系统发育树的模式分析可以揭示进化与生态之间的联系

在生物学中，系统进化树代表着物种的进化历史和多样性。

系统发育树不仅描述了一组生物的进化，而且还可以由特定环境或生态系统（例如人类微生物组）中的生物构建而成。

通过这种方式，他们可以描述这个生态系统演变过程以及它的功能。

现在，研究人员对系统发育树产生的模式进行了新的分析，表明它们反映了以前假设的进化与生态之间的联系。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

地球上所有生命中最熟悉的系统发育树使用细胞核糖体必不可少的机制中的基因来表示物种。

通过比较不同生物上相同基因的分子序列之间的差异，研究人员可以推断出哪些生物是其他生物的后代。

真正的系统进化树是复杂的分支结构，反映了物种形成新突变体时物种形成的模式。

分支结构很复杂，但是可以根据它们的平衡程度和反映树拓扑的其他统计特征来表征它们。

尽管系统进化树很复杂，但在整个进化时间内，拓扑结构仍具有一致的数学模式，即自然相似或分形的模式。

研究人员使用最小限度的进化表示法，展示了这种分形结构如何反映了生态与进化过程之间相互作用的不可磨灭的烙印。

最小自然模型的目的不是要过于现实，而是要以简化仿真和数学分析的方式捕获过程中最重要的成分。

经常使用最少的模型来解释对精确细节不敏感的复杂生物和物理现象的一般方面。

复杂现象的其他方面无法用这种方式很好地描述，但是已知使用最少的建模方法可以描述诸如空间中的自相似性之类的物理模式。

因此，尝试这种方法来及时描述自我相似性似乎也是合理的。

科研人员着手研究系统发育树的拓扑特性，并最终为系统进化树的特殊性提供了额外的解释。

该研究围绕着大约在40年前首次提出的进化生态学概念，即生态位构建。

在生态位建设中，生物会改变其环境，从而在生态系统中创建新的生态位并改变环境。

反过来，这些新的生态位会影响共享环境的生物的整体进化轨迹。

最终结果是进化与环境紧密耦合在一起。

尽管从直觉上讲吸引人，但进化论并不是在纯静态的环境背景下发生的想法是有争议的。

他们的发现通过以现代基因组学和系统进化树构建可以发现的方式确定生态位构建的长期影响，从而增加了现有的工作范围。

在这里报告的工作中，研究人员模拟了生物，并赋予了它们与生态位有关的价值，这些价值描述了它们与环境的相互作用。

那些具有较高生态位价值的生物体具有多种适应环境并最终导致其生存的方法，而那些具有较小生态位价值的生物体的适应力较弱。

在模型中，就生态位而言，生态位与物种形成的可能性呈正相关，因为具有较大生态位的生物很可能成功地进行多样化。

研究人员表明，生态位空间用尽的物种无法再分支或形成物种，在数学上，这表示为代表该物种的节点上的所谓吸收边界条件。

研究人员使用了利基构建的简化模型，并能够概括树形拓扑中的分形缩放比例。

他们的计算使用了从完全不同的科学领域采用相变物理学的方法。

相变的一个例子是当诸如铁之类的材料随着温度降低而变成磁性时，一旦温度降至临界值以下，磁性就会逐渐出现。

非常接近这个临界温度，磁体还是分形的或自相似的：它被构造成磁畴和非磁畴的嵌套区域。

这种在空间中的嵌套或自相似结构是让人联想到分叉的树枝在时间上的嵌套或自相似结构， 使用计算机模拟和相变数学，研究团队能够证明树形拓扑的分形缩放如何出现。

模型只有很少的成分，并且采用简单的数学形式，但是，它会根据实际生物学数据中观察到的正确指数生成幂律定标。

不仅能够再现幂律行为，而且能够再现非常接近现实的非平凡指数。

换句话说，模拟树不仅在比例上不变，而且在某种程度上也很现实。

除了描述系统发育树的分形拓扑外，该模型还考虑了先前在微生物群落中发生的进化枝的模式。