Введение
Критерий оптимальности, в котором наиболее короткое дерево, объясняющее данные, считается лучшим. В филогенетике и вычислительной филогенетике метод максимальной парсимонии является критерием оптимальности, при котором филогенетическое дерево, минимизирующее общее число изменений состояний признаков (или минимизирующее стоимость дифференциально взвешенных изменений состояний признаков), считается наилучшим. В соответствии с критерием максимальной парсимонии оптимальное дерево минимизирует количество гомоплазий (то есть конвергентной эволюции, параллельной эволюции и эволюционных реверсий). Иными словами, согласно этому критерию, наилучшим считается самое короткое дерево, которое объясняет данные. Некоторые из основных идей метода максимальной парсимонии были представлены Джеймсом С. Фаррисом в 1970 году и Уолтером М. Фитчем в 1971 году. Максимальная парсимония – это интуитивно понятный и простой критерий, и он популярен по этой причине. Однако, хотя легко оценить филогенетическое дерево (путем подсчета числа изменений состояний признаков), не существует алгоритма для быстрого построения наиболее парсимониального дерева. Вместо этого наиболее парсимониальное дерево необходимо искать в «пространстве деревьев» (то есть среди всех возможных деревьев). Для небольшого числа таксонов (то есть менее девяти) можно провести исчерпывающий поиск, в котором оценивается каждое возможное дерево и выбирается лучшее. Для девяти-двадцати таксонов обычно предпочтительнее использовать метод ветвей и границ, который также гарантирует получение наилучшего дерева. Для большего числа таксонов необходимо проводить эвристический поиск. Поскольку наиболее парсимониальное дерево всегда является самым коротким из возможных, это означает, что по сравнению с гипотетическим «истинным» деревом, которое фактически описывает неизвестную эволюционную историю изучаемых организмов, «лучшее» дерево, полученное с помощью метода максимальной парсимонии, часто недооценивает фактические эволюционные изменения, которые могли произойти. Кроме того, максимальная парсимония не является статистически согласованной. То есть, она не гарантирует получение истинного дерева с высокой вероятностью при наличии достаточного количества данных. Как продемонстрировал Джо Фелсенштейн в 1978 году, максимальная парсимония может быть несогласованной при определенных условиях, таких как эффект притяжения длинных ветвей. Разумеется, любой филогенетический алгоритм также может быть статистически несогласованным, если модель, используемая им для оценки предпочтительного дерева, не точно соответствует тому, как происходила эволюция в данной кладе. Это неизвестно. Поэтому, хотя статистическая согласованность является интересным теоретическим свойством, она выходит за рамки проверяемости и не имеет отношения к эмпирическим филогенетическим исследованиям.
In phylogenetics and computational phylogenetics, maximum parsimony is an optimality criterion under which the phylogenetic tree that minimizes the total number of character state changes (or minimizes the cost of differentially weighted character state changes). Under the maximum parsimony criterion, the optimal tree will minimize the amount of homoplasy (i. e., convergent evolution, parallel evolution, and evolutionary reversals). In other words, under this criterion, the shortest possible tree that explains the data is considered best. Some of the basic ideas behind maximum parsimony were presented by James S. Farris in 1970 and Walter M. Fitch in 1971. Maximum parsimony is an intuitive and simple criterion, and it is popular for this reason. However, although it is easy to score a phylogenetic tree (by counting the number of character state changes), there is no algorithm to quickly generate the most parsimonious tree. Instead, the most parsimonious tree must be sought in "tree space" (i. e., amongst all possible trees). For a small number of taxa (i. e., fewer than nine) it is possible to do an exhaustive search, in which every possible tree is scored, and the best one is selected. For nine to twenty taxa, it will generally be preferable to use branch and bound, which is also guaranteed to return the best tree. For greater numbers of taxa, a heuristic search must be performed. Because the most parsimonious tree is always the shortest possible tree, this means that—in comparison to a hypothetical "true" tree that actually describes the unknown evolutionary history of the organisms under study—the "best" tree according to the maximum parsimony criterion will often underestimate the actual evolutionary change that could have occurred. In addition, maximum parsimony is not statistically consistent. That is, it is not guaranteed to produce the true tree with high probability, given sufficient data. As demonstrated in 1978 by Joe Felsenstein, maximum parsimony can be inconsistent under certain conditions, such as long branch attraction. Of course, any phylogenetic algorithm could also be statistically inconsistent if the model it employs to estimate the preferred tree does not accurately match the way that evolution occurred in that clade. This is unknowable. Therefore, while statistical consistency is an interesting theoretical property, it lies outside the realm of testability, and is irrelevant to empirical phylogenetic studies.
Альтернативная характеристика и обоснование
В филогенетике принцип экономии (или бережливости) чаще всего интерпретируется как предпочтение деревьев, минимизирующих количество необходимых эволюционных изменений (см., например). Альтернативно, филогенетический принцип экономии можно охарактеризовать как предпочтение деревьев, максимизирующих объяснительную силу за счет минимизации числа наблюдаемых сходств, которые нельзя объяснить наследованием и общим происхождением. Минимизация требуемых эволюционных изменений, с одной стороны, и максимизация наблюдаемых сходств, которые можно объяснить как гомологию, с другой стороны, могут приводить к разным предпочтительным деревьям, если некоторые наблюдаемые признаки неприменимы к некоторым группам, включенным в дерево, и последний подход можно рассматривать как более общий. Хотя эволюция сама по себе не является принципиально экономичным процессом, многовековой научный опыт подтверждает вышеупомянутый принцип экономии (бритва Оккама). А именно, предположение о более простой и экономичной последовательности событий предпочтительнее предположения о более сложной и менее экономичной последовательности событий. Следовательно, принцип экономии (в широком смысле) обычно используется при построении филогенетических деревьев и в научном объяснении в целом.
Подробно
Парсимония является частью класса методов оценки деревьев на основе признаков, использующих матрицу дискретных филогенетических признаков и состояний признаков для вывода одного или нескольких оптимальных филогенетических деревьев для набора таксонов, обычно набора видов или репродуктивно изолированных популяций одного вида. Эти методы работают путем оценки кандидатов в филогенетические деревья в соответствии с четким критерием оптимальности; дерево с наиболее благоприятной оценкой принимается за лучшую гипотезу филогенетических взаимосвязей включенных таксонов. Максимальная парсимония используется для большинства видов филогенетических данных; до недавнего времени это был единственный широко используемый метод оценки деревьев на основе признаков, применяемый к морфологическим данным. Вывод филогенез – нетривиальная задача. Существует огромное количество возможных филогенетических деревьев для любого разумно большого набора таксонов; например, всего десять видов дают более двух миллионов возможных не укорененных деревьев. Эти возможности необходимо исследовать, чтобы найти дерево, которое наилучшим образом соответствует данным в соответствии с критерием оптимальности. Однако сами данные не приводят к простому арифметическому решению проблемы. В идеале мы ожидаем, что распределение любых эволюционных признаков (таких как фенотипические черты или аллели) будет непосредственно следовать схеме ветвления эволюции. Таким образом, мы можем сказать, что если два организма обладают общим признаком, они должны быть более тесно связаны друг с другом, чем с третьим организмом, которому этот признак отсутствует (при условии, что этот признак отсутствовал у последнего общего предка всех трех, в этом случае это будет симплезиоморфия). Мы можем предположить, что летучие мыши и обезьяны более тесно связаны друг с другом, чем с слоном, потому что у самцов летучих мышей и обезьян есть наружные семенники, которых нет у слонов. Однако мы не можем сказать, что летучие мыши и обезьяны более тесно связаны друг с другом, чем с китами, хотя у них обоих есть наружные семенники, отсутствующие у китов, потому что мы полагаем, что у самцов последнего общего предка этих трех видов были наружные семенники. Однако явления конвергентной эволюции, параллельной эволюции и эволюционных обращений (вместе называемые гомоплазией) добавляют неприятную сложность в проблему вывода филогенеза. По ряду причин два организма могут обладать признаком, который, как предполагается, отсутствовал у их последнего общего предка: если мы наивно восприняли наличие этого признака как доказательство родства, мы бы сделали вывод о неверном дереве. Эмпирические филогенетические данные могут содержать значительную гомоплазию, причем различные части данных иногда указывают на очень разные взаимосвязи. Методы, используемые для оценки филогенетических деревьев, явно предназначены для разрешения конфликтов в данных путем выбора филогенетического дерева, которое наилучшим образом соответствует всем данным в целом, принимая во внимание, что некоторые данные просто не будут соответствовать. Часто ошибочно полагают, что принцип парсимонии предполагает редкость конвергенции; на самом деле, даже признаки, полученные в результате конвергенции, имеют некоторую ценность в филогенетических анализах, основанных на максимальной парсимонии, и распространенность конвергенции не систематически влияет на результаты методов, основанных на парсимонии. Данные, которые не идеально соответствуют дереву, – это не просто «шум», они могут содержать релевантный филогенетический сигнал в некоторых частях дерева, даже если они противоречат дереву в целом. В примере с китами, приведенном выше, отсутствие наружных семенников у китов является гомопластическим: это отражает возвращение к состоянию, которое, как предполагается, было у древних предков млекопитающих, у которых семенники были внутренними. Это выведенное сходство между китами и древними предками млекопитающих противоречит дереву, которое мы принимаем на основе веса других признаков, поскольку это подразумевает, что млекопитающие с наружными семенниками должны образовывать группу, исключающую китов. Однако среди китов обращение к внутренним семенникам фактически правильно объединяет различные типы китов (включая дельфинов и морских свиней) в группу Cetacea. Тем не менее, определение наиболее подходящего дерева – и, следовательно, данных, которые не соответствуют дереву, – является сложным процессом. Максимальная парсимония – один из методов, разработанных для этого.
