Главная > Разное > Математика в биологии и медицине
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Часть II. ЧАСТНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Глава 7. ЧИСЛОВАЯ ТАКСОНОМИЯ

7.1. ВВЕДЕНИЕ

Большинство биологических исследований связано с открытием новых организмов или описанием новых признаков, анализом различных биохимических и физиологических процессов, изучением поведения отдельных особей, описанием процессов роста и изменения популяции и т. п. Накоплено огромное количество материала — в форме музейных экспонатов или полевых и лабораторных наблюдений. Однако успехи в области использования и классификации этой информации, достигнутые за последние два столетия, относительно невелики.

Одна из основных проблем биологии состоит в том, чтобы, дав название организму, поместить его в соответствующую систематическую группу. Хотя биномиальная номенклатура Линнея, согласно которой каждый организм имеет двойное название — родовое и видовое, — применяется повсеместно, ее нельзя считать достаточной. Она не позволяет обойтись, с одной стороны, без более крупных категорий — семейств, порядков, классов и т. д., а с другой — без разграничения по более тонким различиям, например расовым и подвидовым. К сожалению, ни одна из этих категорий не имеет четко определенной количественной основы. Хотя они, несомненно, имеют известную ценность в качестве условного шифра и позволяют создать определенную систему обозначений, истинно научное значение их сомнительно. Теория таких методов классификации, или таксономия, остается пока чисто интуитивной и является скорее искусством, чем наукой.

В гл. 1 мы говорили о том, что использование математических моделей при анализе биологических явлений позволяет сделать этот анализ более точным. Такие модели могут быть либо чисто статическими, либо динамическими; к первому типу относятся, например, модели пчелиных сотов или модели листорасположения у некоторых деревьев или других растений; ко второму — модели процессов роста популяций или распространения эпидемий.

Эти вопросы довольно подробно освещаются в последующих главах. В настоящей главе мы рассмотрим возможность создания математической основы для всей области таксономии. (Более подробно с этой областью исследований можно познакомиться по книге Сокэла и Снита [59].)

Прежде чем переходить к изложению основных вопросов, дадим вначале определение некоторых фундаментальных терминов, прежде всего таких, как «систематика», «классификация» и «таксономия». В эти термины вкладывают иногда различный смысл, но наиболее распространено следующее их употребление (рекомендованное, например, Симпсоном [58]). Под систематикой подразумевается научное исследование многообразия организмов, включающее не только общее описание этих организмов и их расположение по определенным группам, но и объяснение такого расположения. Сюда входит, например, изучение эволюционных механизмов, приводящих к наблюдаемому многообразию. Согласно этому определению, систематика является очень широким понятием. Под классификацией (в специальном значении этого термина) понимают расположение организмов по группам на основе определенных критериев, например таких, как морфологическое сходство или как общность происхождения. Таксономия определяется как наука о классификации, включающая теорию, правила, методы и приложения. Именно таксономия в таком смысле слова составляет основное содержание настоящей главы. Особенно нас интересуют возможности применения математических методов в этой области.

В разных смыслах применяют также и слово «близость» (relationship). Оно может обозначать близость, обусловленную общим происхождением, или же просто указывать на то или иное сходство по каким-то признакам. Во втором случае часто говорят о «фенетической близости», о которой судят на основании фенотипов, а не на основании предполагаемого филогенеза.

Наконец, таксон — это любая таксономическая группа, получаемая в результате применения определенного метода классификации. Организмы могут быть сгруппированы в один таксон на основании: 1) значительной фенетической близости; 2) наличия признаков, заставляющих предполагать общее происхождение, или 3) действительного родства. Однако обычно информация типа 3 выводится из информации типа 1 или 2, а информация типа 2 может вытекать из информации типа 3. Такого рода порочный круг, т. е. рассуждения, при которых различные критерии не являются полностью независимыми, встречается, к сожалению, слишком часто.

Допустим, что таксон Т определен на основе некоторого комплекса признаков С. Все виды, обладающие комплексом признаков С, включаются в таксон Т, так что все представители таксона Т имеют комплекс признаков С. Тогда каждый вновь рассматриваемый вид будет либо обладать комплексом С, либо не обладать им, хотя в последнем случае он может быть довольно близок к этому комплексу. Фактически сходство видов, лежащих вне комплекса С, с видами таксона Т может быть даже большим, чем сходство некоторых видов этого таксона между собой. Из этого следует, что классификация, основанная на некой ограниченной совокупности признаков, страдает известным формализмом и не дает возможности объективно оценивать положение новых видов.

