zhuchaodong的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhuchaodong

博文

Journal Club:三项行动复兴分类学

已有 2796 次阅读 2020-2-15 11:54 |个人分类:论文精读|系统分类:科研笔记

image.png

三项行动复兴分类学

A taxonomic renaissance in three acts

QUENTIN WHEELER

State University of New York college of Environmental Science and Forestry, Syracuse, NY 13210, United States;

qwheeler@esf.edu; https://orcid.org/0000-0002-9621-1480

摘要

物种快速灭绝意味着,振兴分类学并探索地球上物种多样性的时间有限。有三项行动可能会激发生物分类学复兴:(1)阐明什么是生物分类学,强调其理论发展和作为严格、独立、基础科学的地位;(2)赋予生物分类学家一项任务,以组织和完成对地球物种清单,给予资源以使研究和标本基础设施现代化;(3)与信息科学家、工程师和企业家合作,通过仿生激发创新可持续的未来。

引言

分类学身处于危机。物种作为具有丰富理论的概念,正在被基于平均遗传距离的简便估计取代。在生物学教科书或教室中已经很少见到分类学原理;类群专家也没有得到实际更替。自然历史博物馆曾经是世界生物分类学发现的中心,现在它们追求生物学的新领域以获得资助和认可。

在最需要特定类型知识的时候,分类学被误解、歪曲和边缘化。物种灭绝速度如此之快,以至于许多人认为我们正处于第六次大规模灭绝事件的边缘(Barnosky 等,2011 Kolbert2013)。以目前的估计灭绝速度,70%的物种可能在短短300年内消失。怀疑论者指出缺乏坚实数据并对此结论提出了质疑(例如Briggs2017),但每个可用指标都表明了灭绝加速(Wilson2015年)。这是根据地面和卫星数据进行的生境丧失估计,了解到许多物种分布范围狭窄,以及根据现有物种有限的下降数据得出的推断。尽管确切的灭绝速率因类群和地区而异,并且可以讨论,但不可否认的是物种灭绝速率比人类历史上任何时候都快。建立有关什么物种存在以及在何处的基线知识的价值同样不可否认。

各种建议都在寻找更便宜、更快捷、基于技术的替代方案,而不是简单地向分类学提供支持以完成清单。为了避免深入研究以解释复杂的解剖结构,建议我们改用分子数据。如果我们的目标只是区分物种,这可能是一条希望之路。但是考虑到由于大量物种灭绝我们将失去的知识,这难道不是很低的目标吗?分子数据适当结合比较形态学、化石记录和胚胎发育研究,以扩大和丰富我们对物种间关系模式的见解(Nelson  Platnick 1981)。但是,在不牺牲有价值知识的情况下,没有任何单一的来源能超越其他证据。

使用所有相关证据,并接受分类学的传统目标,我们可以发现有关生物多样性的最有趣和最有用的内容。但是,相对完整的物种清单是现在或从来没有过的提议。数以百万计并面临灭绝威胁的物种将不会留下化石记录并消失,从而我们也无法了解它们在生物圈中的作用、进化历史以及生存适应。面对现实吧,探索物种令人兴奋的原因与它们的数量无关。如果自然选择产生了数百万个外观相同,仅在遗传相似性百分比上有所不同的物种,我们将很快对命名或保护它们失去兴趣。只要生态系统不崩溃,谁会关心一百万还是一千万?但是进化历史更有趣。Dawkins1986)将生命描述为统计上的巨大不可能性,但事实如此。物种研究引人入胜的是解剖学和自然历史上似乎取之不尽的多样性。缺乏物种不可思议的属性,仅依据DNA条码和支序图降低分类学的难度,就会错过探索生命中最有智力的回报。

为解决物种鉴定和快速建立系统进化关系的实际需要而进行的精心努力,再加上对最新技术的强烈偏向,导致分子研究在很大程度上取代了所谓的描述性分类学。分子方法已在物种探索中确保了重要而持久的地位,但必须与其他比较研究结合起来,才能使分类学实现其使命。想象一下,恐龙曾经存在的唯一证据就是DNA序列的形式。我们会认识到它们的两爬类根源,其中一些与鸟类的亲缘关系比其他类群更近,但几乎不知道它们看起来像什么,它们在进化史中只不过是脚注而已。当然,正是它们的多样性、其出乎意料的解剖结构以及其化石的巨大大小吸引了我们的想象力。我们应该为子孙后代传递更多的东西,这不仅仅是物种多样性即将消失的分子证据。

时钟在滴答作响。每年都有成千上万的物种灭绝(Wilson 1992),它们具有其独特性和系统发生历史的不可替代证据。我们可以比未来任何一代人接近更多样的的物种。探索生物多样性的广度和起源的机会瞬息万变。我们应该全力以赴,并且应该为我们和后代完成人类世早期存在的物种清单,该清单包括对每个物种的详细描述,并以自然历史标本馆中保存的标本、观测资料和组织作为后盾。我们不能允许将分类学限制为单个数据来源或仅用于鉴定服务。专著是分类学的黄金标准,信息科学尚未将其完全转变为具有潜力的动态实时知识库(Wheeler2008年)。我们可以调整可用的网络基础架构,以设计分类学研究平台,从而在不牺牲经典分类学目标或标准的情况下提高效率。

哥白尼之前的天文学家相信太阳绕地球旋转,但这并不影响现代天文学的尊重。曾经有一段时间,分类学关于物种及其关系的想法主要靠揣摩,但亨尼格(Hennig)引发的理论革命改变了这一切(WilliamsSchmitt  Wheeler 2016)。今天的分类学理论与最严格的科学并驾齐驱,远远超过任何其他形式的过往学术。天文学家并不满足于将对邻近行星独特性质的了解限制在他们用地基望远镜所能看到的范围内。相反,他们部署了卫星和探测器对行星表面进行详细成像。同样,分类学家也不应接受单一数据源作为我们对物种的了解。我们可以而且必须继续收集和保存博物馆标本,进行仔细的比较观察,并编制出详细的物种描述。但是,我们无法在劳动力下降和过时的研究基础设施的情况下发现和描述数百万种物种。分类学家确切地知道应该做什么以及如何去做。我们需要满足分类学家进行分类的需求。

关于分类学的下降、专业知识的丧失和分类学障碍(我们无法识别物种,特别是在物种丰富的热带地区),已经写了很多文章。从生命百科全书到国家科学基金会资助博物馆标本数字化,数十个善意的计划和项目的既定目标是解决分类学的下降,但没有任何改善。几十年来,物种描述的速度或多或少一直保持不变,每年在15,00020,000种之间,而在植物标本馆和博物馆中还有大量没有描述的新物种(Bebber 等,2010)。几乎没有博士学位论文包括分类学专著;每个世纪很少有几个类群得到修订。通常,这些失败的项目有一个共同点:它们专注于分类信息用户的需求,而不是分类学家本身的需求。如果我们认真地解决生物多样性危机、保存系统进化史的证据、采用证据支撑的保护目标并适应我们瞬息万变的世界,那么现在是满足分类学需求的时候了。即使您最关心的是分类学为其他生命科学家提供的服务,您也只能满足分类学家自身的需求。最好的分类学可以得到最可靠的信息。

支持纯粹的、好奇心驱动的物种探索将导致无数发现,并实现许多其他目标。全面的物种清单将使生态学家能够深入研究任何生态系统中物种-物种之间的相互作用;支持可度量的保护目标;揭示系统发生的迷人故事;并推动我们寻求更高效、更少浪费的设计、材料和工业流程。

满足分类学三大需求的行动

那么,我们可以采取三项什么行动来激发分类学复兴呢?我建议采取以下行动有可能为扭转几十年来生物分类学的下降奠定基础。一项行动解决关于什么是分类学以及最佳分类学信息和知识来自何处的普遍误解。第二项指出,在灭绝使地球生物消失之前,有机会立即完成物种清单。第三,将分类学知识与社会迫切需求紧密联系,以构想可持续方式并满足人类需求,适应不断变化的环境。这些代表了对分类学传统目标的回归,但又有所不同。当林奈(Linnaeus)开始盘点所有物种,数十亿个标本在国际分布的博物馆中集中,以及他们试图使分类自然化,反映系统发育关系并解释物种之间的异同时,分类学家就处于领先地位。但是分类学的时代到了。分类学理论、信息科学、数字技术、旅行和通讯方面的进步意味着这些行星级的目标终于可以实现。我们不应基于过去所面临的局限性来判断分类学,而应根据其未来的可能性来判断。分类学复兴将以农业、医学、自然资源的进步以及真正可持续的设计、材料和工艺的新一代的形式带来收益。通过揭示生物多样性的起源来突破我们对自己和我们世界的理解的界限,其中智人是数百万种生物中的一种。

行动I形象改造

分类学存在形象问题。许多生物学家对分类学理论和科学哲学缺乏良好的教育,他们认为非实验性方法是可疑的。分类学经常被嘲笑为邮票收集描述性工作。考虑到对火星表面制图、人类基因组计划以及许多其他描述性计划的重视,对后者的描述是一个奇怪的嘲笑。除此之外,当今最好的分类学还充斥着明确可检验的假说。

