镇江整站优化,网站建设排名公司,免费大数据网站,现在北京能不能去来源#xff1a;Nature自然科研原文作者#xff1a;Mark Pagel以演化树形式绘制的图表能够显示物种之间的系统发育关系#xff0c;这类图表被广泛用于估算新物种出现以及现存物种灭绝的速率#xff0c;但一项新的研究对这种方法提出了质疑。科学家经常试图对生物的过去是什… 来源Nature自然科研原文作者Mark Pagel以演化树形式绘制的图表能够显示物种之间的系统发育关系这类图表被广泛用于估算新物种出现以及现存物种灭绝的速率但一项新的研究对这种方法提出了质疑。科学家经常试图对生物的过去是什么样、它们又是如何变成了现在的样子做出推论这样做可以使他们理解演化过程的推动力。但Louca和Pennell在《自然》上发表的一篇论文[1]挑战了构成这些尝试的一个重要方面。更具体地说他们的研究所涉及的问题是估算过去的物种形成与灭绝的速率这两个速率分别指新物种出现和现存物种消亡的速度它们决定了如今丰富多彩的物种的数目。举例来说现在世界上共有约6600种鸣禽雀形目鸟类占现有全部鸟种的一半以上。因此我们也许会倾向于认为鸣禽的物种形成速率要高于其它鸟类但另一种可能的推测是它们的灭绝速率较低。Louca和Pennell的研究表明无法确定的地方甚至还有更多我们不但无法对物种形成与灭绝速率作出估计这两个参数还有无数种不同的组合它们在描述任一特定结果如现存鸣禽的物种数上的能力都是一致的。因为绝大部分物种的化石都很稀少或者根本不存在演化科学家反过来通过系统发育即描述某个现存物种类群的亲缘关系模式的树状图详见图一a,b去估算物种形成与灭绝的速率。对于任何一株这样的系统发育树我们都很容易构建出分类单元数-时间图lineage-through-time plot它记录了到树上某个时间节点的时候留下一个或更多现存子代物种的演化分支的累计数量详见图一c。这类图上的拟合曲线的斜率通常用λ来表示它代表了净物种形成速率。这个速率等于物种形成速率用b来表示即出生与灭绝速率用d来表示即死亡之差它可以用等式λ b – d来描述。图一|演化历史的测算。分类单元数-时间图lineage-through-time plot是一种估算过去的物种形成与灭绝的速率的标准方法但Louca和Pennell[1]对其提出了疑问。现存物种的数目取决于物种形成与灭绝速率如何随过去的时间而变化。通过数学模型两位作者证明了任何一个给定的结果都可以由无数对物种形成与灭绝速率的组合产生。因此我们无法确定如何找到正确的速率。a, b, 目前已知的灭绝事件的例子是很少的它们在这两张假想的树状图上只是被用来说明不同的物种形成与灭绝速率是如何产生相同的分类单元数-时间图的。c, 树状图里的信息可以用此处的分类单元数-时间图来表示。图中红色的点代表的是在某个时间节点上留下存活至今的子代物种的演化分支的数目。曲线的斜率等于物种形成与灭绝速率之差。尽管a,b两张树状图的两个速率不同但都可以被这里的分类单元数-时间图正确表示。这论证了Louca和Pennell的观点即很多不同的数据输入都可以得到相同的分类单元数-时间图。然而我们知道在估算b和d时会出现困难因为如果我们手头只有现存物种的数目比如6600种鸣禽那么任意一对生成相同λ 值的b和d的组合都将会给出同样的分类单元数-时间曲线而这样的组合是有无穷多的。事实上对于像在这里描述的估算b – d的简单情况我们可以利用分类单元数-时间曲线的形状的一个特征去估计灭绝速率然后就可以通过减法运算得到物种的形成速率[2]。但是这种方法需要假设这两个速率在演化树的整个时间跨度上都是恒定的而恰恰相反它们在系统发育树的不同演化分支分类单元以及时间节点上几乎肯定是不同的。这正是Louca和Pennell的切入点他们研究的创新之处和数学上的精妙之处在于证明了我们是无法估算出这些“随时间变化”的物种形成及灭绝速率的。