Создается впечатление, что таксономия пытается принять на себя сразу слишком много различных функций — классификацию, именование, указание сходства и общего происхождения или родства. Можно показать, что практически и теоретически невозможно достигнуть этих целей одновременно. Дело усложняется еще и тем, что в таксономии существуют две четко различимые школы. Сторонники эволюционистской школы считают, что при создании таксонов необходимо прежде всего учитывать филогенетическое происхождение, тогда как старая, эмпирическая школа принимает во внимание только данные, полученные при сравнительном изучении реальных растений или животных. Представители эмпирической школы считают, что таксономия должна стремиться к созданию наилучшей возможной классификации, а исследование филогенеза или механизма эволюции составляет предмет таких специальных дисциплин, как палеонтология или генетика. В то же время представители новой систематики совершенно правильно указывают на то, что многие естественные группы организмов, несомненно, сложились в результате определенных филогенетических процесов.

Эту дискуссию можно продолжать до бесконечности, приводя для иллюстрации множество конкретных биологических примеров. Однако это не входит в нашу задачу. По мнению многих исследователей, особенно сторонников той или иной формы числовой, или нумерической, таксономии, эта путаница возникает вследствие того, что трудно или даже невозможно дать удовлетворительное количественное описание рассматриваемых объектов. Кроме того, часто существует неправильное представление о различии между результатами наблюдений и гипотезой, построенной для их объяснения. В этом плане может оказаться полезным вспомнить общие идеи научного метода, рассмотренного в гл. 3.

Научный процесс в целом — это непрерывная цепь поисков, производимых методом проб и ошибок; он состоит в том, что некоторым исходным фактическим данным дают предварительное объяснение, выдвигая те или иные гипотезы, которые в дальнейшем отвергают или видоизменяют в зависимости от того, насколько правдоподобными они оказываются при сопоставлении с новыми фактическими данными. Какова роль таксономии в этой схеме? Каковы исходные данные? Каковы гипотезы и объяснения? В чем состоит проверка справедливости гипотез? До тех пор пока не будет получен ответ на эти вопросы, данному предмету вряд ли удастся дать достаточно строгое определение и тем самым обеспечить плодотворное его развитие.

С точки зрения научного метода очевидно, что упомянутые выше сторонники той и другой школы просто делают упор на различных аспектах одного и того же общего процесса. С одной стороны, имеется множество биологических данных, основанных на детальном наблюдении реальных организмов. С другой стороны, для объяснения этих фактов существуют различные гипотезы и теории. Эволюция, видообразование, филогенез и т. д. порождают научные гипотезы, которые строятся специально для объяснения имеющихся данных. Но чтобы объяснить эти данные, их необходимо надлежащим образом упорядочить, систематизировать или редуцировать в статистическом смысле (см. разд. 2.1). Если сюда относится построение некоторой системы таксонов, то сами по себе они не имеют самостоятельной ценности, а важны лишь постольку, поскольку с их помощью легче обеспечить общий прогресс научного исследования. При таком подходе можно будет избежать порочного круга, к которому мы приходим, например, когда пытаемся определять таксоны на основе филогенетических соображений, так как эти последние сами являются гипотезами, для проверки которых необходимо обращаться к таксономическим данным. Таким образом, необходимое условие состоит в том, чтобы наши теоретические построения или гипотезы можно было проверить независимо друг от друга.

Допустим, например, что особи определенного вида кузнечиков, собранные на обширной территории, были на основании их фенетических признаков сгруппированы в несколько таксономических групп. Если бы затем оказалось, что эти группы имеют какие-то неожиданные дополнительные признаки, то можно было бы считать, что эти группы действительно имеют значение, а не служат просто удобными ярлыками. Это могло бы иметь место, если бы вдруг обнаружилось, что разные группы имеют совершенно различную плодовитость или ведут себя по-разному в эволюционном отношении при соответствующем воздействии отбора.

Аналогично допустим, что с помощью некоторого таксономического метода создана новая классификация стрептококков, отличная от обычной.

Если бы оказалось, что этим новым группам соответствуют различия в чувствительности стрептококков к определенным антибиотикам и, таким образом, с помощью новой классификации можно довольно точно определить, какой лекарственный препарат лучше всего назначать в каждом конкретном случае стрептококковой инфекции, то такую классификацию, несомненно, можно было бы считать научно обоснованной.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление