Koral życia
Koral życia jest metaforą lub modelem matematycznym przydatnym do zilustrowania ewolucji życia lub filogenezy na różnych poziomach rozdzielczości, w tym pojedynczych organizmów, populacji, gatunków i dużych grup taksonomicznych. Jego użycie w biologii rozwiązuje kilka praktycznych i koncepcyjnych trudności związanych z drzewem życia .
Historia pojęcia
W kontekście biologicznym „koral życia” jako metafora jest prawie tak stary jak „drzewo życia”. Po powrocie z podróży dookoła świata Darwin zasugerował w swoich notatnikach, że:
Drzewo życia powinno być może nazwane koralem życia, którego podstawa gałęzi jest martwa; tak, że nie widać przejść
— Karola Darwina
z oczywistym odniesieniem do rozgałęziających się koralowców, których martwe kolonie mogą tworzyć bardzo grube osady w oceanie ( reprezentujące przeszłe życie ) z żywymi zwierzętami występującymi tylko na wierzchu ( niedawne życie ). Komentarz ten został zilustrowany dwoma prostymi diagramami, pierwszymi w historii biologii metaforami ewolucji koralowców. Jednak Darwin później porzucił ten pomysł i w O powstawaniu gatunków odniósł się do drzewa życia jako najodpowiedniejszego środka do podsumowania pokrewieństwa żywych organizmów, najprawdopodobniej dzięki oczywistym konotacjom tej metafory z religią, sztuką starożytną i ludową oraz mitologia.
Wczesne rozważania Darwina zostały ponownie odkryte przez kilku autorów ponad sto lat później, schematy graficzne jako proste heurystyki zostały ponownie narysowane na początku tego stulecia, a koralowce zostały podniesione do poziomu obiektów zdefiniowanych matematycznie jeszcze niedawno.
Struktura
Zdjęcie po prawej wyjaśnia różne części korala. Oś pionowa to czas, oś pozioma może być bogactwem, różnorodnością morfologiczną, inną miarą populacji lub nawet dowolną skalą. Każdy punkt x na diagramie odpowiada osobnikowi, populacji lub taksonowi. W punkcie czasu h następuje podział równoważności punktów na klasy C. Klasa Cg1 jest przodkiem całej gałęzi powyżej, Cr1 jest najbliższym wspólnym przodkiem dwóch segmentów. Segment S jest zdefiniowany przez dwie klasy w taki sposób, że nie ma między nimi rozgałęzień. Na górze pośrodku wizualizowane jest zdarzenie poziome, takie jak hybrydyzacja między członkami różnych klas, prowadząca do nowego segmentu, a tym samym do wachlarza koralowców.
Zalety koralowców jako metafory filogenezy
Drzewa botaniczne i (wiele) koralowców łączy tylko jedna podstawowa właściwość, a mianowicie rozgałęzianie się, co czyni je odpowiednimi do zilustrowania rozbieżności ewolucyjnych. Jeśli chodzi o inne cechy, korale są lepsze od drzew jako metafory filogenezy, ponieważ:
- Żywe są tylko najwyższe części korala, podczas gdy wszystkie części drzewa, od najcieńszych korzeni po najwyższe liście, są żywe;
- Koral zaczyna swój rozwój od małej początkowej kolonii, rośnie w górę i rozgałęzia się później, podczas gdy drzewo wyrasta z nasion w dwóch przeciwnych kierunkach, wytwarzając korzenie i koronę, które mogą być równie duże i podobnie złożone w kształcie;
- Średnica drzewa stale maleje od pnia do gałązek, właściwość ta nie ma implikacji filogenetycznych, podczas gdy koralowce mogą być nawet szersze powyżej niż poniżej, co lepiej symbolizuje czasową zmianę bogactwa taksonomicznego lub wielkości populacji;
- Zwykle gałęzie drzew nigdy się nie łączą, podczas gdy gałęzie koralowców mogą wykazywać zespolenia , reprezentując w ten sposób poziome zdarzenia ewolucyjne.
