演化樹,靠不住?挑戰物種出現與滅絕速率的估算方法

2021-02-08 Nature自然科研

然而,我們知道在估算b和d時會出現困難:因為如果我們手頭只有現存物種的數目(比如6600種鳴禽),那麼任意一對生成相同λ 值的b和d的組合都將會給出同樣的分類單元數-時間曲線,而這樣的組合是有無窮多的。


事實上,對於像在這裡描述的估算b – d的簡單情況,我們可以利用分類單元數-時間曲線的形狀的一個特徵去估計滅絕速率,然後就可以通過減法運算得到物種的形成速率[2]。但是,這種方法需要假設這兩個速率在演化樹的整個時間跨度上都是恆定的,而恰恰相反,它們在系統發育樹的不同演化分支(分類單元)以及時間節點上幾乎肯定是不同的。


這正是Louca和Pennell的切入點:他們研究的創新之處和數學上的精妙之處在於證明了我們是無法估算出這些「隨時間變化」的物種形成及滅絕速率的。兩人引用的早期研究[3]定義了演化樹「確定性」分類單元數-時間曲線的存在:那是一組能完全確定在任何一個時間節點上,樹上的演化分支數目的微分方程(描述變化率的方程)。而Louca和Pennell的主要研究結果是:和確定性分類單元數-時間曲線的情況一樣,隨時間變化的物種形成-滅絕速率也有無窮多對不同的組合,它們在任一時間節點上都能產生相同數目的演化分支。兩人還進一步證明,即便有了對於這兩個速率最接近的估計(通過最大似然法計算),也並不一定能找到正確的模型。這個結論是通過對假想的情形(其中隨時間變化的物種形成-滅絕的真實速率已知)進行分析後得出的。


對於想用這兩個速率來研究演化的人而言,還有更糟糕的消息:在隨時間變化的物種形成-滅絕速率和確定性分類單元數-時間模型一致的情況下,它們可能的不同組合經常會有質的區別。舉例來說,Louca和Pennell分析了大約8萬種種子植物的系統發育情況,發現這兩個速率無論是隨時間同時漸增或遞減,描述該演化樹的能力都是相同的。而在其它情況下(包括速率隨時間大幅度變動的情況),隨時間產生的演化分支的數目與從確定性分類單元數-時間模型得到的結果也是一樣的。


有些演化科學家致力於尋找過去的物種形成與滅絕水平和歷史上的氣候變化或其它環境事件之間的關聯,還有些人想測試物種的哪些特徵(如食性、交配系統或是世代長度)可能被用於預測物種形成與滅絕速率[4],Louca和Pennell的研究結論是會讓他們垂頭喪氣的。兩人發現對物種形成與滅絕速率的估算存在限制,它不會隨著系統發育樹的規模增加而消失。至於演化樹的其它常見特徵也幫不上什麼大忙:比如說,如果某個類群的物種從來沒有經歷過滅絕事件,那麼對其形成速率的估計就很簡單直接了,可這種情況較為罕見,也不太可能事先知道。化石提供了估算滅絕速率所需的證據,因此大量的化石會很有用,然而在大多數的情況下化石都不太夠。我們還可以做一些假設:如這兩個速率如何隨另一方、隨時間或隨物種的數目而發生變化,但這些假設的對象正是我們想要估算的東西本身。


有什麼是我們還可能知道的?在這場認識論的「浩劫」中,通過證明仍有可能對一個被稱作物種形成相對速率(pulled speciation rate,或λp)的參數作出估算,Louca和Pennell給予了我們些許慰藉。這個參數測量的是分類單元數-時間圖的確定性模型的變化率(曲線的斜率)。該相對速率在演化分支之間或是在不同時間節點上都能進行比較。即使它未必能夠提供滅絕物種的信息,也有助於我們理解現存物種的演化過程。


而這一點,即那些已經不復存在的物種,正是Louca和Pennell的研究留給我們的更深一層的教誨。不論是研究物種形成與滅絕,還是試圖重建古老祖先的特徵,所有演化科學家在沒有化石的情況下,都需要注意他們所發現的演化過程是在那些存活下來並最終在當今世界留下後代的物種身上運作的。我們無法確定滅絕物種的情況是什麼樣的。這是「歷史是由勝利者書寫的」的演化版本。這個難題的最大諷刺在於,我們想要去理解的查爾斯·達爾文關於「適者生存」的理論,從本質上來說會把解析它所需的一些關鍵要素給隱藏起來。

