Все более популярные методы, которые определяют границы видов у животных и растений исключительно путем анализа генетических различий, ошибочны и могут привести к завышенным оценкам разнообразия, согласно новому исследованию двух биологов-эволюционистов Мичиганского университета.
Лейси Ноулз и Джит Сукумаран исследовали точность выводов, сделанных с помощью математической модели, широко используемой для быстрого определения границ между видами без трудоемкого и кропотливого процесса сравнения образцов в музейных коллекциях.
Они обнаружили, что генетический подход, официально известный как модель слияния нескольких видов, может привести к оценкам видов, которые в 5-13 раз превышают истинные цифры.
Поскольку вид является фундаментальной единицей для всех эволюционных и экологических исследований, ожидается, что их результаты будут иметь самые разные последствия, от изучения биоразнообразия до планирования сохранения. Их результаты планируется опубликовать в Интернете 30 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Это область, которая действительно получила развитие за последнее десятилетие. На первый взгляд, геномный подход выглядит панацеей, потому что он очень быстрый и не требует каких-либо таксономических знаний», - сказал Ноулз. профессор кафедры экологии и эволюционной биологии UM и куратор насекомых в Музее зоологии университета.
"Таким образом, это продвигалось как способ ускорить инвентаризацию биоразнообразия за счет объединения автоматизации геномики со статистической мощностью этих моделей. Единственная проблема заключается в том, что этот метод не делает то, что мы думаем, что приводит к завышению количества видов."
Исследователи UM говорят, что их документ служит как предупреждением, так и призывом к действию - предостережение против использования только геномных данных и призыв к новым методам улучшения подходов к разграничению видов на основе генома.
На данный момент результаты таких исследований следует рассматривать «в лучшем случае как предварительные гипотезы о видах», которые должны быть подтверждены или отвергнуты путем дополнительного анализа с использованием традиционных таксономических методов, таких как физическое сравнение музейных образцов, по мнению авторов..
Многовидовая коалесцентная модель широко используется для оценки малоизученных популяций в известных биологических очагах. Например, этот подход был применен к изучению ящериц и змей в юго-западных австралийских пустынях, амазонских лягушек, растений саванн в Бразилии и жуков из Анд..
Образцы тканей целевых организмов собираются в полевых условиях - например, подушечки пальцев пустынных ящериц в разных местах - и ДНК из образцов позже секвенируется в лаборатории, выявляя генетические различия между людьми. Затем модель слияния нескольких видов рассматривает генетические различия и пытается провести границы между видами.
«Внезапно показалось, что это волшебная пуля. Вам просто нужно нажать кнопку, и вы получите свой вид», - сказал Сукумаран, научный сотрудник Департамента экологии и эволюционной биологии Университета Мексики. «Но многие люди увлеклись».
Математические модели представляют собой упрощенные представления реальности и всегда включают предположения о том, как устроен мир. Одно из предположений, используемых для упрощения модели слияния нескольких видов, состоит в том, что новые виды формируются мгновенно после того, как популяция растений или животных становится географически изолированной.
В действительности не все изолированные популяции становятся новыми видами, и процесс видообразования предполагает постепенное накопление генетических различий на протяжении десятилетий, тысячелетий или даже миллионов лет.
«Все знают, что видообразование - это не мгновенный процесс. Но до сих пор никто не задавался вопросом, как игнорирование этого факта меняет историю, которую рассказывает нам эта модель», - сказал Сукумаран. «Эта газета размещает выпуски на переднем плане и в центре».
Сукумаран и Ноулз хотели знать, что произойдет, если модель слияния нескольких видов будет применена к ситуациям, в которых видообразование является длительным процессом, а не мгновенным событием.
Они использовали смоделированные генетические данные, чтобы сравнить, как модель справляется с этими двумя сценариями, и обнаружили, что модель завышает количество видов, когда она не учитывает затянувшийся характер видообразования, в среднем в 5-13 раз больше расчетных видов, чем было на самом деле. присутствует в данных.
По словам Сукумарана и Ноулза, завышенные оценки видов происходят из-за того, что модель ошибочно определяет нормальные внутривидовые модели генетической изменчивости, которые биологи называют генетической структурой, в качестве границ видов. В последние десятилетия поток геномных данных, собранных по всему миру от всех типов организмов, раскрывал все более тонкие детали генетической структуры, как будто биологи внезапно получили доступ к новому, более мощному типу микроскопа.
Как ни парадоксально, этот более подробный взгляд на геномы с более высоким разрешением усложнил, а не упростил различение границ между видами, по словам Ноулза и Сукумарана. Во многом это связано с тем, что модель слияния нескольких видов не может отличить генетические различия, обнаруженные среди изолированных популяций животных и растений, от истинных границ видов, заключают они.
«Ирония заключается в том, что чем больше геномных данных мы собираем, тем менее уверены мы в том, где проходят границы видов», - сказал Ноулз. «В будущем нам потребуется как улучшить наши модели, так и вернуться к альтернативным - и, возможно, даже более традиционным - формам данных, чтобы иметь возможность идентифицировать виды в эпоху больших данных».
Работа финансировалась за счет гранта Национального научного фонда. Ноулз и Сукумаран подали заявку на последующий грант от NSF, чтобы найти способы преодолеть проблемы, отмеченные в их статье PNAS.
"Это не неразрешимая проблема", сказал Ноулз. «Эти методы теоретически правильны, но не точны на практике, потому что они не отражают биологическую реальность формирования новых видов. Как только мы это исправим, у нас будет очень мощный инструмент».