Cladistik: Definition, Methode & Beispiele

Vor Millionen von Jahren begann eine einzelne Zelle Evolution Daraus entstand der Baum des Lebens und seine drei Hauptbereiche: Archaea, Bacteria und Eukaryota.

Jeder Zweig ist ein Beispiel für a Klade. Eine Klade stellt eine Gruppe dar, die einen gemeinsamen Vorfahren und alle Nachkommenschaft. Kladistik ist eine moderne Form von Taxonomie das platziert Organismen in einem verzweigten Diagramm namens a called Kladogramm (wie ein Stammbaum) basierend auf Merkmalen wie DNA-Ähnlichkeiten und Phylogenie.

In der Biologie ist die Kladistik ein System von Taxonomie das beinhaltet die Klassifizierung und Anordnung von Organismen auf einem Stammbaum des Lebens. Vor der DNA-Analyse stützte sich die Klassifizierung stark auf Beobachtungen ähnlicher und unterschiedlicher Merkmale und Verhaltensweisen.

Westliche Gesellschaften haben die Klassifizierung seit den Tagen des Aristoteles im antiken Griechenland verwendet, als lebende Organismen zu Studienzwecken einfach in Kategorien von Pflanzen und Tieren unterteilt wurden.

In den 1700er Jahren, Carolus (Carl) Linné entwickelte eine Taxonomie der systematischen Biologie auf der Grundlage der Klassifizierung von Organismen nach äußerem Erscheinungsbild und gemeinsamen Merkmalen. Er entwickelte ein Schema, um den Organismus in a. zu platzieren hierarchisches Taxon (eine Gruppe; Singular), das mehrere umfasste Taxa (Gruppen; Plural). Linné entwickelte auch die binomiale Nomenklatur – ein System zur Vergabe wissenschaftlicher Namen wie Homo sapiens (Mensch) zu Organismen.

Charles Darwin und Alfred Russel Wallace schlug die Idee der natürlichen Selektion vor, und Darwin formalisierte Mitte des 19. Jahrhunderts die Evolutionstheorie. Darwins Zur Entstehung der Arten erschütterte die wissenschaftliche Gemeinschaft mit der Annahme, dass alle Organismen von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen und nach ihren evolutionären Verwandtschaften klassifiziert werden könnten.

Ornithologe Ernst Mayr war ein herausragender Evolutionsbiologe des 20. Jahrhunderts, der sich auf Reisen und als Kurator am American Museum of Natural History in New York eingehend mit der Vogeltaxonomie beschäftigte. Sein bahnbrechendes Buch Systematik und die Entstehung der Arten wurde 1942 von der Columbia University Press veröffentlicht.

Mayr ist bekannt für seine Arbeiten zu Genen, Vererbung, Variation und Artbildung von Populationen in isolierten Gebieten, die für Klassifikationszwecke verwendet werden können.

Cladistik ist ein biologisches Klassifikationssystem, das auf der Analyse von Merkmalen, genetischer Ausstattung oder Physiologie, die mit einem gemeinsamen Vorfahren geteilt wurden, bis eine Art von Divergenz auftrat und neue Spezies. deutscher Taxonom Willi Hennig Starthilfe kladistische Klassifikation 1950, als er sein Buch über phylogenetische Systematik.

Das Buch wurde später ins Englische übersetzt und in Amerika weithin gelesen, nachdem es 1966 von der University of Illinois Press veröffentlicht wurde.

Hennigs Theorie der phylogenetischen Systematik forderte zeitgenössische Ansätze zur Taxonomie von Darwin und Wallace eingeführt.

Er argumentierte, dass Arten auf der Grundlage von Genetik und Kladenbeziehungen identifiziert und klassifiziert werden sollten, insbesondere monophyletische Gruppen. Hennig befasste sich mit den jüngsten Vorfahren und der Identifizierung weiterentwickelter, modifizierter Merkmale von Organismen, die teilten eine direkte Abstammung – auch wenn abgeleitete Merkmale nicht mit denen des gemeinsamen übereinstimmten Vorfahr.

Phylogenetik ist das Studium bekannter oder hypothetischer evolutionärer Beziehungen auf der Grundlage der Phylogenie (Abstammung) von gruppierten Organismen. Der phylogenetische Baum des Lebens veranschaulicht, wie sich Taxa (Gruppen von Organismen) in einer bestimmten Reihenfolge entwickelten, als sich das Leben diversifizierte und von einem gemeinsamen Vorfahren abstammte.

