Анализ структуры филогенетических деревьев выявляет связь между эволюцией и экологией
Исследователи представили новый анализ паттернов филогенетических деревьев, показывающий, что они отражают гипотетические связи между эволюцией и экологией. Работу возглавил профессор физики Найджел Голденфельд из Университета Иллинойса. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Science.
Метод и модель
- Учёные использовали минималистичную модель для описания самоcходной (фрактальной) структуры деревьев во времени.
- В основе модели лежит концепция нишевого конструирования, где организмы изменяют среду, создавая новые экологические ниши, что, в свою очередь, влияет на эволюцию.
- В модели нишевая ценность организма положительно связана с вероятностью видообразования. Дочерние узлы в дереве наследуют нишу частично от родителя, частично конструируют заново.
- Виды, исчерпавшие нишевое пространство, перестают ветвиться (поглощающее граничное условие), что приводит к асимметрии и несбалансированности дерева.
Ключевые результаты
- Поглощающее граничное условие и процесс нишевого конструирования оказались ключевыми для генерации фрактальной структуры дерева.
- Для анализа использовались методы физики фазовых переходов (по аналогии с возникновением магнетизма). Самоcходная структура магнитных доменов в пространстве близка к самоcходной структуре ветвящегося дерева во времени.
- Минималистичная модель не только воспроизвела степенное (power-law) масштабирование, но и дала реалистичный показатель степени, наблюдаемый в биологических данных.
- Модель также объяснила закономерности в эволюции микробных сообществ, ранее описанные экологом Джеймсом О'Двайером.
Вывод
Исследование демонстрирует, что нишевое конструирование оставляет долговременный "след" в эволюционной траектории, который проявляется в топологии филогенетических деревьев на больших временных масштабах. Эта работа — пример междисциплинарного подхода, сочетающего анализ данных, минималистичное моделирование и методы статистической физики.