Interpretacja filogenezy, typy drzew, aplikacje



Jeden filogeneza, w biologii ewolucyjnej jest to reprezentacja ewolucyjnej historii grupy organizmów lub gatunku, podkreślająca linię potomną i relacje pokrewieństwa między grupami.

Obecnie biologowie wykorzystali dane pochodzące głównie z morfologii i anatomii porównawczej oraz z sekwencji genów do odtworzenia tysięcy i tysięcy drzew.

Drzewa te starają się opisać ewolucyjną historię różnych gatunków zwierząt, roślin, drobnoustrojów i innych istot organicznych zamieszkujących Ziemię.

Analogia z drzewem życia pochodzi z czasów Karola Darwina. Ten genialny brytyjski przyrodnik zastanawia się nad arcydziełem ”Pochodzenie gatunków„Pojedynczy obraz:„ drzewo ”, które reprezentuje rozgałęzienia linii, zaczynając od wspólnego przodka.

Indeks

  • 1 Czym jest filogeneza?
  • 2 Czym jest drzewo filogenetyczne?
  • 3 Jak interpretowane są drzewa filogenetyczne?
  • 4 Jak odtwarza się filogenezy?
    • 4.1 Znaki homologiczne
  • 5 Rodzaje drzew
  • 6 Politomii
  • 7 Klasyfikacja ewolucyjna
    • 7.1 Linii monofilowych
    • 7.2. Linie parafiletyczne i polifiletyczne
  • 8 Aplikacje
  • 9 Odniesienia

Co to jest filogeneza?

W świetle nauk biologicznych jednym z najbardziej zdumiewających wydarzeń, które miały miejsce, jest ewolucja. Wspomniana zmiana form organicznych z upływem czasu może być przedstawiona w drzewie filogenetycznym. Dlatego filogeneza wyraża historię linii i ich zmiany w czasie.

Jednym z bezpośrednich implikacji tego wykresu jest powszechne pochodzenie. To znaczy, że wszystkie organizmy, które dziś widzimy, pojawiły się jako potomkowie z modyfikacjami dawnych form. Pomysł ten był jednym z najważniejszych w historii nauki.

Wszystkie formy życia, które możemy dziś docenić - od mikroskopijnych bakterii po rośliny i większe kręgowce - są ze sobą powiązane i ten związek jest reprezentowany w ogromnym i skomplikowanym drzewie życia.

Zgodnie z analogią drzewa gatunki, które dziś żyją, będą reprezentowały liście, a pozostałe gałęzie będą ich historią ewolucyjną.

Czym jest drzewo filogenetyczne?

Drzewo filogenetyczne jest graficznym przedstawieniem ewolucyjnej historii grupy organizmów. Ten wzór relacji historycznych to filogeneza, którą naukowcy próbują oszacować.

Drzewa składają się z węzłów, które łączą się z „gałęziami”. Węzły końcowe każdej gałęzi są taksonami końcowymi i reprezentują sekwencje lub organizmy, dla których znane są dane - mogą to być gatunki żywe lub wymarłe.

Wewnętrzne węzły reprezentują hipotetycznych przodków, podczas gdy przodek znajdujący się w korzeniu drzewa reprezentuje przodka wszystkich sekwencji przedstawionych na wykresie.

Jak interpretowane są drzewa filogenetyczne?

Istnieje wiele sposobów przedstawienia drzewa filogenetycznego. Dlatego ważne jest, aby wiedzieć, czy te różnice obserwowane między dwoma drzewami wynikają z różnych topologii - to znaczy rzeczywistych różnic odpowiadających dwóm wykresom - czy też po prostu są różnice związane ze stylem reprezentacji.

Na przykład kolejność wyświetlania etykiet na górze może się różnić, bez zmiany znaczenia graficznego przedstawienia, ogólnie nazwy gatunku, rodzaju, rodziny, wśród innych kategorii.

Dzieje się tak, ponieważ drzewa przypominają komórkę, gdzie gałęzie mogą się obracać bez zmiany relacji reprezentowanych gatunków.

W tym sensie nie ma znaczenia, ile razy kolejność jest modyfikowana lub obiekty „wiszące” są obracane, ponieważ nie zmienia to sposobu ich połączenia - i to jest ważna rzecz.

