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動物生命之樹上的食性進(jìn)化

 菌心說 2021-09-20
(題圖來自:https://www./how-to-what-which/carnivore-herbivore.html,侵刪)
每天早上醒來第一件事就是問自己三個終極問題:
“早上吃什么、中午吃什么、晚上吃什么”

對于雜食性的人類來講,農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展為我們帶來了遠(yuǎn)超祖先豐富度的食物來源。但是其他動物到底會不會也要每天糾結(jié)吃什么,是什么決定了他們的食性,今天給大家介紹一篇關(guān)于這個問題的文獻(xiàn)(個人評論為括號中的小字,下同)。

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作者提出的三個問題是:
(i) 動物食性系統(tǒng)發(fā)育是否保守?
(ii) 動物各門的物種多樣化速率是否受食性影響?
(iii) 所有動物和各大分支的祖先食性是什么?

作者在摘要中就給出了答案:
(i) 肉食最常見(約63%),植食較少見(約32%),雜食最罕見(約3%);無論生態(tài)性狀是否保守,最早期的食性都是極度保守的。
(ii) 食性與多樣化速率無關(guān),與先前研究中顯示的一些重要類群(例如甲殼類、昆蟲和哺乳動物)多樣化速率因植食而增高的結(jié)果不同。
(iii) 所有動物的祖先食性很可能是肉食的,一些主要的門(例如節(jié)肢動物、軟體動物和脊索動物)的祖先也很可能是肉食的。
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原文圖一
看到這里,小朋友們可能會問問題了:
(i) 為什么說第一個出現(xiàn)的動物是應(yīng)該是肉食性動物?
(ii) 在我們的常識里,雜食動物因為“不挑食”,可能會更容易存活,那為什么大自然里雜食性反倒是少數(shù)呢?
(iii)植食性這個衍征是如何產(chǎn)生的?(這個不是小朋友問的

我們先來看一下這篇文章的材料和方法(材料方法基本都在附件里,我們能理解為了文章體量將過于龐雜的M&M放在附件里,本文正文只在前言最后一段給出了方法概要,在方法一段給出了取樣的原則。當(dāng)然,從另一方面看,這篇文章的附件給出了非常詳細(xì)的性狀重建和驗證方法,值得仔細(xì)研讀):

定義:植食(herbivorous)是主要吃自養(yǎng)生物(autotrophs),肉食(carnivorous)是主要吃異養(yǎng)生物(heterotroph),雜食(omnivorous)就是不能確定哪類食物為主的(這可能是結(jié)果中雜食比例較低的原因)。

系統(tǒng)發(fā)育
時間樹來自于Scholl andWiens (2016),原樹共有1,710種,去掉了根據(jù)各類群所含物種數(shù)比例多出來的物種,再去掉沒有食性信息的物種,本文中共分析了1,087種,屬于28個“門級分支(以下簡稱“門”)”。(我覺得應(yīng)該是按物種數(shù)的對數(shù)比例取樣(ref. req.),或是按物種數(shù)劃分等級,再根據(jù)等級比例取樣,文中的取樣策略可能會影響多樣化速率和祖先狀態(tài)重建結(jié)果(ref. req.))。樹的末端不全是種,還有其他分類等級。

食性的系統(tǒng)發(fā)育信號
系統(tǒng)發(fā)育信號的λ值使用RgeigerfitDiscrete功能計算,最適模型基于赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)值選擇,λ值的顯著性由Rphytools1,000次模擬重復(fù)檢驗。同時,使用Rcaper包估算D統(tǒng)計量,并和隨機模型及零模型模擬的D統(tǒng)計量進(jìn)行比較,根據(jù)P值判斷D統(tǒng)計量是否顯著。