Der Prozess der evolutionären Artbildung sieht aus wie Äste auf einem Stammbaum. Da es keine sichere Möglichkeit gibt, zu wissen, was vor so langer Zeit passiert ist, müssen die Wissenschaften Rückschlüsse auf die Entwicklung des Lebens ziehen, basierend auf fossile Aufzeichnungen, vergleichende Anatomie, Physiologie, Verhalten, Embryologie und molekulare Daten. Die Evolutionsbiologie ist ein dynamisches Feld, in dem ständig neue Entdeckungen gemacht werden.

Evolutionsbiologen folgern hypothetische evolutionäre Beziehungen zwischen Taxa basierend auf einem detaillierten Vergleich ähnlicher und unterschiedlicher Merkmale.

Das Studium der evolutionären Abstammung hilft dabei herauszufinden, wann bestimmte Merkmale entstanden und an nachfolgende Generationen weitergegeben wurden. Die kladistische Analyse untersucht, wie die phylogenetische Systematik, evolutionäre Abstammungsmuster, die dabei helfen die Evolutionsgeschichte der Arten zusammen und erklären gleichzeitig die Vielfalt von Leben und Arten Aussterben.

Die Kladistik geht von der zentralen Prämisse aus, dass das Leben auf der Erde nur einmal entstanden ist, was bedeutet, dass alles Leben auf diesen ersten Urorganismus zurückgeführt werden kann. Die nächste Annahme ist, dass bestehende Arten sich in zwei Gruppen aufspalten, die durch einen Knoten auf einem Ast abgegrenzt sind. Schließlich verändern sich Organismen vermutlich, passen sich an und entwickeln sich weiter.

Das Abweichungspunkt stellt den Beginn von zwei neuen Linien dar, die sich verzweigen und zwei neue Arten bilden.

Kladogramme werden verwendet, um aussagekräftige Vergleiche zwischen Gruppen anzustellen.

In der Biologie ist ein Kladogramm a visuelle Darstellung von verwandten Eigenschaften in verschiedenen Organismen. Normalerweise erfolgt die Gruppierung nach bestimmten spezifischen Merkmalen von Interesse. Allerdings können verschiedene Datenpunkte kombiniert werden, um einen genaueren Evolutionsbaum zu erstellen, der komplexe Zusammenhänge erklärt.

Es kann zwischen einem Kladogramm und einem phylogenetischen Baum unterschieden werden, die Begriffe werden jedoch manchmal auch synonym verwendet. Kladogramme konzentrieren sich auf Merkmale auf makro- und molekularer Ebene, die auf Verwandtschaft hinweisen. Ein Kladogramm deutet auf wahrscheinliche evolutionäre Beziehungen zwischen Gruppen von Organismen oder Taxa hin, die klein oder groß sein können:

• Monophyletisches Taxon. Eine Gruppe von Organismen, die einschließt ihr jüngster gemeinsamer Vorfahre und alle die lebenden und ausgestorbenen Nachkommenschaft. Zum Beispiel gibt es drei Gruppen von Säugetieren: Monotreme, Beuteltiere und Eutherianer. Säugetiere teilen viele Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie sie sich fortpflanzen.
  

• Paraphyletisches Taxon. Eine Gruppe von Organismen, die beinhaltet den häufigsten Vorfahren aller Mitglieder aber lässt einige der Nachkommen aus die auf denselben gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Bryophyta sind paraphyletisch, weil die Gruppe umfasst Hornkraut, Lebermoose und Moose ausgenommen Gefäßpflanzen.

• Polyphyletisches Taxon. Eine Gruppe von Organismen, die nicht viel gemeinsam haben außer einige ähnliche Eigenschaften. Früher wurden Dickhäuter wie Elefanten und Nilpferde aufgrund ihres Hauttyps in einen Topf geworfen, obwohl sie eigentlich zu verschiedenen Säugetierfamilien gehören.
  

Mehrzellig Eukaryoten führte zu einer Fülle von immer komplexer werdenden Organismen.