Данные о символе
Входные данные, используемые в анализе максимальной экономии признаков, представлены в виде "признаков" для ряда таксонов. Не существует общепринятого определения филогенетического признака, но операционально признак можно рассматривать как атрибут, ось, вдоль которой наблюдается изменчивость таксонов. Эти атрибуты могут быть физическими (морфологическими), молекулярными, генетическими, физиологическими или поведенческими. Кажется, единственное широкое согласие относительно признаков заключается в том, что изменчивость, используемая для анализа признаков, должна отражать наследственную изменчивость. Не до конца решен вопрос о том, должна ли эта наследственность быть прямой, или допустимо ли косвенное наследование (например, приобретенное поведение). Каждый признак разделяется на дискретные состояния признака, в которые классифицируются наблюдаемые вариации. Состояния признаков часто формулируются как дескрипторы, описывающие состояние субстрата признака. Например, признак "цвет глаз" может иметь состояния "голубой" и "коричневый". Признаки могут иметь два или более состояний (они могут иметь только одно, но такие признаки не вносят вклад в анализ максимальной экономии признаков и часто исключаются). Кодирование признаков для филогенетического анализа – не точная наука, и существует множество осложняющих факторов. Обычно таксоны оцениваются одним и тем же состоянием, если они более похожи друг на друга по этому конкретному атрибуту, чем на таксоны, оцененные другим состоянием. Это не всегда просто, когда состояния признаков не четко определены или не охватывают всю возможную изменчивость признака. Как оценить ранее упомянутый признак для таксона (или особи) с ореховым цветом глаз? Или зеленым? Как отмечалось выше, кодирование признаков обычно основано на сходстве: ореховый и зеленый цвет глаз могут быть объединены с голубым, поскольку они более похожи на этот цвет (являясь светлыми), и признак может быть перекодирован как "цвет глаз: светлый; темный". Альтернативно, могут быть многосостоятельные признаки, такие как "цвет глаз: коричневый; ореховый, голубой; зеленый". Неопределенности в определении и оценке состояний признаков могут быть основным источником путаницы, споров и ошибок в филогенетическом анализе с использованием данных о признаках. Обратите внимание, что в приведенном выше примере "глаза: присутствуют; отсутствуют" также является возможным признаком, что создает проблемы, поскольку "цвет глаз" неприменим, если глаз нет. В таких случаях используется "?" ("неизвестно"), хотя иногда используются "X" или " " (последнее обычно в данных о последовательностях), чтобы различать случаи, когда признак не может быть оценен, и случаи, когда состояние просто неизвестно. Современные реализации анализа максимальной экономии признаков обычно обрабатывают неизвестные значения одинаково: причины, по которым данные неизвестны, не оказывают существенного влияния на анализ. По сути, программа рассматривает "?" как состояние, которое требует наименьшего количества дополнительных шагов на дереве (см. ниже), хотя это не является явным шагом в алгоритме. Генетические данные особенно хорошо подходят для филогенетических методов, основанных на признаках, таких как анализ максимальной экономии признаков, поскольку белковые и нуклеотидные последовательности по своей природе дискретны: определенная позиция в нуклеотидной последовательности может быть либо аденином, цитозином, гуанином, либо тимином/урацилом, либо пробелом в последовательности; позиция (остаток) в белковой последовательности будет одной из основных аминокислот или пробелом в последовательности. Таким образом, оценка признаков редко бывает неоднозначной, за исключением случаев, когда методы секвенирования не позволяют однозначно определить определенную позицию последовательности. Пробелы в последовательности иногда рассматриваются как признаки, хотя нет единого мнения о том, как их следует кодировать. Признаки могут рассматриваться как неупорядоченные или упорядоченные. Для бинарного (двухсостоятельного) признака это не имеет большого значения. Для многосостоятельного признака неупорядоченные признаки можно рассматривать как имеющие равную "стоимость" (с точки зрения количества "эволюционных событий") для перехода из любого состояния в любое другое; дополнительно, они не требуют прохождения через промежуточные состояния. Упорядоченные признаки имеют определенную последовательность, в которой состояния должны возникать в ходе эволюции, так что переход между некоторыми состояниями требует прохождения через промежуточное состояние. Это можно рассматривать как разницу в стоимости перехода между различными парами состояний. В примере с цветом глаз выше можно оставить его неупорядоченным, что налагает одинаковую эволюционную "стоимость" на переход от коричневого к голубому, от зеленого к голубому, от зеленого к ореховому и т. д. Альтернативно, можно упорядочить его как коричневый – ореховый – зеленый – голубой; это обычно подразумевает, что переход от коричневого к зеленому будет стоить двух эволюционных событий, от коричневого к голубому – трех, но только одного от коричневого к ореховому. Это также можно рассматривать как необходимость эволюции глаз через "ореховую стадию", чтобы перейти от коричневого к зеленому, и через "зеленую стадию", чтобы перейти от орехового к голубому и т. д. Для многих признаков не очевидно, следует ли их упорядочивать и как. Напротив, для признаков, представляющих дискретизацию лежащей в основе непрерывной переменной, таких как форма, размер и соотношение, упорядочивание логично, и моделирование показало, что это улучшает способность восстанавливать правильные клады, одновременно уменьшая восстановление ошибочных клад. Существует оживленная дискуссия о полезности и уместности упорядочивания признаков, но консенсуса нет. Некоторые специалисты упорядочивают признаки, когда существует четкий логический, онтогенетический или эволюционный переход между состояниями (например, "ноги: короткие; средние; длинные"). Некоторые принимают только некоторые из этих критериев. Некоторые проводят анализ с неупорядоченными признаками и упорядочивают признаки, которые показывают четкий порядок перехода в полученном дереве (что может быть обвинено в круговом рассуждении). Некоторые специалисты отказываются упорядочивать признаки вообще, предполагая, что это предвзято требует, чтобы эволюционные переходы следовали определенному пути. Также возможно применять дифференциальный вес к отдельным признакам. Обычно это делается относительно "стоимости" 1. Таким образом, некоторые признаки могут считаться более вероятными, отражающими истинные эволюционные взаимосвязи между таксонами, и поэтому им может быть присвоен вес 2 или более; изменения в этих признаках будут затем учитываться как два эволюционных "шага", а не один при расчете оценок дерева (см. ниже). В прошлом велось много дискуссий о взвешивании признаков. Большинство специалистов сейчас взвешивают все признаки одинаково, хотя исключения распространены. Например, данные