Теперь исследователи представили новый анализ закономерностей, генерируемых филогенетическими деревьями, предполагая, что они отражают ранее предполагавшиеся связи между эволюцией и экологией. Исследование возглавил профессор физики из Свонлунда Найджел Голденфельд, который также возглавляет группу биокомплексов в Carl R. Институт геномной биологии Везе Иллинойского университета 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 of the National Academy of Science, озаглавленной «Масштабно-инвариантная топология и резкое ветвление эволюционных деревьев возникают в результате конструирования ниш."
Самое знакомое филогенетическое древо всей жизни на Земле использует гены важнейших клеточных рибосомных механизмов для представления видов. Сравнивая различия между молекулярными последовательностями одних и тех же генов у разных организмов, исследователи могут сделать вывод, какие организмы произошли от других. Эта идея привела к картированию эволюционной истории жизни на Земле и открытию третьей области жизни Карлом Р. Вёзе и сотрудники в 1977 г.
Настоящие филогенетические деревья представляют собой сложные ветвящиеся структуры, отражающие образец видообразования, когда новые мутанты возникают из вида. Структуры ветвления сложны, но их можно охарактеризовать с точки зрения их сбалансированности и других статистических характеристик, отражающих топологию дерева. Самая простая характеристика – это посмотреть на каждый узел ветвления на дереве: разделен ли он на две ветви одинаковой длины или ветви имеют разную длину? Первый считается сбалансированным, а второй – несбалансированным.
Несмотря на сложность деревьев, существует последовательный математический паттерн в топологической структуре на протяжении эволюционного времени, самоподобный или фрактальный по своей природе. Используя минимальное представление об эволюции, исследователи показали, как эта фрактальная структура отражает неизгладимый отпечаток взаимодействия экологических и эволюционных процессов. Минимальные модели природы не стремятся быть излишне реалистичными, они вместо этого построены так, чтобы уловить наиболее важные составляющие процесса таким образом, чтобы облегчить моделирование и математический анализ.
В работе Голденфельда часто используются минимальные модели для объяснения общих аспектов сложных биологических и физических явлений, которые нечувствительны к точным деталям.
Другие аспекты сложных явлений нельзя хорошо описать таким образом, но известно, что физические закономерности, такие как самоподобие в пространстве, можно описать с использованием минимальных подходов к моделированию.
«Таким образом, казалось разумным попробовать этот подход и для описания самоподобия во времени», – сказал Гольденфельд.
«Мы отправились изучать топологическое свойство филогенетического дерева и в итоге получили дополнительный« плод объяснения »особого характера дерева», – сказал Сюэ.
Исследование вращалось вокруг концепции эволюционной экологии, известной как конструкция ниши, впервые предложенной около 40 лет назад. При конструировании ниш организмы модифицируют свою среду, тем самым создавая 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, является спорной, несмотря на то, что интуитивно привлекательна. Их результаты дополняют существующий объем работы, определяя долгосрочные эффекты строительства ниши способом, который может быть обнаружен современной геномикой и построением филогенетического дерева.
В работе, представленной здесь, исследователи смоделировали организмы и связали с ними нишевую ценность, описывающую их взаимодействие с окружающей средой. Эти организмы с большой ценностью ниши содержали большое количество способов адаптации к окружающей среде и в конечном итоге привели к их выживанию, в то время как организмы с небольшой ценностью ниши были менее устойчивы.
«В нашей модели мы положительно связываем нишу с вероятностью видообразования в том смысле, что организм с большой нишей, вероятно, может успешно диверсифицироваться», – сказал Сюэ. "В ходе эволюции филогенетического дерева, когда два дочерних узла возникают от их родительских узлов, они получают свои ниши частично за счет наследования, а частично за счет строительства."
Исследователи показали, что виды, у которых заканчивается ниша, больше не могут ветвиться или видоизменяться. Математически это было представлено как так называемое поглощающее граничное условие на узле, представляющем этот вид.
«Его сестринский узел, вероятно, все еще диверсифицируется, пока эта ниша остается положительной, но два сестринских узла больше не симметричны, и дерево становится несбалансированным», – объяснил Сюэ. «Мы продемонстрировали, что поглощающая граница имеет решающее значение для создания фрактальной структуры дерева и что конструкция ниши гарантирует, что некоторые узлы достигнут границы."
Исследователи использовали упрощенную модель конструкции ниши и смогли резюмировать фрактальное масштабирование в топологии дерева. В их расчетах использовались методы, заимствованные из совершенно другой области науки: физики фазовых переходов. Пример фазового перехода – когда материал, такой как железо, становится магнитным при понижении его температуры.
Магнетизм появляется постепенно, когда температура падает ниже критического значения.
Гольденфельд объяснил, как работает эта необычная аналогия: «Очень близко к этой критической температуре, магнит также фрактален или самоподобен: он структурирован на вложенные области магнитных и немагнитных доменов. Эта гнездовая или самоподобная структура в пространстве напоминает гнездовую или самоподобную структуру ветвей деревьев во времени.«Используя компьютерное моделирование и математику фазовых переходов, исследовательская группа смогла продемонстрировать, как возникает фрактальное масштабирование древовидной топологии.
«Наша модель состоит из небольшого числа компонентов и принимает простую математическую форму, но, тем не менее, она генерирует степенное масштабирование с правильным показателем степени, которое наблюдается в реальных биологических данных», – пояснил Сюэ. "Просто удивительно видеть, на что способна минимальная модель."
«Мы смогли воспроизвести не только степенное поведение, но и нетривиальную экспоненту, которая очень близка к реальности», – сказал Лю. "Другими словами, смоделированные деревья не только масштабно-инвариантны, но и в некотором смысле реалистичны."
В дополнение к описанию фрактальной топологии филогенетических деревьев, модель также учитывала закономерности эволюционных кладов, которые ранее были зарегистрированы в микробных сообществах профессором биологии растений из Иллинойса Джеймсом О’Дуайером, экологом, получившим теоретическую физику, таким как Голденфельд.
«Было особенно приятно получить некоторое представление о более раннем открытии Джеймса, используя концептуальный инструментарий, взятый из статистической физики», – прокомментировал Гольденфельд. "Эта работа демонстрирует, каким образом мощные и неожиданные результаты могут быть получены в результате междисциплинарных исследований, кропотливого анализа данных и минимального моделирования."
Наличие конструкции ниши создает значительный след на эволюционной траектории, который невозможно устранить даже в длительных временных масштабах. Идея о том, что создание ниши, основанное на гораздо более коротком временном масштабе, возникает как долговременная память в филогенетических деревьях, может удивить некоторых людей.
Действительно, Лю добавляет, что эта «интерференция масштаба» также является отличительной чертой фазовых переходов, когда расстояние между атомами в магнитном кристалле в масштабе Ангстремов может влиять на свойства материала в масштабе сантиметров.
«Когда я узнал об идее масштабной интерференции на уроке физики Найджела по фазовым переходам три года назад, я не ожидал ничего из следующего: присоединение к его группе, применение этой идеи и решение биологической проблемы», – сказал Лю. "Теперь я рад, что не задремал во время той лекции."