当务之急是要面对对非实验性、观察性科学的偏见。可悲的是,分类学家一直在破坏其形象。自1940年代以来,分类学家一再将自己的目标与更现代,资金更充裕的领域相混淆(Wheeler2008年)。分类学家必须勇敢地阐明他们的科学目标,并无私地促进为自身而进行的分类学。它对其他科学和社会的无可比拟的利益也必须被鼓吹,但这是其核心使命的副产品。

分类学目标的这种混淆,在物种研究和物种形成研究之间的区分中比在任何地方都更明显。前者是分类学领域,涉及物种间异同的模式。后者是种群生物学的工作,其关注的对象是物种形成过程。两者是相辅相成的,但却是完全不同的科学。分类学家比较完全形成的物种,而种群生物学家研究正在形成过程中的物种。分类学家必须提炼一个物种中所有个体或一个类群中所有物种共有的属性,以Hennig1966)的术语来说是自近裔性状和共近裔性状。相比之下,种群生物学家研究变异种群及其内部变异的频率。正如Kierkegaard谈到人类事件时所说的那样,历史必须向前发展,但只有回头才能理解。物种也是如此。必须研究物种形成的过程,但是我们只能通过回顾来解释物种的历史(系统发生)。这些科学中的每一个都需要自己的认识论、理论和方法。

当分类学提供物种鉴定极为重要时,共享分类学知识广度是一项挑战。从这些务实的关注的重要性出发,它可能有助于以太空时代的术语描述基本分类学。分类学家的任务是发现、命名和分类整个行星表面、下方和上方的各种生物。这还不够,他们的任务还包括确定是什么使数百万个物种中的每一个都具有独特性,以及自数十亿年前的共同祖先以来它们如何关联。这个使命如此大胆,仅有宇宙学可以相提并论。

相似之处引人注目。宇宙学家必须首先盘点宇宙,以发现存在的各种事物,从恒星和行星到黑洞和暗物质。然后重建从大爆炸到现在的事件序列以解释我们所看到的宇宙。宇宙学家敢于尝试宇宙,而分类学家则充满为地球生命而努力的勇气。我们需要以与赞扬天文学家和宇宙学家相同的精神来支持和欢迎分类学家的新发现。两者之间的一个令人震惊的区别是,宇宙将在很大程度上保持不变,并可以用于研究数千年。但在几个世纪之内,地球上生命的多样性将大大减少。

最近的人类学发现填补了我们对现代人类出现的理解的重要空白,但人类学家只是充实了我们故事的许多章节的最后部分。独特的人文特征并不像您想象的那样独特。例如,我们令人印象深刻的大脑只是有些大,是和其他灵长类动物共享而不同的一连串版本之一。我们两足动物是爬行动物、哺乳动物和鸟类所继承的四足动物的许多改良性状之一。要完全了解使我们成为人类的原因,就是探索整个生命历史,将我们的属性追溯到远近祖先。

现在是时候重申为完成分类学自身的重要性了,同时还要说明从分类学知识中获得了不可思议的实际收益。在《Consilience》中,EO Wilson指出,科学史学家已经了解到,提出正确的问题比找到正确的答案更重要。如他所说:小问题小答案;正确的问题,将导致伟大的发现。对于生物多样性,分类学家提出了正确的问题:存在哪些物种?是什么让它们与众不同?它们有什么关系?依此类推。追求这些问题将带给我们关于过去的伟大而出乎意料的发现,并激发我们创造更美好的明天。分类学很少得到认可,但是迄今为止,它的工作已经为农业崛起、抗生素发现以及进化思想做出了巨大的进步(没有分类学家记载的物种之间相似和不同的模式,达尔文的理论将无法解释,Nelson  Platnick1981)。

行动II-全球物种清单

分类学家需要一项任务来组织和实施NASA规模的任务,以完成对地球物种清单。每年有成千上万的物种灭绝,我们没有时间可浪费。目前的类群专家可以研究的物种比以后更多样且更多的物种。仅人类就有机会建立人类世初期生物多样性的基础知识。要实现这样的任务,就需要对生物分类学的馆藏和研究基础设施进行现代化改造,并对新一代生物分类学家进行教育。

分子数据将在清单中发挥重要作用,但牵头租用理应属于比较形态学和自然历史细节。分子数据可以鉴别不同的种群,以进行更仔细的检查,关联不同的生命阶段,有助于分类分析并减轻常规鉴定的负担。但让我们面对现实吧,物种探索之所以如此诱人,是因为发现了意外发现的希望。进化的故事值得一提,因为它包含了数百万个无法预料的创新性。早期开花植物的存在并没有办法预知兰花、毛膏菜或巨红杉。人们涌向动物园看象鼻和长颈鹿的脖子,而不是惊叹于遗传相似性百分比很小的物种。

