Ученые обнаружили существенный изъян в популярной эволюционной модели, известной как ингибиторная каскадная модель (ICM). Анализ показал, что ее способность к прогнозированию не связана с биологическими процессами, а является следствием математической особенности, возникающей из-за способа обработки данных.
Ингибиторная каскадная модель (ICM) представляет собой теоретическую концепцию, предназначенную для объяснения развития последовательных признаков, таких как коренные зубы. Согласно этой модели, формирование признака определяется взаимодействием двух процессов: активирующего и ингибирующего, равновесие которых влияет на его размер. ICM предложили в 2007 году, с тех пор ее активно использовали в эволюционной биологии.
Модель давала возможность прогнозировать соотношение размеров зубов в ряду, исходя из размера первого моляра. ICM использовали не только для анализа зубов, но и для изучения других последовательно расположенных структур, таких как сегменты конечностей или позвонки. Изначально модель находила эмпирическое подтверждение, но впоследствии стали поступать данные, свидетельствующие о ее недостаточности.
Ряд исследований выявил расхождения с прогнозами, основанными на ICM, особенно при изучении внутривидовых различий. Модель также показала свою эффективность в отношении структур, формирующихся нелинейно. Это указывало на возможный систематический дефект в ее разработке.
Ученые поставили под сомнение основные положения теории ICM, проведя проверку соответствия ее прогнозов фактическим биологическим процессам. Результаты опубликовали в журнале Evolution.
Ученые вновь рассмотрели математические и биологические обоснования Интегрированной концептуальной модели (ICM). Они изучили, как модель взаимодействует с биологическими, небиологическими и смоделированными данными. В качестве примера, исследователи использовали данные о размере моляров сумчатых, эволюционные симуляции с различными схемами ковариации и результаты гонок «Формулы‑1» 2024 года, чтобы показать, как стандартизация может приводить к искажениям при работе с небиологическими данными.
Для отображения взаимосвязи ICM в виде причинно-следственной модели авторами научной работы была разработана соответствующая структура. Также была проведена проверка воздействия стандартизации данных, заключающейся в делении значений второго и третьего элементов на величину первого, на проявление корреляционных зависимостей.
Исследователи определили ряд существенных проблем. Прежде всего, математическое выражение ICM не соответствует его текстовому описанию. В частности, ожидаемый ингибирующий эффект не учитывает второй элемент последовательности и вновь проявляется лишь в отношении третьего, что представляется биологически нереалистичным.
Во-вторых, унификация данных по первому элементу приводит к ошибочным зависимостям между вторым и третьим элементами, даже если между ними нет реальной связи. Помимо этого, модель предполагает, что матрица ковариации должна быть вырожденной (что подразумевает, что один из параметров не оказывает влияния на изменчивость), однако фактические данные не подтверждают это предположение.
Анализ данных о молярах сумчатых выявил, что их размеры соответствуют прогнозам, сделанным в рамках ICM, причем в равной степени, как и результаты соревнований «Формула‑1». Это говорит о том, что кажущееся хорошее соответствие модели может быть обусловлено применяемым методом анализа, а не отображать истинные биологические процессы.
Результаты эволюционных симуляций продемонстрировали, что стандартизация данных, даже при отсутствии сдерживающих факторов, формирует закономерности, схожие с прогнозами, основанными на модели ICM. В четырех различных сценариях, различающихся степенью взаимосвязи между элементами (от нулевой до высокой), полученные данные демонстрировали тенденцию к концентрации вокруг линии, соответствующей ожиданиям модели.
По мнению ученых, видимая достоверность ICM является следствием применяемого метода стандартизации данных. Несмотря на то, что ICM на протяжении долгого времени рассматривалась как многообещающая попытка установить связь между развитием, изменчивостью и эволюцией, ее прогностическая ценность, как выяснилось, определяется не биологическими факторами, а статистической погрешностью.