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分类学的挑战:学科重塑 精选

已有 2316 次阅读 2017-5-2 07:57 |系统分类:论文交流|关键词:分类学;学科交叉;智能化管理;模式标本;网络分类学;虚拟分类学

分类学的挑战

(如果想要继续生存和快速发展,学科必须重塑自己)

H. Charles J. Godfray1

H. Charles J. Godfray is at the NERC Centre for Population Biology, Department of Biological Sciences, Imperial College at Silwood Park, Ascot, Berkshire SL5 7PY, UK.

原文:Challenges for taxonomy.pdf

翻译:中国科学院动物研究所博士后,李晓莉博士

分类学,生物的分类,起源于古希腊,距今已有近250年的历史,林奈建立的双名法沿用至今。但是,他极大的低估了地球上的动植物数量。随后的工作者开始描述越来越多的种类,经常忽视彼此的工作,由此产生的混乱会严重到毁灭整个学科,而这个学科目前正处于起步阶段。利用今天的术语,我们可以称之为第一生物信息学危机,19世纪的分类学家利用有效的工具,采用一种非常巧妙的方式化解了这场危机,从那时起,这种方法一直很好的在这个学科中使用。他们发明了一套复杂的规则,一个种类应该如何命名,并与一个模式标本联系在一起,如何界定属以及更高级的分类阶元,如何解决名称使用上的冲突。所有这些规定都是围绕出版书籍和科学期刊,以及他们的后人遵循的动物学和生物学的系统命名法的现行规范。

但今天分类学被认为面临着新的危机——缺乏威信和资源,缺乏持续的生物多样性记载。在英国,国会特选委员会目前正在进行10年来第二次对该学科的发展问题进行调查,世界各地也正在表达类似的担忧。

在这篇文章中,我将首先探讨为什么描述性分类是困难的(相比之下,它的姊妹学科,系统发育分类学正在蓬勃发展)。其次,这个基本否定的观点之后,我认为,分类学作为21世纪信息科学,只有彻底改变自己才可以再度繁荣。它需要采用一些分子生物学家已经开发的应对第二生物信息学危机的解决方法:例如,大爆炸序列,基因组学,蛋白质组学和其他分子数据。

主要问题:

为什么描述性的分类学不能像人类基因组计划和斯隆数字巡天等大型项目那样吸引大规模的基金?这三个项目都是有条件完成的学科,不是自身产生新的想法或假设检验,但允许对许多新研究领域的开拓。

一个原因是分类学家缺乏既能实现又具有重大意义的明确的目标。当然,他可以最大限度的描述地球上每一个物种,但我们仍然不能确定到底有多少物种(可能400万到1000万种);这个目标在目前不能变为现实。很多项目的研究目标清单,例如,对欧洲所有动物种类或者地球上的蝴蝶种类的有效描述(见表1,本页背面)。这些目标是非常切实可行的,并且非常值得的,但结果是原始数据,就像未加说明的DNA序列:平平无奇,相对自身价值不大,并且非专业。分类学家必须认同交付的项目将在生物和环境科学中得到广泛的支持,以吸引公众兴趣。

另一个问题是系统学已经诞生200多年了,许多分类学家花费其大部分时间试图解读十九世纪昆虫分类学家的工作:解释他们发表文章中的描述性工作不足或模式种很难在世界各大博物馆中找到。一些令人失望的系统研究的出版物就涉及这些问题。一些过去非常活跃的生物类群变为沉重的学科,复杂的同物异名和分散的模式种,阻碍着任何人尝试对分类系统进行修正。Frank Thorsten Krell指出,在对应(nature4159572002),原始描述一直被认为与纸张的质量无关

这些问题并不总是在过去发生。即使在今天,许多物种被单独描述并发表在与分类学不相关的杂志上,没有试图将一个新的分类单元与现有的物种和分类相联系。这些所谓的新物种已经被描述过,所以整理这些混乱问题成为下一代分类学家头痛的事情,如果资助机构认为有些分类学家做分类是为了钱的话就不足为奇了。