相關焦點

  • 已滅絕多年的動物接連出現,難道物種在輪迴?
    2020年的魔幻開局註定了這一年將是不平凡的,山火 洪澇以及蝗蟲的泛濫不僅攪亂了我們人類的生活,還預示著地球似乎開始變得不一樣了,尤其是當科學家發現地球上早已滅絕的生物又重現人間時,世人再次為地球的變化感到震驚。
  • 2019年已滅絕和2020將要滅絕的物種
    有一些物種已經在地球上生存了幾百萬年,但在2019年之前就永遠地消失了。在新的2020年,仍有物種面臨滅絕的危險。已經滅絕的物種2019年12月23日,中國水科院長江水產研究所專家稱,長江又一特有物種「長江白鱘」滅絕——長江白鱘沒能進入2020年。
  • 詞彙乾貨|物種滅絕vs瀕臨滅絕,如何區分?
    譯:北露脊鯨瀕臨滅絕,川普可能是它們最後的希望。周四,該物種被宣布為極度瀕危物種,目前只剩下不到450隻。在這句話中,我們可以學到兩個表示「瀕臨滅絕的」詞彙表達:1. …be on the brink  作形容詞,brink 表示邊緣的意思。
  • 生物學家神技令滅絕百年物種復活,滅絕的斑驢已被復活,恐龍呢?
    碌碌本期介紹:大家有想過如果像恐龍、猛獁象這些已經滅絕的物種被復活了,將會發生什麼樣恐怖的事情呢?雖說物種滅絕從來沒有停止過發生,甚至非政府組織世界自然基金會(WWF)說地球上每年有大約1萬個動物物種滅絕,瀕危動物物種數量也在翻倍。
  • 10大已滅絕物種:霸王龍、斑驢……
    斑驢:半身斑馬,半身馬(自1883年已滅絕)非洲最著名的滅絕動物之一。斑驢是普通斑馬的亞種。曾經一度在南非的開普省和奧蘭治自由邦南部大量出現。人們通過斑驢身上前部僅有的斑紋與其它斑馬區別開來。在它身體的中部,條紋褪色變黑,條紋內部空間變寬,前肢是普通的棕色。它的名字源於科伊科伊文,是個擬聲字,據說和斑驢的叫聲相近。(斑驢:quagga)3.
  • 過去27年,我們可能阻止了28個物種的滅絕
    這 27 年間,仍然有物種在滅絕,包括以上 3 種動物在內的 10 種鳥類和 5 種哺乳類可能永遠消失了,生物多樣性仍面臨嚴重危機。但另一方面,保護瀕危物種的努力並非徒勞——不久前一項研究指出,如果沒有保育措施,鳥類和哺乳類的滅絕速率可能是現在的 2.9~4.2 倍。研究者對最瀕危的 48 種鳥類和 25 種哺乳類進行評估。
  • 從盤古開天地起,到底多少生物滅絕了?
    在一項僅對巴拿馬19棵樹木進行的研究中,發現的1,200種甲蟲物種中有80%是之前科學界未知的……令人驚訝的是,比起到底地球上有多少物種,科學家更了解銀河系中有多少顆恆星。」 -世界資源研究所(WRI)。所以,我們都不知道我們本來就有多少物種,我們又怎麼知道多少滅絕了呢?
  • 盤點近年十大瀕臨滅絕物種 中國白鰭豚居首
    西非黑犀牛曾廣泛分布在非洲中西部的大草原上,但是近年來數量急劇下降,已經被列入極度瀕危物種名單。據悉,這一珍稀物種的成年個體總數量不到50頭,事實上可能已經徹底滅絕。最近一次在喀麥隆北部的一次調查行動中,並沒有發現野生西非黑犀牛的蹤跡,然而令人震驚的是,當地偷獵行動依然非常普遍,即使還有野生西非黑犀牛也難逃偷獵者的捕殺。
  • 聯合國:全球百萬物種正瀕臨滅絕
    ◆記者鄧玥聯合國近日發布的《全球生物多樣性和生態系統服務評估報告》顯示,當前,在全世界800萬個物種中,逾100萬個正瀕臨滅絕。滅絕速度至少比過去1000萬年的平均值高出數十到數百倍。科學家認為,事態緊迫,但只要從現在開始、從全球到地方各層面進行「革命性改變」,依然有機會保護、恢復和可持續利用大自然。
  • 鯊魚躲過多次物種滅絕,如今因為人類,它們將面臨滅絕!
    人類除了對宇宙之外的事情感興趣之外,對大海深處的生物極為感興趣,因為科技有限,大海被蒙上了一層神秘面紗,說起大海大家都會聯想到鯊魚,甚至有很多電影都和鯊魚題材有關,很多人非常害怕鯊魚會攻擊人類等等,然而近幾天科學家發布了一項新數據,或許在未來地球上再也不會出現鯊魚的身影了,為何海洋霸主會消失呢?
  • 「世界最孤獨」青蛙有望脫單 而有些物種,滅絕了
