Kladistik: Definition, metode og eksempler

For millioner af år siden startede en enkelt celle en udvikling der gav anledning til livets træ og dets tre hoveddomæner: Archaea, Bakterier og Eukaryota.

Hver gren er et eksempel på en klade. En klade repræsenterer en gruppe, der inkluderer en fælles forfader og alle efterkommere. Kladistik er en moderne form for taksonomi der placerer organismer på et forgrenet diagram kaldet a cladogram (som et stamtræ) baseret på træk som DNA-ligheder og fylogeni.

Inden for biologi er kladistik en system af taksonomi det indebærer klassificering og organisering af organismer på en fylogenetisk træ af livet. Før DNA-analyse var klassificering stærkt afhængig af observationer af lignende og forskellige træk og adfærd.

Vestlige samfund har brugt klassificering siden Aristoteles i det antikke Grækenland, hvor levende organismer simpelthen blev opdelt i kategorier af planter og dyr med henblik på undersøgelse.

I 1700'erne, Carolus (Carl) Linné udviklet en taksonomi for systematisk biologi baseret på klassificering af organismer efter udseende og fælles træk. Han udviklede et skema til placering af organisme i en

Charles Darwin og Alfred Russel Wallace foreslog ideen om naturlig udvælgelse, og Darwin formaliserede teorien om evolution i midten af ​​1800-tallet. Darwin's Om oprindelsen af ​​arter skød det videnskabelige samfund ved at antyde, at alle organismer stammer fra en fælles forfader og kan klassificeres i henhold til deres evolutionære forhold.

Ornitolog Ernst Mayr var en fremtrædende evolutionær biolog fra det 20. århundrede, der grundigt studerede fugletaksonomi, mens han rejste og arbejdede som kurator på American Museum of Natural History i New York. Hans banebrydende bog Systematik og arternes oprindelse blev udgivet i 1942 af Columbia University Press.

Mayr er kendt for sit arbejde med gener, arvelighed, variation og speciering af populationer i isolerede områder, som kan bruges til klassificeringsformål.

Cladistics er et biologisk klassificeringssystem baseret på analyse af træk, genetisk sammensætning eller fysiologi, der blev delt med en fælles forfader, indtil en eller anden form for afvigelse opstod og producerede ny arter. Tysk taksonom Willi Hennig startede kladistisk klassificering i 1950, da han skrev sin bog om fylogenetisk systematik.

Bogen blev senere oversat til engelsk og læst bredt i Amerika efter at være udgivet af University of Illinois Press i 1966.

Hennigs teori om fylogenetisk systematik udfordrede nutidige tilgange til taksonomi introduceret af Darwin og Wallace.

Han argumenterede for, at arter skulle identificeres og klassificeres baseret på genetik og clade-forhold, især monofyletiske grupper. Hennig slog sig ind på nyere forfædre og identifikation af udviklede, modificerede træk ved organismer, der delte en direkte afstamning - selvom afledte egenskaber ikke lignede de almindelige forfader.

Fylogenetik er studiet af kendte eller hypoteser om evolutionære forhold baseret på fylogeni (afstamning) af grupperede organismer. Livets fylogenetiske træ illustrerer, hvordan taxa (grupper af organismer) udviklede sig i en bestemt rækkefølge, da livet blev diversificeret og forgrenet fra en fælles forfader.

Processen med evolutionær speciering ligner grene på et stamtræ. Fordi der ikke er nogen sikker måde at vide, hvad der skete for længe siden, skal videnskaberne drage slutninger om, hvordan livet udviklede sig ud fra fossile optegnelser, komparativ anatomi, fysiologi, adfærd, embryologi og molekylære data. Evolutionær biologi er et dynamisk felt, hvor der løbende gøres nye opdagelser.

Evolutionære biologer udleder hypotetiske evolutionære forhold mellem taxa baseret på en detaljeret sammenligning af lignende og forskellige karakteristika.

At studere evolutionær afstamning hjælper med at finde ud af, hvornår visse træk opstod og blev overført til efterfølgende generationer. Cladistisk analyse, ligesom fylogenetisk systematik, undersøger evolutionære afstamningsmønstre, der hjælper sammen arternes evolutionære historie og samtidig forklare mangfoldigheden af ​​liv og arter udryddelse.