作为一名科学家,在这个特定的时期有大量可用的信息,而这些信息通过台式电脑并且基本上是免费的,这是一件多么惊人的事情。我可以下载数百万条基因序列和无数位点的位置。然而,有一些奇妙的例外,网络上提供的分类信息数量少得可怜,而且现在(通常是简单列表)非分类学家很少使用。但可以肯定的是:分类的网站是一个信息丰富的平台,往往需要丰富的插图。目前,许多分类文献都是昂贵的印刷专著,或只存放在一些低流通率的期刊的专业图书馆里。对于研究的资助者来说,这些都不是吸引人的产物

两种分类学模式:

一个生物类群的分类学不能停留在单一的出版物或单一的制度,但相反,该类群文献的累积是不明确的。文献是结合在一起并且交叉引用本身使用分类封装在代码的古老的规则。但这不是组织分类学的唯一方法。特定群体的分类学可以固定在一个地方,由一个组织管理。它可以是独立的并且对于没有其他来源的问题需要参考。

为了解决上述问题我的主要观点是,为了分类学在现在和未来能够蓬勃发展,它必须从第一转换到第二个模式:从一个分布式到一个统一的组织,使这样一个庞大的任务只能是一组一组完成的方法成为可能。我相信接下来会有很多事情发生。首先,唯一的逻辑方法是组织一个整体分类,并把它放在一个广泛可用的网络上。目前使用的网络,如果全部使用只能作为一个分布式打印分类的辅助,但我认为它应该被取代。其次,分类学的核心是对每个物种的描述和区分它们的方法;这个核心已被加入了解决进化关系的作用。我相信分类学需要扩大到包括物种生物学的其他方面,成为信息科学,提供给我们在物种基因组数据库组织中的基因注释的方式以及我们对的特定蛋白质认识的积累。第三,我认为,从目前的分类来看,不同种群的进化的整体分类学的发展是至关重要的。我们必须保持250年的分布式分类的成果,区分过去遗留下来的不好的模式,但要保留好的传统和方法。

为了说明如何做到这一点,我将做一个大体的框架,使一个整体分类学变为可能。我不是一个专业的分类学家,我不抱任何幻想,随之而来的将是最好的甚至是一个可行的模式,但我希望它会提出涉及到的问题。

整体分类学:

以一个正式的分类程序第一个网页修订作为开头。这将是一个重大的生物群的修订,其修订标准由动物命名法委员会,或国际植物学大会,或同等的机构(让我们称它为国际委员会)决定。这个修订将包括每个分类单元的传统描述和模式材料的采集地点。它也可能包括当前不需要的一些形式上描述的材料,例如:检索表、一些亚属、照片或其他插图。对于某些生物的基因序列可能是必须的。它也将包括现有已知的同物异名的处理,以保留与原始文献的联系。这一草案将首先在网络上发表,征求社会各界的意见,然后对反馈进行回复,它将成为整体的分类学群。

这意味着什么?首先,从这个时候起,所有未来的工作需要参考第一个网站修订的物种的界定和后来那些the'nth(即当前)网页的修订。从19世纪的描述和潜在的未被发现的同物异名,种群的分类学从中得到解放。如果我已经发现了一个新的物种,我只需要检查它是否已经在网站上修订。那么,如果我描述一个新物种,然后有人发现之前这个物种已被林奈或者其他人描述过了,我的工作还有意义吗?好吧,这些令人关注的有价值的历史信息可以被添加到该物种的网页,但名称不改变。如果我想重建、区分或添加物种,或修订它们的高级分类阶元呢?然后我提交修改内容发布到裁判和评论网站。如果结果是修改被接受,它被纳入当前(N+第一期)网页修订。在任何时候,只有一个当前的Web修订供人们参考,链接到所有以前的修订(这是保持在网络上,以便在未来,我可以很容易地看到并了解在Y年的X物种)。

这种分类方法和现状之间的主要区别是一个整体分类学需要管理:既是在服务器和网络的实体操作又是在当前网络修订的智能化管理。现行制度的一个优点是,如果没有人对一个分类学的类群感兴趣,它就可以在图书馆里静静地沉睡。

