Кладистика: Определение, метод и примери

Преди милиони години една клетка стартира еволюция което породи дървото на живота и трите му основни области: Архея, Бактерии и Еукариота.

Всеки клон е пример за a клада. Клада представлява група, която включва общ прародител и всичко потомци. Кладистика е модерна форма на таксономия което поставя организмите на разклонена диаграма, наречена a кладограма (като родословно дърво) въз основа на признаци като сходство на ДНК и филогения.

В областта на биологията кладистиката е a система на таксономия което включва класифициране и подреждане на организмите на a филогенетично дърво на живота. Преди анализа на ДНК класификацията разчиташе основно на наблюдения на подобни и различни черти и поведение.

Западните общества са използвали класификацията още от дните на Аристотел в древна Гърция, когато живите организми са били просто разделени на категории растения и животни за целите на изучаването.

През 1700 г., Каролус (Карл) Линей разработи таксономия на системната биология, основана на класификация на организмите по външен вид и общи черти. Той разработи схема за поставяне на организма в

Чарлз Дарвин и Алфред Ръсел Уолъс предлага идеята за естествен подбор, а Дарвин формализира теорията за еволюцията в средата на 1800-те. Дарвин За произхода на видовете разтърси научната общност, като предположи, че всички организми произхождат от общ прародител и могат да бъдат класифицирани според техните еволюционни връзки.

Орнитолог Ернст Мейр беше виден еволюционен биолог на 20-ти век, който изучаваше задълбочено таксономията на птиците, докато пътуваше и работеше като куратор в Американския природонаучен музей в Ню Йорк Неговата новаторска книга Систематика и произход на видовете е публикуван през 1942 г. от Columbia University Press.

Mayr е известен с работата си върху гените, наследствеността, вариацията и видовете популации в изолирани райони, които могат да се използват за класификация.

Кладистиката е биологична система за класификация, основана на анализ на чертите, генетичния състав или физиология, които са били споделяни с общ прародител, докато не е възникнал някакъв вид дивергенция, произвеждайки нови видове. Немски таксономист Вили Хениг скочи кладистична класификация през 1950 г., когато пише книгата си за филогенетична систематика.

По-късно книгата е преведена на английски и широко четена в Америка, след като е публикувана от Университета на Илинойс Прес през 1966 г.

Теорията на филогенетичната систематика на Hennig оспори съвременните подходи към таксономия въведена от Дарвин и Уолъс.

Той твърди, че видовете трябва да бъдат идентифицирани и класифицирани въз основа на генетиката и връзките между кладите, особено монофилетични групи. Хениг усъвършенства неотдавнашните предци и идентифицирането на еволюирали, модифицирани черти на организми, които споделяха пряка линия - дори получените характеристики да не бяха като тези на общите прародител.

Филогенетика е изследването на известни или хипотезирани еволюционни взаимоотношения, основаващи се на филогения (род) на групирани организми. Филогенетичното дърво на живота илюстрира как таксоните (групи организми) са се развили в определен ред, тъй като животът е разнообразен и разклонен от общ прародител.

Процесът на еволюционно видообразуване изглежда като клони върху родословно дърво. Тъй като няма сигурен начин да се знае какво се е случило толкова отдавна, науките трябва да направят изводи за това как се е развил животът въз основа на вкаменелости, сравнителна анатомия, физиология, поведение, ембриология и молекулярни данни. Еволюционната биология е динамично поле, където непрекъснато се правят нови открития.

Еволюционните биолози правят заключение хипотетични еволюционни взаимоотношения между таксони въз основа на подробно сравнение на подобни и различни характеристики.

Изучаването на еволюционния произход помага да се определи кога някои черти са възникнали и са предадени на следващите поколения. Кладистичният анализ, подобно на филогенетичната систематика, изследва еволюционните модели на спускане, които помагат заедно еволюционната история на видовете, като същевременно обяснява разнообразието на живота и видовете изчезване.

Кладистиката работи върху основната предпоставка, че животът на Земята е възникнал само веднъж, което означава, че целият живот може да бъде проследен до този първи родов организъм. Следващото предположение е, че съществуващите видове се разделят на две групи, обособени от възел на клон на дърво. И накрая, организмите вероятно се променят, адаптират и еволюират.

The точка на разминаване представлява началото на две нови линии, разклоняващи се и образуващи два нови вида.

Кладограмите се използват за смислено сравнение между групите.

В биологията кладограмата е a визуално представяне на свързани характеристики в различни организми. Обикновено групирането се извършва според определени специфични черти от интерес. Въпреки това, различни точки от данни могат да бъдат комбинирани, за да се създаде по-точно еволюционно дърво, което обяснява сложни взаимоотношения.

Може да се направи разлика между кладограма и филогенетично дърво, но понякога понятията се използват и взаимозаменяемо. Кладограмите се фокусират върху характеристики на макро и молекулярно ниво, които показват родство. Кладограма предполага вероятни еволюционни връзки между групи организми или таксони, които могат да бъдат малки или големи на брой:

• Монофилетичен таксон. Клада от организми, която включва най-новият им общ прародител и всичко живите и изчезналите потомци. Например има три клади бозайници: монотреми, торбести и евтери. Бозайниците споделят много характеристики, но се различават по начина, по който се размножават.
  

• Парафилетичен таксон. Група организми, които включва най-често срещания прародител на всички членове, но оставя някои от потомците тази следа от същия общ прародител. Bryophyta са парафилетични, защото групата включва рога, черния дроб и мъхове но изключва съдовите растения.

• Полифилетичен таксон. Група организми, които нямат много общо, освен някои подобни черти. По едно време пахидермите като слонове и хипопотами са били натрупани заедно поради техния тип кожа, въпреки че всъщност принадлежат към различни семейства бозайници.
  

Многоклетъчен еукариоти породи изобилие от все по-сложни организми.

Например рибите и хората се връщат към общ прародител преди милиони години. Тази сложна връзка може да бъде изобразена на проста кладограма, илюстрираща кладистичните взаимоотношения. Започнете с изобразяването на еукариот на предците в основата на дървото.

Докато общият прародител еволюира, един възел на дървото се разклонява на водни гръбначни като риби без челюст. На следващия възел клонът се отклонява на четириноги тетраподи.

Следващият възел показва разминаване, когато животните развиват околоплодни яйца, последвано от разцепване, когато животните развиват козина или козина. Много по-късно хората и приматите се разминават и се развиват по отделни пътища.

Класистичната класификация разглежда определени характеристики на организмите, които пряко се отнасят до състоянията на предците в еволюционната биология. Хениг разработи много научни термини, за да опише подхода си към категоризацията, които бяха в основата на неговите идеи и теории. Термините описват групи организми във връзка с определен възел на филогенетично дърво или кладограма:

• Плезиоморфия. Това е родова черта, предавана и запазена от предшественици към потомци по време на еволюцията между един или няколко таксона.

• Апоморфия. Това е производна черта, описваща конкретна клада.

• Аутапоморфия. Това е производна черта, открита само в една от сравняваните групи.

• Синапоморфия. Това е производна черта, споделена от две или повече групи организми, произхождащи от общ прародител.
  

Състояния на характера са черти, получени чрез процеса на естествен подбор, адаптация и наследени вариации, които водят до биологично разнообразие в живота. Като такъв, само синапоморфии са подходящи при разпознаване на еволюционни взаимоотношения. Множество синапоморфи в организмите с общ предшественик са монофилетичен:

• Аутапоморфии са признаци, открити само в един вид или група, които произхождат от общ прародител, като например змийските таксони, които нямат функционални крака, докато следващите най-близки таксони имат два или повече крака.

• Синапоморфии се отнасят до черта, наблюдавана в цяла клада, като противоположни палци при хора и примати.
  

• Хомоплазия е черта, споделена от множество групи, видове и таксони, която не е получена от общ общ прародител. Птиците и бозайниците са топлокръвни, но нямат пряко споделен прародител, притежаващ тази черта, което е пример за конвергентна еволюция.
  

Учените, наречени кладисти, подреждат таксони във филогенетично дърво, което може да разкрие нови еволюционни взаимоотношения. Групировките се правят въз основа на физически, молекулярни, генетични и поведенчески характеристики.

Диаграма, наречена кладограма, показва свързаност, когато видовете се разклоняват от общ прародител в различен момент от еволюционната история.

Кладограмите са разклоняващи диаграми на кладистични данни които подреждат определени характеристики, като например използват сравнителни физически набори от данни или молекулярни данни. Днес изследователите често използват компютърни програми, за да комбинират набори от данни, за да създадат по-точни кладограми, които показват сплотени и всеобхватни връзки между организмите.

Основната методология не е трудна, но всяка стъпка трябва да бъде извършена щателно:

1. Изберете таксони за изследване, като няколко вида птици.
   
2. Изберете и начертайте характеристиките, които искате да изучите.
   
3. Установете дали приликите са хомоложни или продукт на конвергентна еволюция.
   
4. Анализирайте дали споделените характеристики са получени от общ предшественик или са получени по-късно.
   
5. Групирайте синапоморфиите (споделени производни хомоложни черти).
   
6. Изградете кладограма, като подредите групи от организми върху дървовидна диаграма.
   
7. Използвайте възли на клони, за да представите точки, където два вида се разминават.
   
8. Поставете таксони в крайните точки на клоните, а не във възлите.
   

Произходът на традиционни еволюционни методи на класификацията датира от античността. Предполага се, че всички живи организми са растения или животни. Класическите методи не правят разлика между това дали наблюдаваните черти са наследени от далечен предшественик или по-скорошен.

Целта беше да се изготви карта за това как животът на Земята може да се е развил от морето.

Характеристиките, използвани за класификация, се определят от експерти, които разглеждат очевидни разлики като козина, люспи или пера. Подходът работи по-добре за класифициране на гръбначните, отколкото на безгръбначните. Еволюционна класификация поставя организмите в групи с намаляващ размер под три области, които са допълнително разделени на царство, тип / деление, клас, ред, семейство, род и видове.

Кладистичните методи не са обвързани със системата за класификация на Линей и те търсят по-дълбоко за свързаност.

Традиционната систематика подрежда организмите върху еволюционно дърво в зависимост от това кога и как даден вид се е променил като адаптация към нов начин на живот или местообитание, например. Дървото показва посока на еволюцията на време. Субективните оценки на чертите и характеристиките при традиционните методи могат потенциално да пристрастят резултатите и да направят изследването трудно или невъзможно за възпроизвеждане.

Класистичните и филогенетичните методи за класификация са предпочитани в днешно време пред традиционните методи за класификация в естествените науки. По-новият подход е по-научен, основан на доказателства и неопровержим. Например, последователността на ДНК и РНК се използва за изследване на организми на молекулярно ниво за нюансирано поставяне на кладограма.

Организмите са подредени според техните споделени производни характеристики.

Кладистиката в областта на биологията позволява на учените да идентифицират модели, да формират хипотеза, да тестват хипотези и да правят прогнози.

„Кладистиката тогава е свързана с откритията“, както е описано от съвременните кладисти Дейвид М. Уилямс и Малте С. Ebach, през 2018 г. Уилямс и Ебах представят кладистиката като процес на естествена класификация, който не изисква основание в еволюционната теория.

Технологията добавя ниво на точност и изтънченост към кладистичните методи. По-специално, ДНК секвенирането на гени показва степен на родство и споделено потекло с висока степен на увереност. Различията в ДНК могат да дадат представа колко отдавна видовете са споделяли общ прародител.

Новите открития могат или да потвърдят, или да коригират предишни предположения за това как са се развили организмите и да помогнат за класифицирането на нови видове при откриването им.