Zum Beispiel gehen Fische und Menschen vor Millionen von Jahren auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück. Diese komplizierte Beziehung kann auf einem einfachen Kladogramm dargestellt werden, das die kladistischen Beziehungen veranschaulicht. Stellen Sie sich zunächst einen angestammten Eukaryoten am Fuß des Baumes vor.

Als sich der gemeinsame Vorfahre entwickelte, verzweigte sich ein Knoten des Baumes in Wasserwirbeltiere wie kieferlose Fische. Am nächsten Knoten divergierte der Zweig in vierbeinige Tetrapoden.

Der nächste Knoten zeigt eine Divergenz, wenn Tiere Fruchtwassereier entwickelten, gefolgt von einer Spaltung, wenn Tiere Fell oder Haare entwickelten. Viel später trennten sich Menschen und Primaten voneinander und entwickelten sich auf unterschiedlichen Wegen.

Die kladistische Klassifikation befasst sich mit bestimmten Merkmalen von Organismen, die sich direkt auf den Zustand der Vorfahren in der Evolutionsbiologie auswirken. Hennig entwickelte viele wissenschaftliche Begriffe, um seinen Ansatz zur Kategorisierung zu beschreiben, die für seine Ideen und Theorien maßgeblich waren. Die Begriffe beschreiben Gruppen von Organismen in Bezug auf einen bestimmten Knoten in einem phylogenetischen Baum oder Kladogramm:

• Plesiomorphie. Dies ist ein Merkmal der Vorfahren, das während der Evolution zwischen einem einzelnen oder mehreren Taxa von den Vorfahrenarten an die nachkommenden Arten weitergegeben und beibehalten wurde.

• Apomorphie. Dies ist ein abgeleitetes Merkmal, das eine bestimmte Klade beschreibt.

• Autapomorphie. Dies ist ein abgeleitetes Merkmal, das nur in einer der verglichenen Gruppen gefunden wird.

• Synapomorphie. Dies ist ein abgeleitetes Merkmal, das von zwei oder mehr Gruppen von Organismen geteilt wird, die von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.
  

Charakterzustände sind Merkmale, die durch den Prozess der natürlichen Selektion, Anpassung und ererbten Varianz abgeleitet werden und zu Biodiversität im Leben führen. Als solche nur Synapomorphien sind relevant, um evolutionäre Beziehungen zu erkennen. Mehrere Synapomorphien in Organismen mit einem gemeinsamen Vorfahren sind monophyletisch:

• Autapomorphien sind Merkmale, die nur bei einer Art oder Gruppe vorkommen, die von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, wie zum Beispiel das Schlangentaxa, das keine funktionellen Beine hat, während die nächstnächsten Taxa zwei oder mehr Beine haben.

• Synapomorphien beziehen sich auf ein Merkmal, das in einer ganzen Gruppe zu sehen ist, wie zum Beispiel opponierbare Daumen bei Menschen und Primaten.
  

• Homoplasie ist ein Merkmal, das von mehreren Gruppen, Arten und Taxa geteilt wird und nicht von einem gemeinsamen Vorfahren abgeleitet ist. Vögel und Säugetiere sind warmblütig, haben aber keinen direkten gemeinsamen Vorfahren mit dieser Eigenschaft, was ein Beispiel für konvergente Evolution ist.
  

Wissenschaftler, die Cladisten genannt werden, ordnen Taxa in einem phylogenetischen Baum an, der neue evolutionäre Beziehungen aufdecken könnte. Gruppierungen werden basierend auf physikalischen, molekularen, genetischen und Verhaltensmerkmalen vorgenommen.

Ein als Kladogramm bezeichnetes Diagramm zeigt Verwandtschaft, wann immer sich Arten zu verschiedenen Zeitpunkten in der Evolutionsgeschichte von einem gemeinsamen Vorfahren abgezweigt haben.

Kladogramme sind Verzweigungsdiagramme von kladistische Daten die bestimmte Merkmale zum Beispiel anhand von vergleichenden physikalischen Datensätzen oder molekularen Daten anordnen. Forscher verwenden heute häufig Computerprogramme, um Datensätze zu kombinieren, um genauere Kladogramme zu erstellen, die zusammenhängende und umfassende Beziehungen zwischen Organismen zeigen.

