我们如何绘制230万个物种的演化图谱?

我们如何绘制230万个物种的演化图谱?
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北卡罗来纳州达勒姆 – 一份涵盖动物、植物、真菌和微生物约230万个已命名物种的“生命之树”初稿已经发布,物种范围从鸭嘴兽到马勃菌。

这一由十一家机构合作完成的成果,描绘了生物之间的亲缘关系,展示了它们随时间推移相互分化的过程,可追溯至35亿多年前地球上生命的起源。

多年来,已有数以万计的较小规模演化树发表,涵盖生命之树的部分分支,其中一些包含多达10万个物种;但这是首次将这些成果合并为一棵涵盖所有生命的单一树图。最终成果是一个可供任何人免费在线使用或编辑的数字资源,类似于演化树领域的“维基百科”。

“这是首次真正尝试将各个线索串联起来、整合在一起,”杜克大学首席研究员Karen Cranston说,“可以把它看作1.0版。”

当前版本的树图及其底层数据和源代码,可在 https://tree.opentreeoflife.org浏览和下载。

该成果也载于9月18日发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的一篇文章。

演化树是一种分支图,外形常像烛台与地铁线路图的结合,其用途远不止于判断土豚与鼹鼠还是海牛的亲缘关系更近,或确定黏菌最近的亲属。了解地球上数百万物种之间的亲缘关系,有助于科学家发现新药、提高作物和牲畜产量,并追溯HIV、埃博拉和流感等传染病的起源与传播。

研究人员并未从零开始构建生命之树,而是汇编了数千个已在线发表的较小树图,并将其合并为一棵庞大的“超级树”,涵盖所有已命名物种。

初稿基于此前已发表研究中的近500棵较小的树。

要将来自不同来源的树图映射到单一超级树的枝干与细枝上,最大的挑战之一是处理每个物种的名称变更、别名、常见拼写错误和缩写。例如,东部红蝠常以两个学名列出,即Lasiurus borealis和Nycteris borealis。针鼹曾与一类海鳗共用同一学名。

“尽管这本身就是一项浩大的工程,但这一生命之树初稿仅代表第一步,”研究人员写道。

首先,已发表的树图中只有极小一部分以数字形式可供获取。

一项对2000年至2012年间发表于100多种期刊的7500多项系统发育研究的调查发现,只有六分之一的研究将其数据存入了研究人员可使用的数字可下载格式。

绝大多数演化树是以PDF和其他图像文件形式发表的,无法录入数据库,也无法与其他树图合并。

“科学家所掌握的关于生物间亲缘关系的认知总和,与实际可用的数字化信息之间,存在相当大的差距,”Cranston说。

因此,树图某些部分所呈现的关系,例如代表豌豆科和向日葵科的分支,并不总是与专家意见一致。

树图的其他部分,尤其是昆虫和微生物,仍然难以捉摸。

这是因为,即便是最受欢迎的原始基因序列在线档案库(许多演化树即据此构建),其中的DNA数据也仅涵盖估计存在于地球上的数千万物种中的不到5%。

“与展示我们已知的亲缘关系同样重要的是,这第一棵生命之树还揭示了我们尚未知晓的内容,”共同作者、佛罗里达大学的Douglas Soltis说。

为填补这些空白,研究团队还在开发一款软件,研究人员可借此登录、更新并修订树图,以纳入仍在被命名或发现的数百万物种的新数据。

“这项工作远未完成,”Cranston说,“如果我们想改进这棵树,分享已发表和新发表研究的数据至关重要。”

“二十五年前,人们曾说这种巨型树图的目标无法实现,”Soltis说,“开放生命之树是一个重要的起点,其他研究者如今可以在未来数十年加以完善和改进。”

本文与 杜克大学合作刊发。刊发本文不意味着世界经济论坛认可其中观点。

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作者:Robin A. Smith任职于杜克大学新闻办公室。

图片:一群大象在Tsavo East National Park行走。路透社/Noor Khamis。

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