Анализ паттернов филогенетических деревьев может выявить связи между эволюцией и экологией

В биологии филогенетические деревья представляют эволюционную историю и разнообразие видов - «генеалогическое древо» Жизни. Филогенетические деревья не только описывают эволюцию группы организмов, но также могут быть созданы из организмов в конкретной среде или экосистеме, такой как микробиом человека. Таким образом, они могут описать эволюцию этой экосистемы и ее функциональные возможности, сообщает портал ascania-nova.org.

Теперь исследователи представили новый анализ паттернов, генерируемых филогенетическими деревьями, предполагая, что они отражают ранее предположенные связи между эволюцией и экологией. Исследование было проведено профессором физики Сванлундом Найджелом Голденфельдом, который также возглавляет группу по биокомплексности в Институте геномной биологии им. Карла Р. Воса при Иллинойском университете в Урбана-Шампейн. Другими членами команды были аспирант Чи Сюэ и бывший студент бакалавриата Чжиру Ли, ныне работающий в Стэнфордском университете. Их результаты были опубликованы в недавней статье в журнале Proceedings Национальной академии наук, озаглавленной «Не зависящая от масштаба топология и импульсное ветвление эволюционных деревьев, возникающих из нишевой конструкции».

Наиболее знакомое филогенетическое древо всей жизни на Земле использует гены важнейшего клеточного рибосомального механизма для представления видов. Сравнивая различия между молекулярными последовательностями одних и тех же генов у разных организмов, исследователи могут определить, какие организмы произошли от других. Эта идея привела к составлению карты эволюционной истории жизни на Земле и открытию третьей области жизни Карлом Р. Уэзом и его сотрудниками в 1977 году.

Настоящие филогенетические деревья представляют собой сложные ветвящиеся структуры, отражающие характер видообразования, когда новые виды появляются из вида. Ветвящиеся структуры являются сложными, но их можно охарактеризовать с точки зрения их сбалансированности и других статистических характеристик, отражающих топологию дерева. Простейшая характеристика состоит в том, чтобы взглянуть на каждый ветвящийся узел на дереве: он разделен на две ветви одинаковой длины или ветви разной длины? Первый называется сбалансированным, а второй - несбалансированным.

Несмотря на сложность деревьев, в эволюционной структуре существует непротиворечивая математическая модель топологической структуры, которая является автомодельной или фрактальной по своей природе. Используя минимальное представление об эволюции, исследователи показали, как эта фрактальная структура отражает неизгладимый отпечаток взаимодействия между экологическими и эволюционными процессами. Минимальные модели природы не стремятся быть чрезмерно реалистичными, а построены так, чтобы охватить наиболее важные компоненты процесса таким образом, чтобы упростить моделирование и математический анализ.

В работе Гольденфельда часто используются минимальные модели для объяснения общих аспектов сложных биологических и физических явлений, которые нечувствительны к точным деталям. Другие аспекты сложных явлений не могут быть хорошо описаны таким образом, но известно, что физические закономерности, такие как самоподобие в пространстве, могут быть описаны с использованием минимальных подходов к моделированию.

«Таким образом, было разумно попробовать этот подход, чтобы описать самоподобие во времени», - сказал Гольденфельд.

«Мы отправились изучать топологические свойства филогенетического дерева и получили дополнительный« плод объяснения »для особого характера дерева», - сказал Сюэ.

Исследование основывалось на концепции эволюционной экологии, известной как нишевое строительство, впервые предложенной около 40 лет назад. В нишевом строительстве организмы изменяют свою среду, создавая тем самым новые экологические ниши в экосистеме и изменяя окружающую среду. В свою очередь, эти новые ниши влияют на общую эволюционную траекторию организмов, разделяющих окружающую среду. Конечным результатом является то, что эволюция и окружающая среда тесно связаны друг с другом. Идея о том, что эволюция не происходит на чисто статическом фоне окружающей среды, противоречива, несмотря на то, что она интуитивно привлекательна. Их результаты дополняют существующий объем работ, выявляя долгосрочные эффекты построения ниши таким образом, который можно обнаружить с помощью современной геномики и филогенетического построения деревьев.