食性與多樣化速率
不同食性的多樣化速率使用HiSSEHidden State Speciation and Extinction)的36種模型2種零模型以及BiSSEBinary StateSpeciation and Extinction)計算,有限修正的赤池信息量準(zhǔn)則(AICc)值大于4作為最適模型選擇標(biāo)準(zhǔn)。因為HiSSE只能計算兩種狀態(tài)(實際上可以用multistate HiSSE (MuHiSSE)計算多種狀態(tài)的模型),所以將雜食和食性不確定的類群都轉(zhuǎn)換為植食(maxherb)或肉食(maxcar),并分別計算。另外,作者使用Rcaper中的PGLSphylogenetic generalized least-squares regression)檢驗各門凈多樣化速率和植食物種比例之間的關(guān)系。

食性祖先狀態(tài)重建
作者使用了三種方法重建各個節(jié)點食性的狀態(tài)。一是直接用HiSSE算出來的,似然值的比例大于等于0.87認(rèn)為是強烈支持。二是用RcorHMM包(從名字就能看出來是用了Hidden Markov Model),它比HiSSE支持更多隱藏(性狀)狀態(tài),但不能計算分化和滅絕速率;考慮到多樣化速率對隱藏狀態(tài)貢獻(xiàn)比較大,沒有把corHMM作為主要結(jié)果。三是用BayesTraits里的BayesMultistate方法,這是目前主流用于祖先狀態(tài)重建的軟件,但相對于前兩者,它既不支持多樣化速率計算,也不支持隱藏狀態(tài)。所以最終展示的主要結(jié)果還是HiSSE的。

根據(jù)各門預(yù)期物種數(shù)量估算食性和多樣化速率
為了減少各門中已描述物種比例對結(jié)果的影響,作者驗證了另外兩個物種數(shù)估計數(shù)據(jù)的結(jié)果。目前的物種數(shù)是1,515,954當(dāng)預(yù)期物種數(shù)為最低值20,891,171時,肉食/植食/雜食的比例是0.85/0.14/0.01,當(dāng)預(yù)期物種數(shù)為最高值139,091,171時,肉食/植食/雜食的比例是0.75/0.24/0.01。(這個結(jié)果是否說明:(1)物種數(shù)量通常被低估的類群較大比例為植食,換言之植食性的昆蟲、線蟲和軟體動物待發(fā)現(xiàn)的物種更多?(2)大量的肉食物種因為缺乏分子數(shù)據(jù)或食性數(shù)據(jù)沒有被納入本文分析的范圍,是否帶來偏差?

然后作者還對各個門的數(shù)據(jù)和計算進(jìn)行了各種驗證,使附件達(dá)到了120頁,感興趣的同志可以自行查看。

討論中有兩點值得關(guān)注:
一、從肉食向植食的轉(zhuǎn)變發(fā)生頻率超過相反方向兩倍以上,且相對更晚近,而且一旦變成植食性就很難再變回肉食(也就是更保守)。(這里作者沒有討論植食性轉(zhuǎn)變的時間節(jié)點,從圖上看,大規(guī)模的肉食向植食轉(zhuǎn)變發(fā)生了三次,第一次在5.5億年左右,軟體動物的一支和線蟲;第二次在350 Ma左右,直翅目的一支和半翅目的一支;第三次大概250 Ma300 Ma之間,半翅目的另一支和鱗翅目的冠群。具體為什么發(fā)生大規(guī)模的轉(zhuǎn)變,尤其是在不同分支上植食性的出現(xiàn),我猜可能跟某些植物類群的爆發(fā)相關(guān)。

二、雜食動物可能在宏觀進(jìn)化中是“深淵”(macroevolutionary sink),也就是常說的“死胡同”;在鳥類的研究中已發(fā)現(xiàn)這一趨勢(Burinet al. 2016),這里進(jìn)一步從更高階元得到印證。

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這個期刊2017年創(chuàng)刊,目前還沒有影響因子。是由進(jìn)化研習(xí)會(Society for the Study of Evolution (SSE)和歐洲進(jìn)化生物學(xué)會(European Society for Evolutionary Biology (ESEB)創(chuàng)辦的。 開放獲取,雙月刊,單期發(fā)文量約在8篇,文章類型為通訊和評論與觀點兩種。

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