系统生物学家最终能得到完全一致的生命之树吗？

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自达尔文提出生命之树的概念以来, 该领域的研究不仅帮助人们了解了生物的起源和类群间的亲缘关系, 还极大地推动了生命科学相关学科的发展. 然而, 随着生命之树重建中越来越多冲突的发现, 人们对生命之树的可靠性及其在其他学科中的应用产生了质疑.

来自中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室的研究人员近期发表综述，简要介绍了生命之树的概念及其发展历史. 综述了由于(ⅰ) 物种的绝灭和人类认知局限性导致的取样缺乏; (ⅱ) 生物进化过程中存在的杂交/渐渗、不完全谱系分选、基因重复和丢失、基因水平转移等事件; (ⅲ) 建树方法不能真实地模拟生物的进化过程等原因, 不可能获得完全一致的生命之树. 最后, 展望了生命之树广阔的发展和应用前景, 指出尽管现实中很难得到唯一的生命之树, 但这并不影响生命之树强劲的生命力及其与其他学科的交叉整合.

生命之树研究是当前生命科学中的热点领域, 作为学科间交叉的桥梁, 推动了相关领域的整合创新. 正如美国著名进化生物学家David Hillis所指出的那样: “You pick up any biological journal—it doesn’t matter what field it is—and it will have phylogenetic data (当你翻阅一本生物学期刊, 不管它属于哪个领域, 你都会发现其中有系统发育数据).”Dobzhansky也曾指出: “Nothing makes sense in biology except in the light of evolution (不从进化角度出发, 生物学上的任何问题都没有意义).” 现在越来越多的学者也开始接受这样的事实: “Evolutionary biology makes much more sense in the light of phylogeny, the tree of life (如果从生命之树出发, 进化生物学上的问题则更有意义).” 因此, 了解生命之树的概念并构建可靠的系统发育关系不仅是生物分类和命名的基础, 也是阐明类群的起源和扩散以及开多学科交叉整合研究的前提.

然而, 随着越来越多的数据用于生命之树重建, 拓扑结构之间存在冲突的现象也越来越普遍, 人们不可避免地对生命之树的一致性及其在其他学科中的应用产生疑问. 那么, 系统生物学家最终能得到完全一致的生命之树吗? 拓扑结构之间的冲突是否影响生命之树在其他学科中的应用?

文章指出， 成熟的测序技术和计算机处理大数据的能力, 为生命之树重建带来了前所未有的机遇, 使得人类对自然界生物进化关系及其生物遗传变异分子基础的认知空前提高, 但由于物种的绝灭导致进化链环的缺失, 不同基因和基因组有不同的进化历史, 以及建树方法依据不同进化假设等原因, 不同学者对同一个分类群(甚至利用相同的数据集)进行系统关系重建不能获得完全相同的, 即唯一的生命之树.

在系统发育基因组学中, 导致系统发育冲突的原因更为复杂: 不完全谱系分选和杂交/渐渗通常发生在近缘物种间, 而科、目以上水平的冲突常常是基因或基因组多倍化以及基因丢失和重组等进化事件综合作用的结果. 随着分子数据的积累和越来越多冲突机制的发现, 新的建树模型和方法也迅速发展, 这为构建一棵接近真实的物种树带来了曙光. 尽管目前还得不到唯一的生命之树, 但这并不影响生命之树强劲的生命力及其与其他学科的交叉整合. 因为不同学科对生命之树的需求不同, 有些学科旨在得到大概的进化式样, 一定程度的数据缺失或偏差不会左右总体趋势, 而有些学科通过研究不同基因的进化历史以了解基因家族的进化式样和功能. 在未来的几十年内, 生命之树不仅会进一步促进系统与进化生物学的蓬勃发展, 提高人类对自然界的认识水平和对生物多样性的保护意识, 而且将更广泛地渗透到生物学其他领域, 促进生物、医药健康和旅游等产业的发展, 从而改善人们的日常生活.

（生物通）

原文检索：

鲁丽敏, 陈之端, 路安民. 系统生物学家最终能得到完全一致的生命之树吗? 科学通报, 2016, 61: 958–963
Lu L M, Chen Z D, Lu A M. Will there ever be a tree of life that systematists can agree on? (in Chinese) Chin Sci Bull, 2016, 61: 958–963, doi: 10.1360/N972015-01355