о частоте аллелей иногда объединяются в группы и оцениваются как упорядоченный признак. В этих случаях сам признак часто недооценивается, чтобы небольшие изменения в частоте аллелей учитывались меньше, чем большие изменения в других признаках. Кроме того, третья кодонная позиция в кодирующей нуклеотидной последовательности особенно лабильна и иногда недооценивается или ей присваивается вес 0, исходя из предположения, что она с большей вероятностью демонстрирует гомоплазию. В некоторых случаях проводятся повторные анализы, при которых признаки перевзвешиваются обратно пропорционально степени гомоплазии, обнаруженной в предыдущем анализе (это называется последовательным взвешиванием); это еще одна техника, которая может считаться круговым рассуждением. Изменения состояний признаков также могут быть взвешены индивидуально. Это часто делается для данных нуклеотидных последовательностей; эмпирически установлено, что определенные изменения оснований (A C, A T, G C, G T и обратные изменения) происходят гораздо реже, чем другие (A G, C T и их обратные изменения). Поэтому эти изменения часто взвешиваются больше. Как показано выше в обсуждении упорядочивания признаков, упорядоченные признаки можно рассматривать как форму взвешивания состояний признаков. Некоторые систематики предпочитают исключать признаки, которые, как известно, являются или подозреваются в высокой степени гомоплазии или имеют большое количество неизвестных записей ("?"). Как отмечалось ниже, теоретические и моделирующие работы показали, что это, скорее всего, приведет к потере точности, а не к ее улучшению. То же самое относится и к признакам, которые изменчивы в терминальных таксонах: теоретические, конгруэнтные и моделирующие исследования показали, что такие полиморфные признаки cont...
Отбор проб по таксону
Время, необходимое для анализа максимальной экономии (или любого филогенетического анализа), пропорционально числу таксонов (и признаков), включенных в анализ. Также, поскольку для оценки большего числа таксонов требуется больше ветвей, в крупных анализах следует ожидать большей неопределенности. Поскольку затраты на сбор данных во времени и деньгах часто напрямую зависят от числа включенных таксонов, большинство анализов включают лишь часть таксонов, которые могли бы быть отобраны. Действительно, некоторые авторы утверждают, что четырех таксонов (минимального числа, необходимого для построения осмысленного некорневого дерева) достаточно для точного филогенетического анализа, и что большее число признаков ценнее большего числа таксонов в филогенетике. Это привело к ожесточенным спорам о выборке таксонов. Эмпирические, теоретические и моделирующие исследования продемонстрировали важность адекватной выборки таксонов. Большинство из них можно суммировать простым наблюдением: филогенетическая матрица данных имеет размерность «признаки умножить на таксоны». Удвоение числа таксонов удваивает объем информации в матрице так же уверенно, как и удвоение числа признаков. Каждый таксон представляет собой новую выборку для каждого признака, но, что более важно, он (обычно) представляет собой новую комбинацию состояний признаков. Эти состояния признаков могут не только определить местоположение таксона на дереве, но и предоставить информацию для всего анализа, потенциально приводя к предпочтительным другим взаимосвязям между оставшимися таксонами путем изменения оценок закономерностей изменений признаков. Наиболее тревожным недостатком анализа максимальной экономии, а именно аттракции длинных ветвей (см. ниже), особенно сильно проявляется при плохой выборке таксонов, особенно в случае четырех таксонов. Это хорошо известный случай, когда добавление признаков может не улучшить качество оценки. По мере добавления таксонов они часто разделяют длинные ветви (особенно в случае ископаемых), эффективно улучшая оценку изменений состояний признаков вдоль них. Благодаря богатству информации, добавляемой выборкой таксонов, даже возможно получить высокоточные оценки филогений с сотнями таксонов, используя всего несколько тысяч признаков. Хотя было проведено множество исследований, стратегии выборки таксонов все еще требуют дальнейшей разработки. Благодаря прогрессу в производительности компьютеров, снижению стоимости и повышению автоматизации молекулярного секвенирования, размеры выборок в целом растут, и исследования, посвященные взаимосвязям сотен таксонов (или других терминальных единиц, таких как гены), становятся все более распространенными. Разумеется, это не означает, что добавление признаков бесполезно; их число также увеличивается. Некоторые систематики предпочитают исключать таксоны на основе числа неизвестных значений признаков («?»), которые они демонстрируют, или потому, что они склонны «перескакивать» по дереву в анализах (то есть они являются «дикими картами»). Как отмечено ниже, теоретические и моделирующие работы показали, что это, скорее всего, приведет к потере точности, а не к ее улучшению. Хотя эти таксоны могут генерировать больше наиболее экономичных деревьев (см. ниже), такие методы, как деревья согласия и сокращенный консенсус, все еще могут извлекать информацию об интересующих взаимосвязях. Было замечено, что включение большего числа таксонов, как правило, снижает общие значения поддержки (проценты bootstrap или индексы распада, см. ниже). Причина этого ясна: по мере добавления таксонов к дереву они подразделяют ветви, к которым они прикрепляются, тем самым снижая информативность, поддерживающую эту ветвь. Хотя поддержка отдельных ветвей снижается, поддержка общих взаимосвязей фактически возрастает. Рассмотрим анализ, который дает следующее дерево: (рыба, (ящерица, (кит, (кошка, обезьяна)))). Добавление крысы и моржа, вероятно, снизит поддержку клады (кит, (кошка, обезьяна)), поскольку крыса и морж могут оказаться внутри этой клады или за ее пределами, и поскольку эти пять животных относительно тесно связаны, их взаимосвязи должны быть более неопределенными. В пределах погрешности может быть невозможно определить взаимосвязи между любыми из этих животных. Однако крыса и морж, вероятно, добавят данные о признаках, которые закрепят объединение любых двух из этих млекопитающих, исключая рыбу или ящерицу; там, где первоначальный анализ мог быть введен в заблуждение, например, наличием плавников у рыбы и кита, присутствие моржа с жировым слоем и плавниками, как у кита, но усами, как у кошки и крысы, однозначно связывает кита с млекопитающими. Чтобы справиться с этой проблемой, деревья согласия, сокращенный консенсус и анализ двойного распада стремятся выявить поддерживаемые взаимосвязи (в форме «утверждений о n таксонах», таких как утверждение о четырех таксонах «(рыба, (ящерица, (кошка, кит)))»), а не целые деревья. Если цель анализа — разрешенное дерево, как это имеет место при сравнительной филогенетике, эти методы не могут решить проблему. Однако, если оценка дерева настолько плохо поддерживается, результаты любого анализа, основанного на этом дереве, вероятно, будут слишком сомнительными для использования.
