En biología, los árboles filogenéticos representan la historia evolutiva y la diversificación de las especies, el "árbol genealógico" de la vida. Los árboles filogenéticos no solo describen la evolución de un grupo de organismos, sino que también pueden construirse a partir de los organismos dentro de un entorno particular oecosistema, como el microbioma humano. De esta manera, pueden describir cómo evolucionó este ecosistema y cuáles podrían ser sus capacidades funcionales.
Ahora, los investigadores han presentado un nuevo análisis de los patrones generados por los árboles filogenéticos, lo que sugiere que reflejan conexiones hipotéticas previamente entre evolución y ecología. El estudio fue dirigido por el profesor de física de Swanlund, Nigel Goldenfeld, quien también dirige el Grupo de Biocomplejidad en elInstituto Carl R. Woese de Biología Genómica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Los otros miembros del equipo fueron el estudiante de posgrado Chi Xue y el ex estudiante de pregrado Zhiru Li, ahora en la Universidad de Stanford. Sus hallazgos fueron publicados en un artículo reciente enla revista Proceedings of the National Academy of Science, titulada "La topología invariante a escala y la ramificación en ráfagas de árboles evolutivos emergen de la construcción de nicho"
El árbol filogenético más familiar de toda la vida en la Tierra usa genes de la maquinaria ribosómica celular esencial para representar especies. Al comparar las diferencias entre las secuencias moleculares de los mismos genes en diferentes organismos, los investigadores pueden deducir qué organismos descendieron de otros.Esta idea condujo al mapeo de la historia evolutiva de la vida en la Tierra y al descubrimiento del tercer dominio de la vida por Carl R. Woese y sus colaboradores en 1977.
Los árboles filogenéticos reales son estructuras ramificadas complejas que reflejan el patrón de especiación a medida que emergen nuevos mutantes de una especie. Las estructuras ramificadas son complejas, pero es posible caracterizarlas en términos de cuán equilibradas están y otras características estadísticas que reflejan la topologíadel árbol. La caracterización más simple es observar cada nodo de ramificación en el árbol: ¿se divide en dos ramas de exactamente la misma longitud o las ramas tienen una longitud desigual? Se dice que la primera está equilibrada mientras que la segunda está desequilibrada.
A pesar de la complejidad de los árboles, existe un patrón matemático consistente en la estructura topológica a lo largo del tiempo evolutivo, uno que es auto similar o de naturaleza fractal. Usando una representación mínima de la evolución, los investigadores mostraron cómo esta estructura fractal refleja la huella indeleblede la interacción entre los procesos ecológicos y evolutivos. Los modelos mínimos de la naturaleza no pretenden ser demasiado realistas, sino que se construyen para capturar los ingredientes más importantes de un proceso de una manera que facilite la simulación y el análisis matemático.
El trabajo de Goldenfeld con frecuencia usa modelos mínimos para explicar aspectos genéricos de fenómenos biológicos y físicos complejos que son insensibles a detalles precisos. Otros aspectos de fenómenos complejos no pueden describirse bien de esta manera, sino patrones físicos como la auto-similitud en el espaciose sabe que se pueden describir utilizando enfoques de modelado mínimos.
"Por lo tanto, parecía razonable intentar este enfoque para describir la auto-similitud en el tiempo también", dijo Goldenfeld.
"Nos pusimos en marcha para estudiar la propiedad topológica del árbol filogenético y terminamos con un 'fruto adicional de explicación" para el carácter especial del árbol ", dijo Xue.
El estudio giraba en torno a un concepto en ecología evolutiva conocido como construcción de nicho, propuesto por primera vez hace unos 40 años. En la construcción de nicho, los organismos modifican su entorno, creando así nuevos nichos ecológicos en el ecosistema y cambiando el entorno. A su vez, estos nuevoslos nichos afectan la trayectoria evolutiva general de los organismos que comparten el medio ambiente. El resultado final es que la evolución y el medio ambiente están estrechamente unidos. La idea de que la evolución no se produce en un entorno ambiental puramente estático es controvertida, a pesar de ser intuitivamente atractiva.Los hallazgos se suman al cuerpo de trabajo existente al identificar los efectos a largo plazo de la construcción de nichos de una manera que pueda ser detectada por la genómica moderna y la construcción de árboles filogenéticos.
