stringtranslate.com

Коралл жизни

Коралл жизни — это метафора или математическая модель, полезная для иллюстрации эволюции жизни или филогении на различных уровнях разрешения, включая отдельные организмы, популяции, виды и большие таксономические группы. Его использование в биологии решает ряд практических и концептуальных трудностей, связанных с древом жизни .

История концепции

Рисунки кораллов Дарвина из его Блокнота Б.

В биологическом контексте метафора «коралл жизни» почти так же стара, как и «дерево жизни». Вернувшись из кругосветного путешествия, Дарвин предположил в своих записных книжках следующее:

Дерево жизни, возможно, следует назвать кораллом жизни, основание ветвей мертво; чтобы не было видно проходов

-  Чарльз Дарвин [1]

с очевидной ссылкой на ветвящиеся кораллы, чьи мертвые колонии могут образовывать очень толстые отложения в океане ( представляя прошлую жизнь ), а живые животные встречаются только на вершине ( недавняя жизнь ). Этот комментарий был проиллюстрирован двумя простыми диаграммами — первыми коралловыми метафорами эволюции, когда-либо нарисованными в истории биологии. Однако позже Дарвин отказался от своей идеи и в « Происхождении видов» [2] назвал древо жизни наиболее подходящим средством для обобщения сходства живых организмов, скорее всего, благодаря очевидным коннотациям этой метафоры с религией, древними и народное искусство и мифология.

Ранние размышления Дарвина были вновь открыты несколькими авторами более столетия спустя, [3] [4] [5] графические схемы в виде простых эвристик были снова нарисованы в начале этого столетия, [6] а кораллы были подняты до уровня математически определенных объектов даже в последнее время. [7]

Состав

На рисунке справа показаны различные части коралла. Вертикальная ось представляет собой время, горизонтальная ось может представлять собой богатство, морфологическое разнообразие, некоторые другие показатели численности населения или даже произвольно масштабироваться. Каждая точка x на диаграмме соответствует особи, популяции или таксону. В момент времени h происходит эквивалентное разбиение точек на классы C. Класс Cg1 является предком всей ветви над ним, Cr1 — ближайший общий класс-предок двух сегментов. Сегмент S определяется двумя классами, между которыми нет ветвления. Вверху посередине визуализируется горизонтальное событие, такое как гибридизация между представителями разных классов, ведущее к новому сегменту и, следовательно, к веерному кораллу. [7] [8]

Преимущества кораллов как метафоры филогении

Ботанические деревья и (многие) кораллы имеют только одно фундаментальное свойство, а именно ветвление, что делает их подходящими для иллюстрации эволюционного расхождения. Что касается других особенностей, кораллы превосходят деревья как метафоры филогении, потому что: [7]

Преимущества кораллов как математических моделей филогении

Уменьшение масштаба сети/дерева особей до диаграммы кораллов за 4 шага. Дополнительные примеры см. в [9] и [10].

Деревья как теоретические конструкции графов состоят из вершин (узлов), представляющих биологические объекты, и соединительных ребер (ссылок), соответствующих отношениям между объектами. Кораллы, являясь особым случаем ветвящихся силуэтных диаграмм, также могут быть определены математически; это геометрические фигуры, встроенные в двух- или трехмерное пространство, где время является одной осью, а какое-то другое значимое свойство, такое как богатство таксонов, — другой (одной или двумя). Что касается их применимости для представления филогении, кораллы и деревья сравниваются следующим образом:

Когда узлы деревьев и сетей представляют индивидуумов, чтобы графы демонстрировали отношения родитель-потомок для бесполых и половых популяций соответственно, можно уменьшить масштаб, чтобы мелкие детали (узлы и ребра) диаграммы исчезли, а дискретный граф сгладился. в коралл, который, к сожалению, часто называют «деревом».

Визуализация всей жизни на Земле

«Коралл жизни». Пунктирные или пунктирные вертикальные линии показывают такие события, как слияние клеток . Красные отметки взрыва справа обозначают крупные массовые вымирания.

Хотя кораллы могут быть отнесены к любой конкретной таксономической группе, например, «кораллы растений», термин «коралл жизни» конкретно относится ко всей клеточной жизни, за исключением вирусов.

Рисунок справа — первая попытка отобразить коралл жизни. [8]

Коралл и классификация жизни

Определение таксонов по кораллам. Красная ветвь монофилетична, как и коричневая и красная ветви вместе взятые. Темно- и бледно-зеленые сегменты иллюстрируют событие почкования, которое возможно только на уровне вида.