    這不僅給體型微胖的羅密歐以減肥的動力,還讓該物種減緩滅絕,出現一線生機。資料圖:「羅密歐」作為當時最後一隻被人發現的西溫克斯水蛙,獨自待了十年後,終於「脫單」有望。然而,羅密歐只是極少數幸運者。氣候變化、外來物種入侵、病毒蔓延、人類活動……造成物種凋零的原因,是多樣的。2016年10月,秘魯普諾Coata河上出現數百隻的的喀喀湖蛙的屍體。該物種在自然保護聯盟瀕臨滅絕物種危急清單中,屬於極危物種。
  • 世界上到底有多少物種?恐龍及動物的滅絕
    也許有的人想過世界上到底有多少物種,也許有的人會想這根本無法統計。情況到底是怎樣的,我們現在了解一下。關於世界上有多少物種,通過相關人員的統計,只有一個大約的數字,可以供大家參考。根據科學家們的統計,自從地球誕生的那一刻起,地球上出現了數以億計的物種,絕大多數都是由於遭遇了氣候的異常、地震、火山以及洪水等自然災害滅絕了。
  • 進化衰變時鐘影響物種的形成和滅絕
    進化衰變時鐘影響物種的形成和滅絕 作者:小柯機器人 發布時間:2020/12/10 16:44:48 英國埃塞克斯大學Jennifer F. Hoyal Cuthill小組揭示了進化衰變時鐘對物種形成和物種滅絕的影響。
  • 已宣「滅絕的物種」卻頻頻重現!
    已宣「滅絕的物種」卻頻頻重現!大自然是神秘無比,在地球上有許多物種還沒有被人類發現就已經消失了,尤其是此時此刻,地球由於人類的活動正在經歷第6次的物種大滅絕,據科學家推測,每天都有數十個物種在地球上消失,物種的滅絕速度遠超新物種的進化速度。不過近日出現了一個神秘的現象,就是許多曾經一度被認為滅絕的物種再次出現,而且原因不明。
  • 心疼這5個外來物種,來到中國後,都快被國人吃到瀕臨滅絕了!
    很多在國外橫行霸道的物種,來到了我國,都變成了「小綿羊」一般的存在。這5個物種就是如此,它們都已經快被國人吃到瀕臨滅絕了!心疼這5個物種,來到中國後,整日生活在「恐懼」之下。第一個物種:德國大閘蟹這種螃蟹在德國很「兇猛」,它們出行會堵塞交通,居住會挖毀堤壩,弄得德國人苦不堪言。
  • 新研究稱:過去126次物種滅絕原因是外來物種,這次不怪人類
    趣味探索訊 自人類開始研究大自然以來,大自然就不斷地上演物種滅絕事件。來自倫敦大學學院研究人員的最新一項研究顯示,從公元1500年開始,全世界發生物種滅絕次數為953次。不過其中126次滅絕不能歸咎於人類,主要是由於外來物種入侵原因造成的,佔到物種滅絕總數量的13%。
  • 生物界的致命生物,導致三波物種滅絕浪潮,現在依然進行中
    在地球的歷史上,出現過大大小小很多次物種滅絕事件。究其原因,大多都是星體撞擊地球、火山活動、氣候變化、海平面上升或者下降、氧氣含量變化等等諸如此類的原因。但有一個因素往往是被忽略的,那就是人類。當下,因為人類活動所導致的物種滅絕自不必說,就說早在農業革命發生之前的那數萬年,伴隨著智人的遷徙所發生的物種發滅絕就足以讓人錯愕。時至今日,有很多專家學者試圖為人類脫罪,將發生在世界各地的物種滅絕歸因於氣候變化。但如果你想要證明物種滅絕的原因就是氣候變化導致也是非常困難的。
  • 能通過傷口傳染的癌症,差點滅絕了一個物種
    科學家曾經十分擔心這種疾病將使袋獾滅絕,但最近發表的一項新研究帶來了好消息,也為傳染病研究提供了新的思路。 科學家擔心袋獾會因此滅絕,更擔心這種疾病一旦發生跨物種傳播,將危及島上生活的其他許多特色物種,對生態系統造成不可逆轉的破壞。 好消息是,12 月 10 日發表在《科學》(Science)雜誌上的一項研究表明,袋獾面部腫瘤正在從大流行病轉變為地方性流行病,這意味著疾病的傳播速度正在放緩,每隻染病袋獾只會傳染一隻或更少的動物。
  • 北美淡水魚類迅速走向滅絕
    一項最新的研究顯示,北美淡水魚正在以比其他物種更令人驚訝的速度走向滅絕。這種物種流失率超過了陸地物種,研究人員表示,這一滅絕率在1950年之後顯著增加,儘管在過去的10年中滅絕率已經穩定下來,但是自1989年以來滅絕的淡水魚物種數量已經增加了25%。 美國地質調查局的Noel M. Burkhead在發表於《生物科學》9月號上的一篇論文中審視了從19世紀末到2010年間北美淡水魚的滅絕情況。