Анализ
Анализ максимальной парсимонии выполняется очень прямолинейно. Деревья оцениваются в соответствии со степенью, в которой они предполагают экономное распределение данных признаков. Наиболее парсимонное дерево для набора данных представляет собой предпочтительную гипотезу об отношениях между таксонами в анализе. Деревья оцениваются (оцениваются) с использованием простого алгоритма для определения количества «шагов» (эволюционных переходов), необходимых для объяснения распределения каждого признака. Шаг, по сути, представляет собой изменение одного состояния признака в другое, хотя для упорядоченных признаков некоторые переходы требуют более одного шага. Вопреки распространенному мнению, алгоритм не назначает конкретные состояния признаков узлам (точкам ветвления) на дереве: наименьшее количество шагов может включать в себя множество равноценных назначений и распределений эволюционных переходов. Оптимизируется общее количество изменений. Существует гораздо больше возможных филогенетических деревьев, чем можно исчерпывающе исследовать для более чем восьми таксонов. Поэтому для поиска среди возможных деревьев используется ряд алгоритмов. Многие из них включают в себя начальное дерево (обычно предпочтительное дерево из последней итерации алгоритма) и его возмущение, чтобы увидеть, приведет ли изменение к более высокому результату. Деревья, полученные в результате поиска по принципу парсимонии, являются не укорененными: они показывают все возможные отношения включенных таксонов, но не содержат информации об относительных временах дивергенции. Пользователь выбирает определенную ветвь для укоренения дерева. Затем эта ветвь считается внешней по отношению ко всем остальным ветвям дерева, которые вместе образуют монофилетическую группу. Это придает дереву ощущение относительного времени. Неправильный выбор корня может привести к неверным отношениям на дереве, даже если само дерево правильно в своей не укорененной форме. Анализ парсимонии часто возвращает несколько одинаково наиболее парсимонных деревьев (MPT). Большое количество MPT часто рассматривается как аналитическая неудача и, как считается, связано с количеством пропущенных значений («?»), признаками, демонстрирующими слишком много гомоплазии, или наличием топологически нестабильных таксонов «диких карт» (которые могут иметь много пропущенных значений). Было предложено множество методов для уменьшения количества MPT, включая удаление признаков или таксонов с большим количеством пропущенных данных перед анализом, удаление или уменьшение веса сильно гомопластичных признаков (последовательное взвешивание) или удаление таксонов «диких карт» (метод филогенетического ствола) a posteriori с последующим повторным анализом данных. Многочисленные теоретические и симуляционные исследования показали, что сильно гомопластичные признаки, признаки и таксоны с большим количеством пропущенных данных и таксоны «дикие карты» вносят вклад в анализ. Хотя исключение признаков или таксонов может показаться улучшающим разрешение, полученное дерево основано на меньшем количестве данных и, следовательно, является менее надежной оценкой филогении (если признаки или таксоны неинформативны, см. безопасное таксономическое сокращение). Сегодняшний общепринятый консенсус заключается в том, что наличие нескольких MPT является допустимым аналитическим результатом; это просто указывает на то, что данных недостаточно для полного разрешения дерева. Во многих случаях в MPT наблюдается существенная общая структура, а различия незначительны и связаны с неопределенностью в размещении нескольких таксонов. Существует ряд методов обобщения отношений в этом наборе, включая консенсусные деревья, которые показывают общие отношения между всеми таксонами, и поддеревья согласия, которые показывают общую структуру путем временного обрезания таксонов «диких карт» из каждого дерева, пока они все не придут к согласию. Уменьшенный консенсус идет еще на один шаг вперед, показывая все поддеревья (и, следовательно, все отношения), поддерживаемые входными деревьями. Даже если возвращается несколько MPT, анализ парсимонии по-прежнему в основном дает точечную оценку, не имея интервалов доверия какого-либо рода. Это часто подвергается критике, поскольку, безусловно, существует погрешность в оценке наиболее парсимонного дерева, и метод не включает в себя никаких средств установления того, насколько чувствительны его выводы к этой погрешности. Для оценки поддержки было использовано несколько методов. Джекнайфинг и бутстрэппинг, хорошо известные статистические процедуры повторной выборки, были использованы с анализом парсимонии. Джекнайф, который включает в себя повторную выборку без возвращения («оставить один»), может быть применен к признакам или таксонам; интерпретация может стать сложной в последнем случае, поскольку переменной, представляющей интерес, является дерево, а сравнение деревьев с разными таксонами не является простым. Бутстрэп, повторная выборка с возвращением (случайная выборка x элементов из выборки размером x, но элементы могут быть выбраны несколько раз), используется только для признаков, поскольку добавление дубликатов таксонов не меняет результат анализа парсимонии. Бутстрэп гораздо чаще используется в филогенетике (как и в других областях); оба метода включают в себя произвольно большое, но большое количество повторных итераций, включающих возмущение исходных данных с последующим анализом. Полученные MPT из каждого анализа объединяются, и результаты обычно представляются в виде консенсусного дерева по правилу 50% большинства, где отдельные ветви (или узлы) помечены процентом MPT бутстрэпа, в которых они появляются. Этот «процент бутстрэпа» (который не является