Последняя, ​​но не менее важная особенность коралла жизни заключается в том, что он требует классификации, действительной для прошлой и настоящей жизни, рассматриваемых вместе. Чтобы увидеть, как это возможно, мы можем снова обратиться к Дарвину, который предупреждал, что система рангов Линнея работает только благодаря нашему недостаточному знанию прошлой жизни. Это связано с отсутствием вымерших форм.

и, как следствие, большие пробелы в рядах, что мы можем разделить существующие виды на определяемые группы, такие как роды, семейства и племена.

-  Чарльз Дарвин [11]

Ранее в «Происхождении видов» [ 2] он отмечал, что группы, четко отделимые в настоящее время по многим признакам, имеют гораздо меньше различий для своих древних членов, которые поэтому в прошлом были ближе друг к другу, чем их потомки. в настоящее время. То есть разрывы, наблюдаемые между современными таксонами, парадоксальным образом исчезают, когда мы возвращаемся к предкам, ставя под сомнение значимость линнеевских рангов. В соответствии с этим Дарвин далее предположил, что естественная система классификации

должны быть, насколько это возможно, генеалогическими по своему расположению, т. е. прапотомки одной и той же формы должны содержаться вместе в одной группе, отдельно от прапотомков любой другой формы; но если родительские формы родственны, то же самое будет и с их потомками, и две группы вместе образуют большую группу…

-  Чарльз Дарвин [12]

Систему можно сделать генеалогической, если отказаться от ранговой системы и рассматривать ветви кораллов как таксоны, аналогично кладам, происходящим от древовидных представлений филогении. То есть каждая ветвь коралла представляет собой монофилетическую группу, члены которой происходят из одного и того же класса эквивалентности, так что никакие другие ветви не возникают из этого класса.

Сноски

  1. ^ Дарвин, Чарльз (1837). Тетрадь Б. п. 25.
  2. ^ аб Дарвин, Чарльз (1872). Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение избранных рас в борьбе за жизнь. Лондон: Джон Мюррей. ISBN 978-1-4353-9386-8.
  3. ^ ДеБир, Дж. (1960). «Записки Дарвина о трансмутации видов». Бюллетень Британского музея (Естественная история), Историческая серия . 2 (4731): 23–73. Бибкод : 1960Natur.187S..26.. doi : 10.1038/187026c0 .
  4. ^ Халл, Д.Л. (1985) Дарвинизм как историческая сущность: историографическое предложение В: Кон, Д. (ред.) Дарвиновское наследие, стр: 773–812, Принстон: Princeton University Press.
  5. ^ Бредекамп, Х. (2005). Дарвин Кораллен описывает диаграмму эволюции и традиции природы . Берлин: Клаус Вагенбрух. ISBN 3803151732.
  6. ^ Гогартен, Дж. Питер; Таунсенд, Джеффри П. (2005). «Горизонтальный перенос генов, инновации и эволюция генома». Обзоры природы Микробиология . 3 (9): 679–687. doi : 10.1038/nrmicro1204. ПМИД  16138096.
  7. ^ abc Подани, Янош (2017). «Отлично от деревьев, больше, чем метафоры: ветвящиеся силуэты – кораллы, кактусы и дубы». Систематическая биология . 66 (5): 737–753. дои : 10.1093/sysbio/syx039 . ПМИД  28334310.
  8. ^ Аб Подани, Янош (2019). «Коралл жизни». Эволюционная биология . 46 (2): 123–144. дои : 10.1007/s11692-019-09474-w . hdl : 10831/46308 .
  9. ^ Мэддисон, Уэйн П.; Мэддисон, Дэвид Р. (1992). МакКлейд. Анализ филогении и эволюции признаков . Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. ISBN 0878934901.
  10. ^ Баум, Дэвид А.; Смит, Стэнси Д. (2012). Древовидное мышление: введение в филогенетическую биологию . Гринвуд, Колорадо: ISBN Робертса и Ко. 978-1936221165.
  11. ^ Дарвин, Чарльз (1862). О различных приспособлениях, с помощью которых британские и зарубежные орхидеи оплодотворяются насекомыми, и о хороших результатах скрещивания . Лондон: Джон Мюррей. стр. 330–331.
  12. ^ Дарвин, Чарльз (1871). Происхождение человека и отбор по признаку пола (первое изд.). Лондон: Джон Мюррей. п. 118.