EO Wilson的《Half-Earth》提案是科学与常识的完美结合。根据他的估计,仅留出地球表面积的50%可能会保护多达80%的世界物种。但是,在几乎无限数量的位置组合中,哪一个最能达到此目标?任其随意安排场所,或限于社会和经济状况而容易搁置的场所,他的计划不太可能产生最佳结果。确保计划成功的唯一途径是从了解存在哪些物种以及在何处开始。只有分类学才能产生我们需要的清单。

几年前,我组织了一个研讨会,得出结论,有可能在五十年或更短的时间内编目一千万个物种(Wheeler等,2012a)。这将足够迅速,可以为Half-Earth计划中的许多决定提供依据,并保留数以百万计物种的标本和知识以应付无视。以绝对美元计,成本将是巨大的,但与我们所损失的相比,这是微不足道的。

当然,这样的清单必须是一项国际性的努力,其目标是像天文学界那样滚动的十年目标。没有其他的大型科学项目可以保证这么多的投资回报。一个成功的库存编目包含许多关键投资,包括但不限于以下各项:

教育新一代类群专家;

征募一支训练有素的公众科学家大军;

主要通过网络基础设施平台的形式,通过数字仪器和专门设计的软件来支持分类和专题研究的生物分类研究基础设施的现代化。这应该包括一个全面的“ e-类型数字图书馆(模式标本的数字图像)和一个可远程操作的显微镜网络,以将分类专家与全球标本联系起来(Wheeler等人,2012b)。以及一些简单的更改,例如强制所有命名规则的注册以及使所有物种描述都可以自由访问。核心是,现代化应着重于将专著带入21世纪,使得电子专著可以由分钟计算的最新信息来源;

支持博物馆重新发现其在增长和发展标本方面的领先作用,并支持其在生物分类研究中的使用;

一个知识库,其中包括对物种属性的搜索策略,有可能激发人类可持续的仿生解决方案;

重视使分类学知识对所有用户社区都尽可能容易获得、理解和使用;

首要注意分类学家需要开展好奇心驱动的分类,并准确描述物种和形成系统发生分类;

要认识到卓越分类学,就必须反复对其关键性、物种和系统发生假设进行严格检视和改进。最初的全球规模清单是一次性的冒险活动,随后必须进行持续的分类学研究计划,才能将其所有益处传递给科学和社会。

行动III-分类学与信息科学、工程学和企业的交集

分类学家需要与信息科学家、工程师、发明家和企业家合作,为他们的工作增加新价值。我们的环境变化快于适应。如果我们要保护自然界的重要部分并维持高质量生活,那么我们别无选择,只能设想新一代材料、设计、工艺和产品,以减少对不可再生资源的利用、污染和浪费,以及荒野退化和转化。如果有足够的时间,我们可以像往常一样依靠偶然性,但是我们缺少时间。仿生学是通往可持续未来的最短、最确定的途径,即从自然观察中汲取灵感、寻求新设计、材料、工艺和产品(Benyus1997)。

原因很简单。数十亿年来,自然选择已成功地奖励了生存的良好想法” ,并淘汰了不良的想法。物种故事是适应不断变化的星球上生命的激烈竞争之一。人类面临的问题很少,即使有的话,自然界也无法解决,而且往往是许多次了。头条新闻经常报道令人兴奋的仿生发明(例如,请参见Benyus 1997),但运气比设计更常见。必须有人可以连接各个点,以了解自然界的模型并认识其解决问题的潜力。我们可以做得更好。

在分类学牵引下,我们可以开放访问数以百万计的仿生模型。与信息科学家合作,我们可以发明搜索策略,不仅可以找到自然界中的解决方案,而且可以找到最佳解决方案。系统发生分类已经指出,近缘物种是一个物种中相似理想特性,也可能是更好版本的来源。对于进化趋同的实例,我们需要类似有效的搜索策略。当一种解决方案在无关物种中独立发展时,它可能是特别好的解决方案。

分类学家需要与新兴的仿生领域建立共生关系。分类描述、数据库、分类和标本可以帮助将仿生技术从家庭手工业转变为能够推动经济和产业改革的证据驱动的事业。作为回报,仿生可以帮助传达物种的惊人属性以及分类学知识带来的可能性。




http://blog.sciencenet.cn/blog-536560-1218621.html

上一篇:Journal Club:人类世动物区系丧失模式、原因及后果
下一篇:Journal Club: Megataxa - 面向分类学重大科学问题

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-3-30 08:05

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部