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在生物学研究中，传统几何形态计量学手动标记耗时且易有偏差，限制了跨类群比较。研究人员开展无地标形态计量学在宏观进化分析应用的研究，对比了确定性图谱分析（DAA）和传统方法。结果显示 DAA 有潜力但也存在挑战。这为形态计量学研究开辟新方向。
在生物学的广袤天地里，形态的演变一直是科学家们探寻生命奥秘的关键线索。传统的几何形态计量学（geometric morphometrics）就像一位辛勤但有些笨拙的工匠，通过手动标记同源解剖位点来获取二维或三维坐标，进而分析形状变化。但它存在诸多问题，手动操作耗时耗力，不同的 “工匠”（操作人员）可能会产生不同的结果，导致偏差和缺乏重复性。而且，当面对形态差异巨大的不同类群生物时，寻找同源标记点变得异常困难，这就如同在一堆杂乱的拼图中寻找匹配的碎片，极大地限制了研究的范围和深度。随着高分辨率成像技术的发展，大量的三维图像数据涌现，传统方法的局限性愈发凸显，就像老旧的马车难以适应高速公路的节奏，急需一种更高效、更精准的工具来解锁这些数据的价值。
为了解决这些难题，来自英国南安普顿大学国家海洋学中心（School for Ocean & Earth Science, National Oceanography Centre Southampton）和伦敦自然历史博物馆（Department of Life Sciences, Natural History Museum, London）的研究人员 James M. Mulqueeney、Thomas H. G. Ezard 和 Anjali Goswami 开展了一项重要研究。他们将目光投向了新兴的无地标形态计量学方法，特别是基于大变形微分同胚度量映射（Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping，LDDMM）的确定性图谱分析（Deterministic Atlas Analysis，DAA），试图探索其在宏观进化分析中的应用潜力。
研究人员的努力取得了一系列重要成果。在比较 DAA 和传统手动标记方法时，他们发现虽然两种方法在测量形状变化上有显著相关性，但也存在差异。例如，在分析鲸目（Cetacea）和灵长目（Primates）动物时，两种方法得到的结果明显不同。在宏观进化分析方面，所有数据集都显示出显著的系统发育信号（phylogenetic signal），但 DAA 的系统发育信号会随着内核宽度（kernel width）减小（即控制点增多）而降低。在形态差异（morphological disparity）和进化速率（evolutionary rates）的估计上，不同的内核宽度会产生不同的结果，与手动标记方法相比也有差异。不过，研究也表明 DAA 在处理大规模数据集时具有明显的效率优势，这为形态计量学研究注入了新的活力。该研究成果发表在《BMC Ecology and Evolution》上，为相关领域的研究提供了重要的参考。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，他们获取了包含 322 种胎盘哺乳动物的三维网格（.ply meshes）和手动收集的地标及半地标几何形态计量学数据。接着，使用 Procrustes 变换对网格进行标准化处理，消除平移、旋转和缩放的影响。然后，运用 DAA 方法，通过选择不同的初始模板和调整内核宽度进行分析。此外，还利用核主成分分析（kernel principal component analysis，kPCA）将 DAA 产生的非线性数据投影到线性空间以便比较。最后，通过计算欧氏距离（Euclidean distances）、进行 Mantel 检验和 PROcrustean 随机化检验（PROTEST）等多种统计方法，对比手动标记和 DAA 的结果。
下面来详细看看研究结果。在初始模板选择对图谱生成的影响方面，研究测试了多个初始模板，发现虽然结果受其影响较小，但不同模板生成的控制点数量不同。最终选择 Arctictis binturong 作为后续分析的初始模板。在对比仅对齐（Aligned-only）和泊松（Poisson）网格时，发现混合模态（CT 扫描产生的开放表面和表面扫描产生的封闭表面）会影响 DAA 结果，而使用泊松表面重建生成的泊松网格能有效消除这种影响，提高 DAA 与手动标记结果的相关性。在手动标记和无地标方法的比较中，两种方法在捕获形状变化上既有相似之处，也有明显差异。如在鲸目和灵长目动物的分析中，两种方法对其形状变化的捕获方式不同，这主要归因于缩放差异和测量点放置方式的不同。通过热图（heatmaps）比较估计的平均形状时，也发现两种方法在捕获形状变化上存在差异。在对下游宏观进化分析的影响方面，研究发现手动标记方法的系统发育信号最高，DAA 的系统发育信号随内核宽度减小而降低；在形态差异和进化速率的估计上，不同的内核宽度和生态类别会产生不同的结果。
综合研究结论和讨论部分，DAA 等无地标方法为形态计量学分析带来了新的希望。它通过消除手动地标放置的步骤，大大提高了效率，减少了用户偏差，还能实现更高分辨率的形状比较。虽然在系统发育信号和形状空间稳定性方面存在一些问题，但这些并非不可逾越的障碍，反而为进一步改进提供了方向。随着网格分割、自动分割和计算机视觉技术的不断发展，无地标方法将能够更好地处理不完整标本，保留同源性，成为传统方法的有力替代者。这不仅有助于推动形态计量学研究的发展，还能让我们更深入地理解生物形态的进化奥秘，为生命科学领域的研究开辟新的道路，在宏观进化分析等方面发挥重要作用。