Zalety koralowców jako matematycznych modeli filogenezy
Drzewa jako konstrukty teoretyczne grafów składają się z wierzchołków (węzłów) reprezentujących byty biologiczne i łączących je krawędzi (połączeń) odpowiadających relacjom między bytami. Będąc szczególnym przypadkiem rozgałęzionych diagramów sylwetek, koralowce można również zdefiniować matematycznie; są to kształty geometryczne osadzone w dwu- lub trójwymiarowej przestrzeni z czasem jako jedną osią i inną znaczącą właściwością, taką jak bogactwo taksonów, jako drugą (jedna lub dwie). Jeśli chodzi o ich przydatność do reprezentowania filogenezy, koralowce i drzewa porównują się w następujący sposób:
- Drzewa są narzędziami matematyki dyskretnej i dlatego nie nadają się do demonstrowania kontinuum ewolucyjnego, podczas gdy koralowce jako kształty geometryczne mogą bardzo dobrze służyć temu celowi;
- Drzewa z definicji nie mogą mieć cykli i – w przeciwieństwie do sieci – są nieodpowiednie do odzwierciedlania zdarzeń poziomych, takich jak hybrydyzacja czy endosymbioza, podczas gdy koralowce wachlarzowe umożliwiają łączenie gałęzi;
- Drzewa są wykonalne obliczeniowo i pozostają podstawowymi narzędziami do ujawniania relacji filogenetycznych; koralowce można budować ręcznie na podstawie drzew i dodatkowych informacji z różnych źródeł z systematyki, paleontologii, geologii itp.
- Istnieje duża dowolność w graficznej wizualizacji zarówno drzew, jak i koralowców, chociaż te ostatnie mogą zawierać więcej elementów artystycznych i heurystycznych.
Kiedy węzły drzew i sieci reprezentują osobniki, tak aby wykresy przedstawiały relacje rodzic-potomstwo odpowiednio dla populacji bezpłciowych i płciowych, można pomniejszyć, aby drobne szczegóły (węzły i krawędzie) diagramu zniknęły, a dyskretny wykres jest wygładzony w koralowiec – często nazywany „drzewem”, niestety.
Wizualizacja całości życia na ziemi
Podczas gdy korale mogą być rysowane dla dowolnej określonej grupy taksonomicznej, np. „koralowiec roślin”, termin „koralowiec życia” odnosi się konkretnie do wszystkich organizmów komórkowych, z wyłączeniem wirusów.
Rysunek po prawej to pierwsza próba pokazania żywego koralowca.
Koral i klasyfikacja życia
Ostatnią, ale nie najmniej ważną cechą korala życia jest to, że wymaga on klasyfikacji ważnej dla życia przeszłego i teraźniejszego, rozpatrywanych łącznie. Aby zobaczyć, jak to możliwe, możemy ponownie odwołać się do Darwina, który ostrzegał, że system stopni Linneusza działa tylko dzięki naszej niewystarczającej wiedzy o przeszłym życiu. Wynika to z braku form wymarłych
i do wynikających z tego szerokich luk w serii, że jesteśmy w stanie podzielić istniejące gatunki na definiowalne grupy, takie jak rodzaje, rodziny i plemiona
— Karola Darwina
Wcześniej, w O powstawaniu gatunków , skomentował, że grupy, które można obecnie wyraźnie rozdzielić, oparte na wielu cechach, mają znacznie mniej różnic w stosunku do swoich starożytnych członków, którzy są zatem bliżej siebie w przeszłości niż ich potomkowie w teraźniejszości . Oznacza to, że luki obserwowane między ostatnimi taksonami paradoksalnie znikają, gdy cofamy się do przodków – kwestionując sensowność rang Linneusza. Zgodnie z tym Darwin zasugerował dalej, że naturalny system klasyfikacji
musi być, o ile to możliwe, w układzie genealogicznym, to znaczy współpotomkowie tej samej formy muszą być trzymani razem w jednej grupie, z dala od współpotomków jakiejkolwiek innej formy; ale jeśli formy rodzicielskie są spokrewnione, to samo będą ze sobą spokrewnieni ich potomkowie, a te dwie grupy razem utworzą większą grupę…
— Karola Darwina
System można uczynić genealogicznym, jeśli porzucimy system rang i uznamy gałęzie koralowców za taksony, analogicznie do kladów wywodzących się z reprezentacji drzew filogenezy. Oznacza to, że każda gałąź korala jest monofiletyczną , której członkowie pochodzą z tej samej klasy równoważności, tak że żadne inne gałęzie nie powstają z tej klasy.