评估角色演化模型对基于化石数据进行的系统发育和宏观进化推断的影响

《Palaeontology》：Assessing the impact of character evolution models on phylogenetic and macroevolutionary inferences from fossil data

三叶虫形态进化模型对系统发育和宏观进化推断的影响研究，通过比较离散/连续特征模型在 Cambrian-Ordovician 三叶虫数据集上的贝叶斯拟合度，发现复杂模型（含生态分区和连续特征）显著提升拟合度，但连续特征引入后，树拓扑和速率参数（如灭绝率）差异显著，且树空间分布受模型复杂性影响，提示形态进化建模对宏观推断至关重要。

　　理解形态特征的演化及其系统发育分布是宏演化研究的基础。尽管分子系统学在过去几十年中取得了重大进展和关键见解，但生物体的形态学特征仍然是推断系统发育和研究化石及现存物种中性状演化模式的重要数据来源。在古生物学领域，形态特征通常是唯一可用于重建演化树的信息来源。因此，处理化石数据的系统学家必须决定如何建模形态特征，是否将其编码为连续或分类变量，以及如何应对生物源性演化速率的变化。为了确定不同的形态演化模型对系统发育推断及后续化石数据比较分析的影响，我们比较了一系列日益复杂的形态演化模型配置，应用于寒武纪至奥陶纪的三叶虫数据集，其中包括离散形态特征和连续性状。

模型配置的复杂性差异显著，从简单的恒定速率场景和仅包含离散分类特征的模型，到复杂的演化模型，包括离散和定量特征，并考虑多种速率变化来源。我们通过可视化多维演化树空间中的距离，比较了不同模型配置下的拓扑分布。结果支持速率变化模型和特征分类。然而，连续性状的引入显著改变了宏演化推断。特征模型的复杂性对演化树空间中哪些区域被探索也有重要影响，这表明即使系统学家只关注系统发育关系，也必须谨慎建模形态演化。

研究还指出，不同模型配置对系统发育推断和宏演化分析的影响程度不一。在分析中，我们采用了一种新的方法，通过多维数据集和多种距离度量（如Robinson–Foulds距离、信息论方法和四元组距离）来可视化和分析演化树之间的关系。结果显示，尽管不同模型配置的复杂性不同，但它们对演化树空间的探索和拓扑分布的影响仍然显著。此外，我们还发现，模型的复杂性与演化树的平衡度之间存在相关性，这表明模型的选择对研究结果具有重要影响。

在分析过程中，我们还发现，连续性状的引入显著提高了对演化树空间的探索深度。虽然不同模型配置无法直接比较，但它们对演化树的平衡度和分支长度的影响仍然显著。例如，包含连续性状的模型推断出的演化树显示出较低的平衡度，并且它们的分支长度可能更长。这表明，连续性状的建模对演化树的结构和演化参数的估计具有重要影响。因此，我们建议研究人员在构建系统发育特征矩阵时，应认真考虑如何建模形态演化，并参与模型拟合过程，即使他们的主要研究兴趣是推断特定类群的系统发育关系。

研究的局限性在于，我们仅评估了部分可能的模型配置，而未对所有可能的模型进行全面比较。尽管如此，我们的结果表明，模型配置的选择对演化树的结构和演化参数的估计具有重要影响。我们建议研究人员在选择模型时，应考虑特定的演化假设，并利用新的定量系统发育方法进行分析。同时，我们也认识到，模型的选择可能会影响对系统发育关系的推断，因此必须谨慎对待。

在古生物学领域，形态学特征的建模是系统发育推断的重要环节。不同的建模方法可能会导致不同的系统发育假设和宏演化推断。因此，我们建议研究人员在进行系统发育分析时，应充分考虑形态演化模型的影响，并选择合适的模型配置。此外，我们还发现，连续性状的建模对演化树的结构和演化参数的估计具有重要影响，因此建议研究人员在处理化石数据时，应充分考虑连续性状的建模。

综上所述，形态演化模型的选择对系统发育推断和宏演化分析具有重要影响。我们的研究结果表明，模型配置的复杂性和特征类型的选择（如离散与连续性状）都会影响演化树的结构和参数估计。因此，我们建议研究人员在进行系统发育分析时，应充分考虑形态演化模型的影响，并选择合适的模型配置。此外，我们还发现，连续性状的建模对演化树的结构和演化参数的估计具有重要影响，因此建议研究人员在处理化石数据时，应充分考虑连续性状的建模。