Kladistik arbejder på den centrale forudsætning, at livet på jorden kun opstod en gang, hvilket betyder, at alt liv kan spores tilbage til den første forfædre organisme. Den næste antagelse er, at eksisterende arter opdeles i to grupper afgrænset af en knude på en trægren. Endelig ændres, tilpasser og udvikler organismer sig formodentlig.

Det punkt for afvigelse repræsenterer begyndelsen på to nye slægter, der forgrener sig og danner to nye arter.

Kladogrammer bruges til at foretage meningsfulde sammenligninger mellem grupper.

I biologi er et cladogram en visuel repræsentation af beslægtede egenskaber i forskellige organismer. Normalt sker gruppering i henhold til bestemte specificerede træk af interesse. Imidlertid kan forskellige datapunkter kombineres for at skabe et mere nøjagtigt evolutionært træ, der forklarer komplekse relationer.

Man kan skelne mellem et kladogram og et fylogenetisk træ, men termerne bruges også til tider. Kladogrammer fokuserer på egenskaber på makro- og molekylært niveau, der indikerer sammenhæng. Et kladogram antyder sandsynlige evolutionære forhold mellem grupper af organismer eller taxaer, der kan være små eller store i antal:

• Monofyletisk taxon. En klade af organismer, der inkluderer deres seneste fælles forfader og alle de levende og uddøde efterkommere. For eksempel er der tre clades af pattedyr: monotremer, pungdyr og eutherians. Pattedyr har mange karakteristika, men adskiller sig i den måde, de reproducerer på.
  

• Parafyletisk taxon. En gruppe organismer, der inkluderer den mest almindelige forfader af alle medlemmer men udelader nogle af efterkommerne det spor tilbage til den samme fælles forfader. Bryophyta er parafyletiske, fordi gruppen inkluderer hornworts, leverurt og moser men udelukker karplanter.

• Polyfyletisk taxon. En gruppe organismer, der ikke har meget til fælles andet end nogle lignende træk. På et tidspunkt blev pachydermer som elefanter og flodheste klumpet sammen på grund af deres hudtype, selvom de faktisk tilhører forskellige pattedyrfamilier.
  

Multicellular eukaryoter gav anledning til en overflod af stadig mere komplekse organismer.

For eksempel sporer fisk og mennesker tilbage til en fælles forfader for millioner af år siden. Det komplicerede forhold kan afbildes på et simpelt kladogram, der illustrerer de kladistiske forhold. Start med at se en forfædres eukaryot i bunden af ​​træet.

Da den fælles forfader udviklede sig, forgrenede en knude på træet sig til hvirveldyr i vand som kæbefri fisk. Ved den næste knudepunkt divergerede grenen i firbenede tetrapoder.

Den næste knude viser en divergens, når dyr udviklede fostervandsæg, efterfulgt af en split, når dyr udviklede pels eller hår. Meget senere divergerede mennesker og primater ad forskellige stier.

Cladistisk klassifikation ser på visse karakteristika ved organismer, der direkte bærer på forfædres tilstande i evolutionær biologi. Hennig udviklede mange videnskabelige udtryk for at beskrive sin tilgang til kategorisering, som var medvirkende til hans ideer og teorier. Udtrykkene beskriver grupper af organismer i forhold til en bestemt knude på et fylogenetisk træ eller kladogram:

• Plesiomorphy. Dette er et forfædreegenskab, der overføres og bevares fra forfædres arter til efterkommende arter under evolutionen mellem en enkelt eller flere taxaer.

• Apomorphy. Dette er et afledt træk, der beskriver en bestemt klade.

• Autapomorphy. Dette er et afledt træk, der kun findes i en af ​​grupperne, der sammenlignes.

• Synapomorphy. Dette er et afledt træk, der deles af to eller flere grupper af organismer, der stammer fra en fælles forfader.
  

Karaktertilstande er træk afledt af processen med naturlig selektion, tilpasning og nedarvet variation, der fører til biodiversitet i livet. Som sådan kun synapomorfier er relevante, når man skelner til evolutionære forhold. Flere synapomorfier i organismer med en delt forfader er monofyletisk:

• Autapomorphies er træk, der kun findes i en art eller gruppe, der stammer fra en fælles forfader, såsom slangetaxa, der ikke har nogen funktionelle ben, mens den næste tætteste taxa har to eller flere ben.

• Synapomorfier henviser til et træk set i en hel klade som modsatrettede tommelfingre hos mennesker og primater.
  