В работе, о которой здесь сообщается, исследователи моделировали организмы и связывали с ними нишевую ценность, описывающую их взаимодействие с окружающей средой. Те организмы с большим значением ниши содержали большое количество способов адаптироваться к окружающей среде и в конечном итоге приводили к их выживанию, тогда как организмы с небольшими значениями ниши были менее устойчивыми.

«В нашей модели мы положительно относим нишу к вероятности видообразования в том смысле, что организм с большой нишей может успешно диверсифицироваться», - сказал Сюэ. «Во время эволюции филогенетического дерева, когда два дочерних узла появляются из их родителя, они получают свои ниши частично от наследования и частично от строительства».

Исследователи показали, что виды, которые выходят из нишевого пространства, больше не могут разветвляться или размножаться. Математически это было представлено как так называемое поглощающее граничное условие на узле, представляющем этот вид.

«Его родственный узел, вероятно, все еще диверсифицируется, пока эта ниша все еще остается положительной, но два родственных узла больше не являются симметричными, и дерево становится неуравновешенным», - объяснил Сюэ. «Мы продемонстрировали, что поглощающая граница имеет решающее значение для создания фрактальной структуры дерева и что нишевая конструкция гарантирует, что некоторые узлы достигнут границы».

Исследователи использовали упрощенную модель построения ниши и смогли повторить фрактальное масштабирование в топологии дерева. В их расчетах использовались методы, принятые из совершенно другой области науки: физики фазовых переходов. Примером фазового перехода является случай, когда такой материал, как железо, становится магнитным при понижении его температуры. Магнетизм появляется постепенно, как только температура падает ниже критического значения.

Гольденфельд объяснил, как работает эта необычная аналогия: «Очень близко к этой критической температуре магнит также является фрактальным или самоподобным: он структурирован во вложенные области магнитных и немагнитных доменов. Эта гнездовая или самоподобная структура в пространстве напоминает гнездящуюся или самоподобную структуру раздваивающихся ветвей деревьев во времени ". Используя компьютерное моделирование и математику фазовых переходов, исследовательская группа смогла продемонстрировать, как возникает фрактальное масштабирование топологии дерева.

«Наша модель имеет небольшое количество компонентов и принимает простую математическую форму, и все же она генерирует степенное масштабирование с правильным показателем, который наблюдается в реальных биологических данных», - объяснил Сюэ. «Просто удивительно видеть, сколько может сделать минимальная модель».

«Мы смогли воспроизвести не только степенное поведение, но и нетривиальный показатель, очень близкий к реальности», - сказал Лю. «Другими словами, моделируемые деревья не только масштабно-инвариантны, но и реалистичны».

В дополнение к описанию фрактальной топологии филогенетических деревьев, модель также учитывала модели эволюционных клад, которые ранее были задокументированы в микробных сообществах профессором биологии растений штата Иллинойс Джеймсом О'Дуайером, экологом, обученным теоретической физике, такой как Голденфельд.

«Было особенно приятно иметь возможность получить некоторое представление о более раннем открытии Джеймса, используя концептуальный инструментарий, полученный из статистической физики», - прокомментировал Голденфельд. «Эта работа иллюстрирует то, как мощные и неожиданные результаты могут быть получены в результате междисциплинарных исследований, кропотливого анализа данных и минимального моделирования».

Наличие нишевой конструкции создает значительный след в эволюционной траектории, который не может быть устранен даже в течение длительного периода времени. Идея о том, что нишевое построение, основанное на гораздо более коротком временном масштабе, возникает как долговременная память в филогенетических деревьях, может удивить некоторых людей. Действительно, Лю добавляет, что эта «масштабная интерференция» также является отличительной чертой фазовых переходов, где расстояние между атомами в магнитном кристалле в масштабе Ангстремов может влиять на свойства материала в масштабе сантиметров.

«Когда я три года назад узнал об идее масштабного вмешательства в уроке физики Найджела о фазовых переходах, я не ожидал ничего из следующего: присоединиться к его группе, применить эту идею и решить биологическую проблему», - сказал Лю. «Теперь я рад, что я не задремал во время этой лекции».


Предыдущая статья
Следущая статья


Вернуться