所谓吸收边界条件。

“只要利基仍然为正,它的姐妹结点可能仍会多样化,但是两个姐妹结点不再对称,树变得不平衡,”薛解释。“我们证明了吸收边界对于生成树的分形结构至关重要,并且利基结构可以确保某些节点将到达边界。”

研究人员使用了利基构建的简化模型,并能够概括树形拓扑中的分形缩放比例。他们的计算使用了从完全不同的科学领域采用的方法:相变物理学。相变的一个例子是当诸如铁之类的材料随着温度降低而变成磁性时。一旦温度降至临界值以下,磁性就会逐渐出现。

Goldenfeld解释了这种不寻常的类比是如何工作的:“非常接近这个临界温度,磁体还是分形的或自相似的:它被构造成磁畴和非磁畴的嵌套区域。这种在空间中的嵌套或自相似结构是让人联想到分叉的树枝在时间上的嵌套或自相似结构。”使用计算机模拟和相变数学,研究团队能够证明树形拓扑的分形缩放如何出现。

“我们的模型只有很少的成分,并且采用简单的数学形式,但是,它会根据实际生物学数据中观察到的正确指数生成幂律定标,” Xue解释说。“看到一个最小的模型能做多少,真是太神奇了。”

刘说:“我们不仅能够再现幂律行为,而且能够再现非常接近现实的非平凡指数。”“换句话说,模拟树不仅在比例上不变,而且在某种程度上也很现实。”

除了描述系统发育树的分形拓扑外,该模型还考虑了伊利诺伊州植物生物学教授詹姆斯·奥德威尔(James O'Dwyer)先前在微生物群落中发生的进化进化枝的模式,这是一名接受过理论物理学训练的生态学家,例如Goldenfeld。

Goldenfeld评论道:“使用来自统计物理学的概念工具包,能够对James的早期发现有所了解,这真是令人高兴。”“这项工作例证了跨学科研究,艰苦的数据分析和最小的建模可以产生强大而出乎意料的结果的方式。”

生态位构造的存在在进化轨迹上创造了巨大的足迹,即使跨越很长时间,也无法消除。生态位构建(这种构建基于更短的时间尺度)作为一种长期记忆出现在系统发育树中的想法可能会让某些人感到惊讶。实际上,Liu补充说,这种“尺度干涉”也是相变的标志,磁性晶体中原子之间的间距(以埃为单位)会影响以厘米为单位的材料特性。

“当我三年前在奈杰尔的物理课堂上了解相变的尺度干涉概念时,我没想到会有以下任何事情:加入他的小组,应用这个想法并解决生物学问题,”刘说。“现在我很高兴我在那堂课上没有打do睡。”

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