• Homoplasi er et træk, der deles af flere grupper, arter og taxa, der ikke stammer fra en fælles fælles forfader. Fugle og pattedyr er varmblodige, men har ikke en direkte delt forfader, der havde det træk, hvilket er et eksempel på konvergerende udvikling.
  

Forskere kaldet cladists arrangerer taxa i et fylogenetisk træ, der kan afsløre nye evolutionære forhold. Grupperinger er baseret på fysiske, molekylære, genetiske og adfærdsmæssige egenskaber.

Et diagram kaldet et cladogram viser sammenhæng, når arter forgrenes fra en fælles forfader på forskellige tidspunkter i evolutionær historie.

Kladogrammer er forgreningsdiagrammer af kladistiske data der f.eks. arrangerer visse karakteristika ved hjælp af sammenlignende fysiske datasæt eller molekylære data. Forskere i dag bruger ofte computerprogrammer til at kombinere datasæt for at skabe mere nøjagtige kladogrammer, der viser sammenhængende og omfattende forhold mellem organismer.

Grundlæggende metode er ikke vanskelig, men hvert trin skal udføres omhyggeligt:

1. Vælg taxa at studere, såsom flere fuglearter.
   
2. Vælg og kortlæg de egenskaber, du ønsker at studere.
   
3. Find ud af, om ligheder er homologe eller produktet af konvergent evolution.
   
4. Analyser, om de delte egenskaber er afledt af en fælles forfader eller afledt senere.
   
5. Gruppér synapomorfierne (delte afledte homologe træk).
   
6. Byg et cladogram ved at arrangere grupper af organismer på et treelik diagram.
   
7. Brug noder på grene til at repræsentere punkter, hvor to arter divergerede.
   
8. Placer taxa på slutpunkterne for grene, ikke ved knudepunkter.
   

Oprindelsen til traditionelle evolutionære metoder klassificering dateres tilbage til antikken. Alle levende organismer blev antaget at være planter eller dyr. Klassiske metoder skelner ikke mellem, om observerede træk blev nedarvet fra en fjern forfader eller en nyere.

Målet var at udarbejde et kort over, hvordan livet på jorden kan have udviklet sig fra havet.

Karakteristika anvendt til klassificering bestemmes af eksperter, der ser på åbenlyse forskelle som pels, skæl eller fjer. Metoden fungerede bedre til klassificering af hvirveldyr end hvirvelløse dyr. Evolutionær klassificering placerer organismer i grupper af faldende størrelse under tre domæner, der yderligere er opdelt i kongerige, fylum / opdeling, klasse, orden, familie, slægt og art.

Kladistiske metoder er ikke bundet til Linnean-klassificeringssystemet, og de undersøger dybere for forbindelse.

Traditionel systematik arrangerer organismer på et evolutionært træ efter hvornår og hvordan en art ændrede sig som en tilpasning til en ny livsstil eller habitat, for eksempel. Træet viser retning af evolution i tide. Subjektive vurderinger af træk og karakteristika i traditionelle metoder kan potentielt påvirke resultaterne og gøre en undersøgelse vanskelig eller umulig at replikere.

Kladistiske og fylogenetiske klassificeringsmetoder foretrækkes i dag frem for traditionelle metoder til klassificering inden for naturvidenskab. Den nyere tilgang er mere videnskabelig, evidensbaseret og uigenkaldelig. For eksempel bruges DNA- og RNA-sekventering til at undersøge organismer på molekylært niveau for nuanceret placering på et cladogram.

Organismer er arrangeret efter deres delte afledte egenskaber.

Kladistik inden for biologi giver forskere mulighed for at identificere mønstre, danne en hypotese, teste hypoteser og forudsige.

"Cladistics handler derfor om opdagelse", som beskrevet af nutidige cladists, David M. Williams og Malte C. Ebach, i 2018. Williams og Ebach forestiller sig kladistik som en proces til naturlig klassificering, der ikke kræver forankring i evolutionsteorien.

Teknologi tilføjer et niveau af præcision og sofistikering til kladistikmetoder. Navnlig DNA-sekventering af gener indikerer grad af sammenhæng og fælles herkomst med en høj grad af tillid. Forskelle i DNA kan give indsigt i, hvor længe siden arter delte en fælles forfader.

Nye fund kan enten bekræfte eller rette tidligere antagelser om, hvordan organismer udviklede sig, og hjælpe med at klassificere nye arter, efterhånden som de opdages.