En el trabajo reportado aquí, los investigadores simularon organismos y les asociaron un valor de nicho que describía su interacción con su entorno. Esos organismos con un gran valor de nicho contenían una gran cantidad de formas de adaptarse a su entorno y finalmente les condujeron a su supervivenciamientras que aquellos con valores de nicho pequeños eran menos resistentes.
"En nuestro modelo, relacionamos el nicho positivamente con la probabilidad de especiación, en el sentido de que un organismo con un gran nicho probablemente puede diversificarse con éxito", dijo Xue. "Durante la evolución del árbol filogenético, cuando dos nodos hijos emergen de supadre, obtienen sus nichos parcialmente de la herencia y parcialmente de la construcción "
Los investigadores demostraron que las especies que se quedan sin espacio en el nicho ya no pueden ramificarse o especiarse. Matemáticamente, esto se representó como una llamada condición de límite absorbente en el nodo que representa esta especie.
"Es probable que su nodo hermano todavía se diversifique siempre que ese nicho siga siendo positivo, pero los dos nodos hermanos ya no son simétricos y el árbol se desequilibra", explicó Xue. "Demostramos que el límite de absorción es crucial para generar el fractalestructura del árbol y que la construcción de nicho garantiza que algunos nodos alcanzarán el límite ".
Los investigadores utilizaron un modelo simplificado de construcción de nicho y pudieron recapitular la escala fractal en la topología de los árboles. Sus cálculos utilizaron métodos adoptados de un campo completamente diferente de la ciencia: la física de las transiciones de fase. Un ejemplo de transición de fase escuando un material como el hierro se vuelve magnético a medida que baja su temperatura. El magnetismo emerge gradualmente una vez que la temperatura cae por debajo de un valor crítico.
Goldenfeld explicó cómo funciona esta analogía inusual: "Muy cerca de esta temperatura crítica, un imán también es fractal o auto-similar: está estructurado en regiones anidadas de dominios magnéticos y no magnéticos. Esta estructura de anidación o auto-similar enel espacio es una reminiscencia de la estructura de anidación o auto-similar de bifurcar ramas de árboles en el tiempo ". Usando simulaciones por computadora y las matemáticas de las transiciones de fase, el equipo de investigación pudo demostrar cómo emerge la escala fractal de la topología de los árboles.
"Nuestro modelo tiene una pequeña cantidad de componentes y asume una forma matemática simple y, sin embargo, genera la escala de la ley de potencia con el exponente correcto que se observa en los datos biológicos reales", explicó Xue. "Es simplemente increíble ver cuántoun modelo mínimo puede hacer "
"Pudimos reproducir no solo el comportamiento de la ley de poder sino también un exponente no trivial que está muy cerca de la realidad", dijo Liu. "En otras palabras, los árboles simulados no solo son invariantes de escala sino también realistaslejos."
Además de describir la topología fractal de los árboles filogenéticos, el modelo también tuvo en cuenta los patrones de clados evolutivos previamente documentados en comunidades microbianas por el profesor de biología vegetal de Illinois James O'Dwyer, un ecólogo capacitado en física teórica como Goldenfeld.
"Fue especialmente gratificante poder obtener una idea del descubrimiento anterior de James, utilizando un juego de herramientas conceptual que provino de la física estadística", comentó Goldenfeld. "Este trabajo ejemplifica la forma en que los resultados poderosos e inesperados pueden surgir de la transmisión-investigación disciplinaria, minucioso análisis de datos y modelado mínimo "
La presencia de la construcción de nicho crea una huella significativa en la trayectoria evolutiva que no se puede eliminar, incluso a través de escalas de tiempo largas. La idea de que la construcción de nicho, que se basa en una escala de tiempo mucho más corta, surge como un largo plazola memoria en los árboles filogenéticos puede sorprender a algunas personas. De hecho, Liu agrega que esta "interferencia de escala" también es un sello distintivo de las transiciones de fase, donde el espacio entre los átomos en un cristal magnético en la escala de Angstroms puede influir en las propiedades del material en la escala.de centímetros
"Cuando me enteré de la idea de la interferencia de escala en la clase de física de Nigel sobre transiciones de fase hace tres años, no esperaba nada de lo siguiente: unirme a su grupo, aplicar esta idea y resolver un problema biológico", dijo Liu"Ahora me alegro de no haberme quedado dormido durante esa conferencia".
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