Введение

Систематическая ошибка в филогенетике
В филогенетике длинная ветвь притяжения (LBA) — это форма систематической ошибки, при которой далёко родственные линии ошибочно интерпретируются как близко родственные. LBA возникает, когда объём молекулярных или морфологических изменений, накопленных в пределах линии, достаточен для того, чтобы эта линия казалась похожей (и, следовательно, близко родственной) другой линии с длинными ветвями, исключительно из-за того, что обе они претерпели значительные изменения, а не из-за общего происхождения. Такая предвзятость более распространена, когда общая дивергенция некоторых таксонов приводит к образованию длинных ветвей в филогенетическом дереве. Длинные ветви часто оказываются притянутыми к основанию филогенетического дерева, поскольку линия, используемая для представления внешней группы, также часто имеет длинные ветви. Частота истинной LBA остаётся неясной и является предметом дискуссий, и некоторые авторы считают её не поддающейся проверке и, следовательно, не имеющей значения для эмпирического филогенетического вывода. Хотя LBA часто рассматривается как недостаток методов, основанных на принципе экономии признаков, она в принципе может быть результатом различных сценариев и обнаруживаться при использовании различных аналитических подходов.

Причины

LBA впервые была выявлена как проблематичная при анализе дискретных морфологических наборов признаков с использованием критерия экономии, однако методы максимального правдоподобия для последовательностей ДНК или белков также подвержены этой проблеме. Простой гипотетический пример можно найти в работе Фелленштейна (1978), где показано, что для определенных неизвестных "истинных" деревьев некоторые методы могут демонстрировать склонность к объединению длинных ветвей, что в конечном итоге приводит к ошибочному выводу о сестринских отношениях. Часто это связано с конвергентной эволюцией одного или нескольких признаков, включенных в анализ, у нескольких таксонов. Несмотря на независимое происхождение, эти общие признаки могут быть ошибочно интерпретированы как результат общего предка. В филогенетическом и кластерном анализе LBA является следствием принципа работы алгоритмов кластеризации: терминальные узлы или таксоны с большим количеством аутапоморфий (характерные состояния, уникальные для одной ветви) могут случайно демонстрировать те же состояния, что и на другой ветви (гомоплазия). Филогенетический анализ сгруппирует эти таксоны в кладу, если другие синапоморфии не перевесят гомопластические признаки и не позволят объединить истинно сестринские таксоны. Эти проблемы можно минимизировать, используя методы, корректирующие множественные замены в одной и той же позиции, добавляя таксоны, родственные тем, у которых наблюдаются длинные ветви, что добавляет дополнительные истинные синапоморфии в данные, или используя альтернативные, медленнее эволюционирующие признаки (например, более консервативные участки генов).

Результаты

Результатом LBA в эволюционных анализах является то, что быстро эволюционирующие линии могут быть ошибочно отнесены к сестринским таксонам, независимо от их истинного родства. Например, при анализе последовательностей ДНК эта проблема возникает, когда последовательности двух (или более) линий эволюционируют быстро. Существует всего четыре возможных нуклеотида, и при высокой скорости замен ДНК возрастает вероятность того, что две линии приобретут один и тот же нуклеотид в одной и той же позиции. В этом случае филогенетический анализ может ошибочно интерпретировать эту гомоплазию как синапоморфию (то есть, возникшую однажды у общего предка этих линий). Наблюдается и обратный эффект: если две (или более) ветви демонстрируют особенно медленную эволюцию в пределах более широкой, быстро эволюционирующей группы, эти ветви могут быть ошибочно интерпретированы как близкородственные. Таким образом, «притяжение длинных ветвей» можно точнее назвать «притяжением по длине ветвей». Однако, как правило, притяжение проявляется именно у длинных ветвей. Выявление притяжения длинных ветвей подразумевает наличие других данных, указывающих на неточность построенной филогении. Например, разные источники данных (молекулярные и морфологические) или различные методы и схемы разделения признаков могут поддерживать разное положение длинноразветвленных групп. Вспомогательный принцип Хеннига предполагает, что синапоморфии следует рассматривать как фактическое свидетельство группировки, если нет конкретных доказательств обратного (Хенниг, 1966; Шух и Брауэр, 2009). Простой и эффективный метод определения влияния притяжения длинных ветвей на топологию дерева – метод SAW, названный в честь Сиддала и Уайтинга. Если подозревается притяжение длинных ветвей между парой таксонов (A и B), просто удалите таксон A («отсеките» ветвь) и повторите анализ. Затем удалите B и замените его на A, снова запустив анализ. Если один из таксонов появляется в другой точке ветвления в отсутствие другого, это свидетельствует о притяжении длинных ветвей. Поскольку длинные ветви не могут притягивать друг друга, когда в анализе присутствует только одна из них, согласованное положение таксонов при разных подходах указывает на то, что притяжение длинных ветвей не является проблемой.

Пример

Предположим для простоты, что мы рассматриваем один двоичный символ (он может быть либо +, либо –) распределенный на некоренившемся "истинном дереве" с длинами ветвей, пропорциональными количеству изменения состояния символа, показанного на рисунке. Поскольку эволюционное расстояние от B до D мало, мы предполагаем, что в подавляющем большинстве случаев B и D будут иметь одинаковое состояние символа. 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 +, в этом случае все таксоны одинаковы, и все деревья имеют одинаковую длину. A может быть + и C может быть –, в этом случае отличается только один символ, и мы не можем ничего узнать, так как все деревья имеют одинаковую длину. Аналогично, A может быть – и C может быть +. Единственная оставшаяся возможность заключается в том, что A и C оба –. В этом случае, однако, мы рассматриваем либо A и C, либо B и D, как группу по отношению к другой (одно состояние символа является предковым, другое – производным, и предковое состояние не определяет группу). В результате, когда у нас есть "истинное дерево" такого типа, чем больше данных мы собираем (т.е. чем больше символов мы изучаем), тем больше из них будут гомопластичными и поддерживать неправильное дерево. Конечно, когда мы имеем дело с эмпирическими данными в филогенетических исследованиях реальных организмов, мы никогда не знаем топологию истинного дерева, и более экономный (AC) или (BD) вариант вполне может быть правильной гипотезой.