P-значением, как иногда утверждается) используется в качестве меры поддержки. Технически, он должен быть мерой воспроизводимости, вероятностью того, что эта ветвь (узел, клада) будет восстановлена, если таксоны будут повторно отобраны. Экспериментальные тесты с вирусными филогениями показывают, что процент бутстрэпа не является хорошей оценкой воспроизводимости для филогенетики, но является разумной оценкой точности. Фактически, было показано, что процент бутстрэпа, как оценка точности, смещен, и что это смещение в среднем приводит к занижению уверенности (так что даже 70% поддержки могут на самом деле указывать на уверенность до 95%). Однако направление смещения нельзя установить в отдельных случаях, поэтому предположение о том, что высокие значения поддержки бутстрэпа указывают на еще более высокую уверенность, необоснованно. Другим средством оценки поддержки является поддержка Бремера или индекс распада, который является параметром данного набора данных, а не оценкой, основанной на псевдореплицированных подвыборках, как процедуры бутстрэпа и джекнайфа, описанные выше. Поддержка Бремера (также известная как поддержка ветви) — это просто разница в количестве шагов между оценкой MPT и оценкой наиболее парсимонного дерева, которое не содержит определенной клады (узла, ветви). Это можно рассматривать как количество шагов, которые необходимо добавить, чтобы потерять эту кладу; неявно предполагается, что это указывает на то, насколько велика ошибка в оценке оценки MPT, чтобы клада больше не поддерживалась анализом, хотя это не обязательно так. Значения поддержки ветви часто довольно низки для умеренно больших наборов данных (обычным является один или два шага), но часто кажутся пропорциональными процентам бутстрэпа. По мере увеличения матриц данных значения поддержки ветви часто продолжают увеличиваться, в то время как значения бутстрэпа стабилизируются на 100%. Таким образом, для больших матриц данных значения поддержки ветви могут предоставить более информативное средство для сравнения поддержки сильно поддерживаемых ветвей. Однако интерпретация значений распада не является простой, и они, похоже, предпочтительны авторами с философскими возражениями против бутстрэпа (хотя многие морфологические систематики, особенно палеонтологи, сообщают об обоих). Двойной распад — это аналог распада уменьшенного консенсуса, который оценивает индекс распада для всех возможных отношений поддеревьев (заявлений о n таксонах) в дереве.
Проблемы с максимальной экономностью филогенетического вывода
Максимальная бережливость – это эпистемологически простой подход, который делает немного механистических предположений, и популярен по этой причине. Однако при определенных обстоятельствах он может быть статистически несостоятельным. Состоятельность, в данном случае подразумевающая монотонное сближение с правильным ответом при добавлении большего количества данных, является желаемым свойством статистических методов. Как продемонстрировал в 1978 году Джо Фелленштейн, предположим для простоты, что мы рассматриваем один двоичный признак (он может быть либо +, либо –). Поскольку расстояние от B до D мало, в подавляющем большинстве случаев B и D будут одинаковыми. Здесь мы предположим, что они оба +, (+ и – присваиваются произвольно, и их замена – лишь вопрос определения). Если это так, то остаются четыре возможности. A и C могут быть оба +, в этом случае все таксоны одинаковы, и все деревья имеют одинаковую длину. A может быть +, а C может быть –, в этом случае отличается только один признак, и мы не можем ничего узнать, так как все деревья имеют одинаковую длину. Аналогично, A может быть –, а C может быть +. Единственная оставшаяся возможность заключается в том, что A и C оба –. В этом случае, однако, данные указывают на то, что A и C группируются вместе, а B и D вместе. Как следствие, если "истинное дерево" имеет такой тип, чем больше данных мы собираем (т.е. чем больше признаков мы изучаем), тем больше свидетельств будет поддерживать неправильное дерево. Конечно, за исключением математических симуляций, мы никогда не знаем, что такое "истинное дерево". Таким образом, если мы не сможем разработать модель, которая гарантированно точно восстанавливает "истинное дерево", любой другой критерий оптимальности или схема взвешивания также может, в принципе, быть статистически несостоятельным. Суть в том, что, хотя статистическая несостоятельность является интересной теоретической проблемой, эмпирически это чисто метафизический вопрос, выходящий за рамки эмпирической проверки. Любой метод может быть несостоятельным, и нет способа с уверенностью узнать, является ли он таковым или нет. Именно поэтому многие систематики характеризуют свои филогенетические результаты как гипотезы о родстве. Еще одно осложнение, связанное с максимальной бережливостью и другими филогенетическими методами, основанными на критериях оптимальности, заключается в том, что поиск самого короткого дерева является NP-трудной задачей. Единственный в настоящее время доступный эффективный способ получения решения для произвольно большого набора таксонов – это использование эвристических методов, которые не гарантируют восстановления самого короткого дерева. Эти методы используют алгоритмы восхождения на холм, чтобы постепенно приближаться к лучшему дереву. Однако было показано, что могут существовать "острова деревьев" субоптимальных решений, и анализ может застрять в этих локальных оптимумах. Таким образом, требуются сложные, гибкие эвристики, чтобы обеспечить адекватное исследование пространства деревьев. Существует несколько эвристик, включая обмен ближайшими соседями (NNI), пересоединение бисекции дерева (TBR) и "ракеточный" метод бережливости.