但保存模式标本,标本的分布需要管理,这是目前我们伟大的博物馆开展的以及标本室的工作。几乎所有这些组织都热烈响应现代网络技术。托管Web版本是我看到的一个合乎逻辑的延伸,使其成为部分现代信息仓库。毫无疑问,不管怎样,他们显然需要更多的钱来做这个事情。他们也可能进行智能管理的网络修订——裁断和编辑——尽管他们可能会将这一个更广泛的选区的委员会(相当于一个杂志的编委)。然而,这个工作的标准需要由国际委员会制定和监督,也将确定哪个机构和什么分类学,并防止重复。

优势:

我坚信所描述的是进化而不是革命,因为它保留了现代分类学背负着历史的包袱以及来之不易的成果。随着资源的使用,该群体也将转移到新的单一分类学中。它会设置一系列可实现的目标,用于刺激主要的资金活动例如第一次网络修订的蚊类,爬行动物或植物(我希望自然或科学杂志可能会因为完成了基因组序列而庆祝这些里程碑式的成果。我认为主要的政府和私人研究基金会应该考虑整体分类法的构建与维护,——能够普及到分类的未来工作基础——比目前的分类系统更具吸引力。它也可能吸引新的资金来源。可能是一个大公司作为赞助商赞助网站修订,例如鳞翅目昆虫(蝴蝶和飞蛾);如果它们想把公司的标志放在网站上,为什么不呢?

网络修订将成为信息中心,无论是通过内容还是通过其链接到其他网站。分子数据库的链接将有助于越来越多的分子技术在物种鉴定中发挥作用。已经有令人兴奋的基于网络的系统发育项目(见框1最终目标是建立一个所有生物的系统发育;一个将建立在这些网络的相互联系之上。今天,参考一篇物种的科学论文通常只给出权威的学名,但很少涉及已鉴定为基础的分类修订。随着越来越多的期刊电子化,提到一个物种可以更多更容易被链接到它的位置进行当前网络修订。当物种的状态改变时,链接会带你去现在网页的修订并且指出当前已修改为哪个分类单元。这些链接也可以用来产生急需的、公平的引用计数的分类。最后,随着越来越多的科学文献可在网络上查阅,比如JSTORwww.jstor.org),可以想象物种描述和重要的早期论文的分类学和生物学之间的联系,再次保持与分布式分类学的良好的联系。

对于非专业人士来说,许多分类工作是非常困难的,有时在区分许多物种时遇到困难,但更多的原因是由于专业术语和缺乏插图以及昆虫分类学家需要自己承担出版费用。较之纸质出版物,网络的限制更少,并且能够提供所需的空间而被分类学家所接受。生态学家们对其最终用户的分类往往不够重视,生态环境保护者,害虫管理者和业余爱好者谁都会需要或想要识别动物和植物。我希望,覆盖在当前的Web的修订,会有更高水平的信息,相当于区域向导和植物群的工作者。对于许多人来说,这个'入门级'将所有需要的以及用户需要的地方可以通过初级分类源而得到深入挖掘。今天,很少有人会认真考虑把计算机作为替代该领域的向导,但这一切无疑都会改变,因此,分类学家应该准备好。

最后,分类学应该是免费使用的(不收费)任何人都可以登录互联网。这将提高分类学的影响力以及实际使用分类研究成果人数的增加。长期的积极利益将是一个新的,年轻的一代自然主义者,他们用数码相机追踪猎物,将他们拍摄到的照片下载到个人电脑上,然后在网络上识别他们——在现代生物学的核心中,把分类学变为一门活跃的学科。

不足:

整体分类的一个缺点是需要更多的管理和随之而来的成本。我的观点是,整体分类的优势在于如果我的项目失败了,将会有足够的新资金来抵消这一点。也包含在开发Web软件支持分类学的相当大的技术挑战。一个可能的批评是该学科的严谨性与传统分类的主观性不一致。一个小集团是否能够强加其观点来指导某一个类群进行分类研究?国际委员会将有权设定标准,对于一些已弃之不用的分类文献也应被存储在web上。即使他们不纳入目前的网络修订,至少可以影响未来的学术和研究。

在确定第一个Web修订的候选人之前,一个非常权威的出版物在何种程度上才算是“完整”?一系列棘手的物种复合体需要系统的研究会延迟完成修订的进度?理想的解决办法是委托新的分类研究来解决这些问题,但如果不可行,我建议设立‘临时分类单元’,这显然需要进一步研究。毕竟,人类基因组中富含异染色质的间隙序列并没有推迟其“完成”的进度。

