系统发育树初步剖析

2023-03-12 本文已影响0人数据科学工厂

1. 要点

大多数现代分类系统都是基于生物体之间的进化关系——即生物体的系统发育。基于系统发育的分类系统以反映我们对它们如何从共同祖先进化而来的理解的方式组织物种或其他群体。

在本文中，我们将了解系统发育树，即表示生物体之间进化关系的图表。我们将确切地看到我们可以（或不能！）从系统发育树中推断出什么，以及在这些树的背景下物种或多或少相关意味着什么。

当我们绘制系统发育树时，我们代表了关于一组物种（或其他群体）如何从共同祖先进化而来的最佳假设。正如我们将在关于建树的文章中进一步探索的那样，这个假设是基于我们收集物种集合的信息——比如它们的物理特征和它们基因的 DNA 序列。

在系统发育树中，感兴趣的物种或群体位于被称为树枝的线的顶端。例如，下面的系统发育树表示位于分支末端的五个物种 A、B、C、D 和 E 之间的关系：

树枝连接的模式代表了我们对树中物种如何从一系列共同祖先进化而来的理解。每个分支点 (Branch point)（也称为内部节点）代表一个分歧事件，或将一个组分裂成两个后代组。

在每个分支点处都有从该分支点派生的所有组的最近的共同祖先。例如，在产生物种 A 和 B 的分支点，我们会找到这两个物种最近的共同祖先。在树根正上方的分支点，我们会找到树中所有物种（A、B、C、D、E）最近的共同祖先。

下图显示了树中的每个物种如何将其祖先追溯到根上方分支点的最近共同祖先：

树中的每条水平线代表一系列祖先，一直延伸到其末端的物种。例如，通往物种 E 的线代表该物种的祖先，因为它与树中的其他物种不同。同样，根代表了一系列祖先，直到树中所有物种的最近共同祖先。

在系统发育树中，两个物种的相关性具有特定的含义。如果两个物种有更近的共同祖先，则它们之间的关系更近；如果它们的共同祖先更远，则它们之间的关系更远。

我们可以使用一种非常简单的方法来找到任何一对或一组物种的最近共同祖先。在这种方法中，我们从带有两个感兴趣物种的分支末端开始，然后在树中“向后走”，直到我们找到物种线会聚的点。

例如，假设我们想说是 A 和 B 还是 B 和 C 关系更密切。为此，我们将沿着树中两对物种的线向后移动。由于 A 和 B 在我们向后移动时首先会聚到一个共同的祖先，而 B 只会在其与 A 的交界点之后才与 C 会聚，因此我们可以说 A 和 B 比 B 和 C 更相关。

重要的是，有些物种的相关性我们无法使用这种方法进行比较。例如，我们不能说 A 和 B 是否比 C 和 D 更密切相关。这是因为默认情况下，树的水平轴并不直接表示时间。因此，我们只能比较发生在同一谱系（树根的同一条直线）上的分支事件的时间，而不能比较发生在不同谱系上的分支事件的时间。

您可能会看到以许多不同格式绘制的系统发育树。有些是块状的，就像下面左边的树。其他人使用对角线，例如右下方的树。您可能还会看到任何一种树都是垂直方向或侧翻的，如块状树所示。

上面的三棵树代表了物种 A、B、C、D 和 E 之间的相同关系。您可能想花点时间说服自己，事实确实如此——也就是说，没有分支模式或共同点的最近性两棵树的祖先不同。这些看起来不同的树中的相同信息提醒我们，在树中有意义的是分支模式（而不是分支的长度）。

这些树的另一个关键点是，如果您旋转结构，使用其中一个分支点作为轴心，不会改变关系。因此，就像上面的两棵树一样，尽管它们的格式不同，但它们显示出相同的关系，下面的所有树都显示出四个物种之间的相同关系：

到目前为止，我们看到的所有树都有明确的分支模式，每个分支点只出现两个谱系（血统）。但是，您可能会看到多叉树，这意味着一个分支点具有三个或更多不同的物种。通常，这表明我们没有足够的信息来确定分支。

为了生成系统发育树，经常比较和分析所涉及的物种或其他群体的许多特征。这些特征可以包括外部形态（形状/外观）、内部解剖结构、行为、生化途径、DNA 和蛋白质序列，甚至化石的特征。

为了构建准确、有意义的树，生物学家通常会使用许多不同的特征（减少任何一个不完美的数据片段导致错误树的可能性）。尽管如此，系统发育树仍然是假设，而不是确定的答案。随着新数据可用并可以添加到分析中，树会随着时间的推移进行修订和更新。因为 DNA 测序提高了我们比较物种间关系的能力。