Assume for simplicity that we are considering a single binary character (it can either be + or ). Because the distance from B to D is small, in the vast majority of all cases, B and D will be the same. Here, we will assume that they are both + (+ and are assigned arbitrarily and swapping them is only a matter of definition). If this is the case, there are four remaining possibilities. A and C can both be +, in which case all taxa are the same and all the trees have the same length. A can be + and C can be , in which case only one character is different, and we cannot learn anything, as all trees have the same length. Similarly, A can be and C can be +. The only remaining possibility is that A and C are both In this case, however, the evidence suggests that A and C group together, and B and D together. As a consequence, if the "true tree" is a tree of this type, the more data we collect (i. e. the more characters we study), the more the evidence will support the wrong tree. Of course, except in mathematical simulations, we never know what the "true tree" is. Thus, unless we are able to devise a model that is guaranteed to accurately recover the "true tree," any other optimality criterion or weighting scheme could also, in principle, be statistically inconsistent. The bottom line is, that while statistical inconsistency is an interesting theoretical issue, it is empirically a purely metaphysical concern, outside the realm of empirical testing. Any method could be inconsistent, and there is no way to know for certain whether it is, or not. It is for this reason that many systematists characterize their phylogenetic results as hypotheses of relationship. Another complication with maximum parsimony, and other optimality criterion based phylogenetic methods, is that finding the shortest tree is an NP hard problem. The only currently available, efficient way of obtaining a solution, given an arbitrarily large set of taxa, is by using heuristic methods which do not guarantee that the shortest tree will be recovered. These methods employ hill climbing algorithms to progressively approach the best tree. However, it has been shown that there can be "tree islands" of suboptimal solutions, and the analysis can become trapped in these local optima. Thus, complex, flexible heuristics are required to ensure that tree space has been adequately explored. Several heuristics are available, including nearest neighbor interchange (NNI), tree bisection reconnection (TBR), and the parsimony ratchet.
Критика
Утверждается, что серьезной проблемой, особенно для палеонтологии, является принцип максимальной парсимонии, который предполагает, что два вида могут иметь один и тот же нуклеотид в одной и той же позиции только в том случае, если они генетически связаны. Это означает, что филогенетические приложения парсимонии исходят из того, что всякая схожесть является гомологичной (иные интерпретации, например, предположение, что два организма могут быть вообще не связаны, бессмысленны). Это категорически неверно: как и в случае с любой формой оценки филогенетических деревьев на основе признаков, парсимония используется для проверки гомологичности схожестей путем поиска филогенетического дерева, наилучшим образом объясняющего все сходства. Часто утверждается, что парсимония не имеет отношения к филогенетическому выводу, поскольку "эволюция не парсимонична". В большинстве случаев явной альтернативы не предлагается; если альтернативы нет, любой статистический метод предпочтительнее отсутствия такового. Кроме того, неясно, что означало бы утверждение "эволюция парсимонична", если бы оно оказалось верным. Это можно было бы истолковать как то, что в истории произошло больше изменений признаков, чем предсказывается с использованием критерия парсимонии. Поскольку оценка филогенетического дерева по принципу парсимонии реконструирует минимальное количество изменений, необходимых для объяснения дерева, это вполне возможно. Однако, как было показано в ходе симуляционных исследований, тестов с использованием известных in vitro филогенез вирусов и соответствия с другими методами, точность парсимонии в большинстве случаев не снижается из-за этого. Анализ парсимонии использует количество изменений признаков на деревьях для выбора наилучшего дерева, но не требует, чтобы именно столько изменений, и не больше, привело к формированию этого дерева. Пока изменения, которые не были учтены, распределены по дереву случайным образом (что является разумным нулевым ожиданием), результат не должен быть смещенным. На практике метод устойчив: максимальная парсимония демонстрирует минимальное смещение в результате выбора дерева с наименьшим количеством изменений. Можно провести аналогию с выбором подрядчика на основе его первоначальной (необязательной) сметы стоимости работы. Фактическая окончательная стоимость, скорее всего, будет выше, чем смета. Тем не менее, выбор подрядчика, предоставившего самую низкую смету, теоретически должен привести к наименьшей окончательной стоимости проекта. Это связано с тем, что при отсутствии других данных мы предположим, что все соответствующие подрядчики имеют одинаковый риск увеличения затрат. На практике, конечно, недобросовестная деловая практика может исказить этот результат; в филогенетике также некоторые конкретные филогенетические проблемы (например, "притяжение длинных ветвей", описанное выше) потенциально могут исказить результаты. Однако в обоих случаях нет способа определить, будет ли результат смещенным, или степень этого смещения, основываясь только на смете. При использовании парсимонии также нет способа определить, что данные вводят в заблуждение, без сравнения с другими доказательствами. Парсимония часто характеризуется как неявное принятие позиции, что эволюционные изменения редки или что гомоплазия (конвергенция и обращение) минимальна в эволюции. Это не совсем так: парсимония минимизирует количество конвергенций и обращений, предполагаемых предпочтительным деревом, но это может привести к относительно большому количеству таких гомопластических событий. Более уместно было бы сказать, что парсимония предполагает только минимальное количество изменений, подразумеваемое данными. Как и выше, это не требует, чтобы это были единственные произошедшие изменения; она просто не делает выводов об изменениях, для которых нет доказательств. Перефразируя Фарриса, можно сказать, что "парсимония минимизирует предполагаемую гомоплазию, но не предполагает, что гомоплазия минимальна". Недавние симуляционные исследования показывают, что парсимония может быть менее точной, чем деревья, построенные с использованием байесовских подходов для морфологических данных, возможно, из-за излишней точности, хотя это оспаривается. Исследования с использованием новых методов моделирования показали, что различия между методами вывода обусловлены стратегией поиска и методом консенсуса, а не используемой оптимизацией. Кроме того, анализ 38 молекулярных и 86 морфологических эмпирических наборов данных показал, что эволюционные модели, используемые в филогенетике на основе моделей, применимы к большинству молекулярных, но к немногим морфологическим наборам данных. Эта находка подтверждает использование филогенетики на основе моделей для молекулярных данных, но предполагает, что для морфологических данных парсимония остается преимущественной, по крайней мере, до тех пор, пока не будут доступны более сложные модели для фенотипических данных.
Альтернативы
Существует несколько других методов для вывода филогений на основе данных о дискретных признаках, включая метод максимального правдоподобия и байесовский вывод. Каждый из них обладает потенциальными преимуществами и недостатками. На практике эти методы, как правило, отдают предпочтение деревьям, очень похожим на наиболее экономные деревья для того же набора данных; однако они позволяют использовать сложные модели эволюционных процессов, и, будучи статистически согласованными классами методов, не подвержены эффекту привлечения длинных ветвей. Важно отметить, что эффективность методов максимального правдоподобия и байесовского вывода зависит от качества используемой модели эволюции; некорректная модель может привести к смещенным результатам, подобно экономному анализу. Кроме того, они все еще достаточно требовательны к вычислительным ресурсам по сравнению с методами экономного анализа, иногда требуя недель для обработки больших наборов данных. Большинство этих методов имеют как ярых сторонников, так и противников; особенно экономный анализ отстаивается как философски более предпочтительный (в частности, убежденными кладистами). Областью, где экономный анализ по-прежнему играет значительную роль, является анализ морфологических данных, поскольку до недавнего времени стохастические модели изменения признаков были недоступны для немолекулярных данных, и до сих пор не получили широкого распространения. Недавно было показано, что экономный анализ чаще восстанавливает истинное дерево в условиях существенных изменений эволюционных ("модельных") параметров (например, скорости эволюционных изменений) внутри дерева. Матрицы расстояний также могут быть использованы для построения филогенетических деревьев. Непараметрические методы расстояний первоначально применялись к фенотическим данным с использованием матрицы парных расстояний и затем преобразовывались в дерево. Матрица расстояний может быть получена из различных источников, включая иммунологическое расстояние, морфометрический анализ и генетические расстояния. Для филогенетических данных значения расстояний могут быть рассчитаны путем простого подсчета количества различий в состояниях признаков (расстояние Манхэттена) или путем применения модели эволюции. Важно отметить, что методы, основанные на расстояниях, также позволяют использовать данные, которые сложно преобразовать в данные о признаках, например, результаты гибридизации ДНК-ДНК. В настоящее время методы, основанные на расстояниях, часто подвергаются критике, поскольку при преобразовании признаков в расстояния может быть потеряна филогенетически информативная информация. Существует множество методов матриц расстояний и критериев оптимальности, среди которых критерий минимальной эволюции наиболее тесно связан с максимальной экономностью.
Минимальная эволюция
Среди методов расстояний существует критерий филогенетической оценки, известный как минимальная эволюция (МЭ), который, как и максимальная парсимония, стремится найти филогенетическое дерево с наименьшей суммарной длиной ветвей. Тонкое различие между критерием максимальной парсимонии и критерием МЭ заключается в следующем: максимальная парсимония основана на абдуктивной эвристике, то есть на правдоподобности наиболее простой эволюционной гипотезы для таксонов по сравнению с более сложными, в то время как критерий МЭ основан на предположениях Кидда и Сгарамеллы Зонты (подтвержденных Ржецким и Ней через 22 года), утверждающих, что если эволюционные расстояния между таксонами являются несмещенными оценками истинных эволюционных расстояний, то истинное филогенетическое дерево будет короче любой другой альтернативной филогенезы, совместимой с этими расстояниями. Результаты Ржецкого и Нея освободили критерий МЭ от принципа бритвы Оккама и обеспечили ему прочную теоретическую и количественную базу.