基于网络的分类能像纸质文献那样永久留存吗?尤其是在一些不发达的国家,人们还没有被计算机剥夺劳动的权利?我相信第一个问题是一个非议题;据我所知,目前没有文件备份到人类基因组数据库,国际委员会制定严格的归档和备份标准。访问是一个更重要的问题,但许多人目前无法进入专家库或不能转载,甚至不知道某些文献的存在。基于Web的分类必须能够被完全下载,这样不需要连续访问互联网,而且如果一切都失败了,还可以拷贝纸质副本,如果该网站由在计算方面有优势的发展中国家主办如印度等,它可能传播更多的关于地理分类等分类学的动态信息。

结论:

我发现,分类学家最常见的反应是担心这些观念只是一个技术修正的尝试,而忽略了他们(和我)认为是极其关键的问题:缺乏描述性分类的人员和资源。相反的论点是,技术修复本身并不是目的,它是使基层分类更方便和有用的手段,从而吸引人和资金进入该领域。但这种根与枝的变化在分类学中真的有效吗?尽管目前关于描述性分类的萧条状态几乎达成共识,难道没有更多的资金单独解决这个问题吗?

我不认为:事实上,描述性分类因为“困难”可能完全消失,比如许多昆虫和线虫等类群。正如穆尔定律所说,微处理器功率每18个月增加一倍和DNA测序功率几何增加,两者必须是一个平行的规律。在10年甚至20年的时间里,或将简单的采取个体机体获得足够序列数据,将其分配到一个“序列簇”(相当于物种),而不是关键使用传统方法,更不要说把它描述成新种。正如现在几乎所有细菌分类学均已序列为基础,一种新的方式对昆虫、线虫、甚至许多植物和鱼类的分类可能演变成与现行分类学完全脱离的观点,这也是英国皇家学会主席Robert May强行提出的观点。

现代分类法的重要性将大面积消亡吗?是的,因为我们会扔掉很多在过去的250年里我们学到的关于地球生物群的很多东西,很多我们必须重新学习。但是,除非分类学是单一的,基于网络的,能够容纳这些激进的生物学的新方法,我担心它会靠边站。

方框1Web分类(译文)

现行的动植物法规定,不允许物种的原始描述只在网上发表,尽管如此,在互联网上仍然有大量的分类研究。

伦敦自然历史博物馆的自然历史门户(www.nhm.ac.uk/portal/index.html)提供了一些非常好的进入这些资源共享的网站,其中包含国际植物名称索引(www.ipni.org),涵盖所有高等植物;蚂蚁数据库(www.antbase.org)最近在自然杂志的通讯部分对此进行了报道(4161152002);生命工程树计划((tolweb.org/tree)和一个系统发育数据库。

尽管有一些分类检索表和信息丰富的网站可以使用。但是博物馆标本的资料最常见的还是名录。

一个耗资巨大且由2000个物种组成的项目(www.sp2000.org)是一个综合分类信息系统(www.itis.usda.gov),其目标是列出世界的生物群名录,而这些网站也与全球生物多样性联系在一起的信息设施((www.gbif.org),拟成为生物多样性信息综合性的数据交换中心。

最后,全球物种基金会((www.all-species.org)已经为自己设定了目标,即在未来的25年中,编制地球上的所有物种的名录。

现行规范和分类代码的僵化——其中包括禁止纯粹的使用电子设备完成的描述——这是他们含有优势的一部分,对待这种改变不能掉以轻心。但我怀疑这些规则正在阻碍这个进程,限制该学科的陈旧的方法论以及大力渲染困难或不可能吸引主要资金以扭转其缓慢落后的趋势。肯定是到了付诸实验的时候了——国际分类学共同体相聚在一起,一个或几个主要的整体网络对生物群进行修订(并精确计算出单一分类应该如何运作)。这个大胆的设想必须得到现有国际委员会的认可和支持,或许没有认真的分类学家希望浪费自己的时间;没有一个机构会管理它,也没有任何机构资助它。但是,如果成功的话,这个改变使分类得到永生;如果失败了,也不难恢复到原状。总之,得大于失。




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