Эволюционные деревья раскрывают паттерны диверсификации микробов
Физический метод крупнозернистого усреднения (coarse-graining) был применён для анализа эволюции микробов. Результаты, опубликованные в PNAS, показывают, что филогенетические деревья микробов имеют паттерны с внезапными всплесками диверсификации.
"Концепция вида сложна для микробов", — отметил Джеймс О'Дуайер, ведущий автор исследования. Поскольку микробы размножаются бесполым путём, экологи часто группируют их в операционные таксономические единицы на основе сходства последовательностей ДНК.
В этой работе последовательности ДНК были отсортированы в новый вид филогенетического дерева, отображающего внезапные всплески диверсификации. Это, вероятно, первый случай, когда принцип coarse-graining из физики и математические модели Λ-коалесценции (Λ-coalescents) использовались для решения вопросов в экологии.
Новый тип филогенетического дерева
Обычные филогенетические деревья бинарны: каждая ветвь делится на две. Метод крупнозернистого усреднения позволяет "отдалить" карту, сжимая множество коротких бинарных ветвей в крупные узлы, которые внезапно разветвляются на множество ветвей, напоминая зубцы вилки.
Результатом является более простое дерево, показывающее вспышки диверсификации во времени. Эти вспышки были обнаружены в деревьях, созданных для 22 микробных сообществ из различных сред: растений, моря, а также кишечника и кожи человека.
"Они предоставляют нам отголосок реальных экологических процессов, таких как адаптивная радиация, когда организм быстро диверсифицируется из-за изменения среды или для заполнения новой ниши", — пояснил О'Дуайер.
Поиск подходящей экологической теории
Авторы попытались описать эти паттерны с помощью спорной нейтральной теории (neutral theory), согласно которой успех видов случаен. Однако деревья, построенные по нейтральной теории, демонстрируют постепенную, а не внезапную диверсификацию. Было обнаружено, что семейство математических моделей Λ-коалесценции лучше описывает уникальные паттерны диверсификации.
Применение и будущая работа
Эти экологические паттерны могут помочь понять диверсификацию вредоносных микробов. Схожие паттерны могут быть найдены и в других частях древа жизни, что поможет понять, когда и как новые виды эволюционируют с течением времени.