两人引用的早期研究[3]定义了演化树“确定性”分类单元数-时间曲线的存在那是一组能完全确定在任何一个时间节点上树上的演化分支数目的微分方程描述变化率的方程。而Louca和Pennell的主要研究结果是和确定性分类单元数-时间曲线的情况一样随时间变化的物种形成-灭绝速率也有无穷多对不同的组合它们在任一时间节点上都能产生相同数目的演化分支。两人还进一步证明即便有了对于这两个速率最接近的估计通过最大似然法计算也并不一定能找到正确的模型。这个结论是通过对假想的情形其中随时间变化的物种形成-灭绝的真实速率已知进行分析后得出的。对于想用这两个速率来研究演化的人而言还有更糟糕的消息在随时间变化的物种形成-灭绝速率和确定性分类单元数-时间模型一致的情况下它们可能的不同组合经常会有质的区别。举例来说Louca和Pennell分析了大约8万种种子植物的系统发育情况发现这两个速率无论是随时间同时渐增或递减描述该演化树的能力都是相同的。而在其它情况下包括速率随时间大幅度变动的情况随时间产生的演化分支的数目与从确定性分类单元数-时间模型得到的结果也是一样的。有些演化科学家致力于寻找过去的物种形成与灭绝水平和历史上的气候变化或其它环境事件之间的关联还有些人想测试物种的哪些特征如食性、交配系统或是世代长度可能被用于预测物种形成与灭绝速率[4]Louca和Pennell的研究结论是会让他们垂头丧气的。两人发现对物种形成与灭绝速率的估算存在限制它不会随着系统发育树的规模增加而消失。至于演化树的其它常见特征也帮不上什么大忙比如说如果某个类群的物种从来没有经历过灭绝事件那么对其形成速率的估计就很简单直接了可这种情况较为罕见也不太可能事先知道。化石提供了估算灭绝速率所需的证据因此大量的化石会很有用然而在大多数的情况下化石都不太够。我们还可以做一些假设如这两个速率如何随另一方、随时间或随物种的数目而发生变化但这些假设的对象正是我们想要估算的东西本身。有什么是我们还可能知道的在这场认识论的“浩劫”中通过证明仍有可能对一个被称作物种形成相对速率pulled speciation rate或λp的参数作出估算Louca和Pennell给予了我们些许慰藉。这个参数测量的是分类单元数-时间图的确定性模型的变化率曲线的斜率。该相对速率在演化分支之间或是在不同时间节点上都能进行比较。即使它未必能够提供灭绝物种的信息也有助于我们理解现存物种的演化过程。而这一点即那些已经不复存在的物种正是Louca和Pennell的研究留给我们的更深一层的教诲。不论是研究物种形成与灭绝还是试图重建古老祖先的特征所有演化科学家在没有化石的情况下都需要注意他们所发现的演化过程是在那些存活下来并最终在当今世界留下后代的物种身上运作的。我们无法确定灭绝物种的情况是什么样的。这是“历史是由胜利者书写的”的演化版本。这个难题的最大讽刺在于我们想要去理解的查尔斯·达尔文关于“适者生存”的理论从本质上来说会把解析它所需的一些关键要素给隐藏起来。参考文献1.Louca, S. Pennell, M. W. Nature580, 502–505 (2020).2.Nee, S., Holmes, E. C., May, R. M. Harvey, P. H. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 344, 77–82 (1994).3.Kubo, T. Iwasa, Y. Evolution49, 694–704 (1995).4.Morlon, H. Ecol. Lett.17, 508–525 (2014).原文以Evolutionary trees can’t reveal speciation and extinction rates为标题发表在2020年4月15日的《自然》新闻与观点版块© nature Nature|doi:10.1038/d41586-020-01021-4未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