Die grundlegende Methodik ist nicht schwierig, aber jeder Schritt muss sorgfältig ausgeführt werden:

1. Wählen Sie Taxa aus, die Sie studieren möchten, z. B. mehrere Vogelarten.
   
2. Wählen Sie die Eigenschaften aus, die Sie studieren möchten, und zeichnen Sie sie auf.
   
3. Stellen Sie fest, ob Ähnlichkeiten homolog oder das Produkt konvergenter Evolution sind.
   
4. Analysieren Sie, ob die gemeinsamen Merkmale von einem gemeinsamen Vorfahren oder später abgeleitet wurden.
   
5. Gruppieren Sie die Synapomorphien (gemeinsame abgeleitete homologe Merkmale).
   
6. Erstellen Sie ein Kladogramm, indem Sie Gruppen von Organismen in einem baumartigen Diagramm anordnen.
   
7. Verwenden Sie Knoten an Zweigen, um Punkte darzustellen, an denen zwei Arten divergierten.
   
8. Platzieren Sie Taxa an den Endpunkten von Zweigen, nicht an Knoten.
   

Die Ursprünge von traditionelle evolutionäre Methoden der Klassifikation reichen bis in die Antike zurück. Alle lebenden Organismen wurden als Pflanzen oder Tiere angenommen. Klassische Methoden machten keinen Unterschied, ob beobachtete Merkmale von einem entfernten Vorfahren oder einem neueren Vorfahren geerbt wurden.

Ziel war es, eine Karte zu erstellen, wie sich das Leben auf der Erde aus dem Meer entwickelt haben könnte.

Die zur Klassifizierung verwendeten Merkmale werden von Experten bestimmt, die auf offensichtliche Unterschiede wie Fell, Schuppen oder Federn achten. Der Ansatz funktionierte besser für die Klassifizierung von Wirbeltieren als für Wirbellose. Evolutionäre Klassifikation ordnet Organismen in Gruppen abnehmender Größe unter drei Domänen ein, die weiter in Königreich, Stamm/Abteilung, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art unterteilt sind.

Kladistische Methoden sind nicht an das Linnean-Klassifikationssystem gebunden und suchen tiefer nach Konnektivität.

Die traditionelle Systematik ordnet Organismen auf einem Evolutionsbaum danach an, wann und wie sich eine Art verändert hat, beispielsweise als Anpassung an einen neuen Lebensstil oder Lebensraum. Der Baum zeigt Richtung der Evolution rechtzeitig. Subjektive Bewertungen von Merkmalen und Merkmalen traditioneller Methoden können die Ergebnisse möglicherweise verzerren und die Replikation einer Studie erschweren oder unmöglich machen.

Kladistische und phylogenetische Klassifikationsmethoden werden heute traditionellen naturwissenschaftlichen Klassifikationsmethoden vorgezogen. Der neuere Ansatz ist wissenschaftlicher, evidenzbasierter und unwiderlegbar. Zum Beispiel wird die DNA- und RNA-Sequenzierung verwendet, um Organismen auf molekularer Ebene zu untersuchen, um sie nuanciert auf einem Kladogramm zu platzieren.

Organismen werden nach ihrer gemeinsame abgeleitete Merkmale.

Die Kladistik im Bereich der Biologie ermöglicht es Wissenschaftlern, Muster zu erkennen, Hypothesen zu bilden, Hypothesen zu testen und Vorhersagen zu treffen.

„In der Kladistik geht es also um Entdeckungen“, wie die zeitgenössischen Kladisten David M. Williams und Malte C. Ebach, 2018. Williams und Ebach stellen sich die Kladistik als einen Prozess der natürlichen Klassifikation vor, der keine evolutionstheoretische Grundlage erfordert.

Die Technologie fügt den kladistischen Methoden ein Maß an Präzision und Raffinesse hinzu. Insbesondere die DNA-Sequenzierung von Genen weist mit hoher Sicherheit auf den Grad der Verwandtschaft und gemeinsamen Abstammung hin. Unterschiede in der DNA können Aufschluss darüber geben, wie lange vor langer Zeit Arten einen gemeinsamen Vorfahren hatten.

Neue Erkenntnisse können frühere Annahmen über die Entwicklung von Organismen entweder bestätigen oder korrigieren und helfen, neue Arten zu klassifizieren, sobald sie entdeckt werden.