Jak odtwarzane są filogenezy?

Filogenezy to hipotezy sformułowane na podstawie dowodów pośrednich. Rozcieńczanie filogenezy przypomina pracę badacza w rozwiązywaniu przestępstwa, podążając śladami miejsca zbrodni.

Biolodzy często postulują swoje filogenezy wykorzystując wiedzę z kilku dziedzin, takich jak paleontologia, anatomia porównawcza, embriologia porównawcza i biologia molekularna.

Zapis kopalny, choć niekompletny, dostarcza bardzo cennych informacji na temat czasów rozbieżności grup gatunków.

Z upływem czasu biologia molekularna przewyższyła wszystkie wymienione pola, a większość filogenez wywodzi się z danych molekularnych..

Celem rekonstrukcji drzewa filogenetycznego jest szereg poważnych wad. Nie opisano około 1,8 miliona nazwanych gatunków i wiele innych.

I chociaż znaczna liczba naukowców stara się codziennie odbudowywać relacje między gatunkami, nadal nie mamy kompletnego drzewa.

Homologiczne postacie

Kiedy biologowie chcą opisać podobieństwa między dwiema strukturami lub procesami, mogą to zrobić w kategoriach wspólnego przodka (homologie), analogii (funkcji) lub homoplazji (podobieństwo morfologiczne)..

Aby zrekonstruować filogenezę, używane są tylko znaki homologiczne. Homologia jest kluczową koncepcją w ewolucji i odtwarzaniu relacji między gatunkami, ponieważ tylko ona odpowiednio odzwierciedla wspólne pochodzenie organizmów.

Przypuśćmy, że chcemy wywnioskować filogenezę trzech grup: ptaków, nietoperzy i ludzi. Aby zrealizować nasz cel, zdecydowaliśmy się użyć górnych granic jako cechy, która pomaga nam dostrzec wzór relacji.

Ponieważ ptaki i nietoperze mają zmodyfikowane struktury do lotu, możemy błędnie stwierdzić, że nietoperze i ptaki są bardziej związane z ludźmi niż nietoperze. Dlaczego doszliśmy do złego wniosku? Ponieważ użyliśmy analogicznego i niehomologicznego charakteru.

Aby znaleźć odpowiedni związek, powinienem szukać homologicznego charakteru, takiego jak obecność włosów, gruczołów sutkowych i trzech małych kości w uchu środkowym - żeby wymienić tylko kilka. Homologie nie są jednak łatwe do zdiagnozowania.

Rodzaje drzew

Nie wszystkie drzewa są takie same, istnieją różne reprezentacje graficzne i każdej udaje się włączyć specyficzną cechę ewolucji grupy.

Najbardziej podstawowymi drzewami są kladogramy. Te wykresy pokazują relacje w kategoriach wspólnego przodka (według najnowszych wspólnych przodków).

Dodatkowe drzewa zawierają dodatkowe informacje i są reprezentowane na długości gałęzi.

Liczby związane z każdą gałęzią odpowiadają pewnemu atrybutowi w sekwencji - takim jak ilość zmian ewolucyjnych, których doświadczyły organizmy. Oprócz „drzew addytywnych” znane są również jako drzewa metryczne lub filogramy.

Drzewa ultrametryczne, zwane również dendogramami, są szczególnym przypadkiem drzew addytywnych, gdzie wierzchołki drzewa są w równej odległości od korzenia do drzewa.

Te dwa ostatnie warianty zawierają wszystkie dane, które możemy znaleźć w kladogramie i dodatkowe informacje. Dlatego nie wykluczają się wzajemnie, jeśli nie uzupełniają się.

Politomie

Wielokrotnie węzły drzew nie są całkowicie rozwiązane. Wizualnie mówi się, że istnieje polityka, kiedy nowa pozostawia więcej niż trzy gałęzie (jest tylko jeden przodek dla więcej niż dwóch bezpośrednich potomków). Kiedy drzewo nie ma politomii, mówi się, że jest całkowicie rozwiązane.

Istnieją dwa typy politomii. Pierwsze to „twarde” polityki. Są one nierozerwalnie związane z grupą badawczą i wskazują, że potomkowie ewoluowali w tym samym czasie. Alternatywnie, „miękkie” politomie wskazują nierozwiązane relacje spowodowane przez dane per se.

Klasyfikacja ewolucyjna

Linie monofilowe

Biolodzy ewolucyjni starają się znaleźć klasyfikację zgodną z rozgałęziającym się schematem filogenetycznej historii grup. W tym procesie opracowano szereg pojęć szeroko stosowanych w biologii ewolucyjnej: monofilicznej, parafiletycznej i polifiletycznej.

Takson lub linia monofilowa to taka, która obejmuje gatunek ancentralny, który jest reprezentowany w węźle i wszystkich jego potomków, ale nie inne gatunki. To grupowanie nazywa się kladem.

Linie monofilowe są definiowane na każdym poziomie hierarchii taksonomicznej. Na przykład rodzina Felidae, linia, która zawiera kotów (w tym kotów domowych), jest uważana za monofiliczną..

Podobnie, Animalia jest również monofilicznym taksonem. Jak widzimy, rodzina Felidae znajduje się w Animaliach, więc grupy monofilowe mogą być zagnieżdżone.

Linie parafiletyczne i polifiletyczne

Jednak nie wszyscy biolodzy podzielają myśl o klasyfikacji kladystycznej. W przypadkach, gdy dane nie są kompletne lub po prostu dla wygody, nazwy niektórych taksonów obejmują gatunki różnych kladów lub wyższe taksony, które nie mają wspólnego wspólnego przodka.

Tak więc polifiletyczny takson jest definiowany jako grupa obejmująca organizmy różnych kladów, które nie mają wspólnego przodka. Na przykład, jeśli chcemy wyznaczyć grupę homeoterm, obejmowałaby ona ptaki i ssaki.

Natomiast grupa parafiletyczna nie zawiera wszystkich potomków ostatniego wspólnego przodka. Innymi słowy, wyklucz wszystkich członków grupy. Najczęściej używanym przykładem są gady, ta grupa nie zawiera wszystkich potomków ostatniego wspólnego przodka: ptaków.

Aplikacje

Oprócz przyczyniania się do trudnego zadania wyjaśnienia drzewa życia, filogenie mają również dość znaczące zastosowania.

W dziedzinie medycyny filogenezy są używane do śledzenia pochodzenia i szybkości przenoszenia chorób zakaźnych, takich jak AIDS, denga i grypa.

Są one również wykorzystywane w dziedzinie biologii ochrony. Znajomość filogenezy zagrożonych gatunków jest niezbędna do śledzenia wzorców krzyżowania oraz poziomu hybrydyzacji i chowu wsobnego wśród osobników.

Referencje

  1. Baum, D.A., Smith, S.D., i Donovan, S. S. (2005). Wyzwanie myślenia o drzewie. Nauka, 310(5750), 979-980.
  2. Curtis, H. i Barnes, N. S. (1994). Zaproszenie do biologii. Macmillan.
  3. Hall, B. K. (wyd.). (2012). Homologia: hierarchiczna podstawa biologii porównawczej. Academic Press.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., i Garrison, C. (2001). Zintegrowane zasady zoologii. McGraw-Hill.
  5. Hinchliff, CE, Smith, SA, Allman, JF, Burleigh, JG, Chaudhary, R., Coghill, LM, Crandall, KA, Deng, J., Drew, BT, Gazis, R., Gude, K., Hibbett, DS, Katz, LA, Laughinghouse, HD, McTavish, EJ, Midford, PE, Owen, CL, Ree, RH, Rees, JA, Soltis, DE, Williams, T., ... Cranston, KA (2015). Synteza filogenezy i taksonomii w kompleksowe drzewo życia. Materiały z Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych Ameryki, 112(41), 12764-9.
  6. Kardong, K. V. (2006). Kręgowce: anatomia porównawcza, funkcja, ewolucja. McGraw-Hill.
  7. Page, R. D. i Holmes, E. C. (2009). Ewolucja molekularna: podejście filogenetyczne. John Wiley & Sons.