Cladistics: Ορισμός, Μέθοδος & Παραδείγματα

Πριν από εκατομμύρια χρόνια, ένα μόνο κελί ξεκίνησε ένα εξέλιξη που δημιούργησε το δέντρο της ζωής και τους τρεις κύριους τομείς του: Αρχαία, Βακτήρια και Ευκαρυώτα.

Κάθε κλάδος είναι ένα παράδειγμα α clade. Ένα clade αντιπροσωπεύει μια ομάδα που περιλαμβάνει έναν κοινό πρόγονο και όλα απόγονοι. Κλαδιστική είναι μια σύγχρονη μορφή ταξινομία που τοποθετεί τους οργανισμούς σε ένα διακλαδισμένο διάγραμμα που ονομάζεται a κλαδόγραμμα (όπως ένα οικογενειακό δέντρο) βασισμένο σε χαρακτηριστικά όπως ομοιότητες DNA και φυλογενέσεις

Στον τομέα της βιολογίας, το cladistics είναι ένα σύστημα του ταξινομία που περιλαμβάνει την ταξινόμηση και την τακτοποίηση των οργανισμών σε ένα φυλογενετικό δέντρο της ζωής. Πριν από την ανάλυση του DNA, η ταξινόμηση βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε παρατηρήσεις παρόμοιων και διαφορετικών χαρακτηριστικών και συμπεριφοράς.

Οι δυτικές κοινωνίες έχουν χρησιμοποιήσει την ταξινόμηση από τις ημέρες του Αριστοτέλη στην αρχαία Ελλάδα, όταν ζωντανοί οργανισμοί χωρίστηκαν απλώς σε κατηγορίες φυτών και ζώων για σκοπούς μελέτης.

Στα 1700, Κάρολος (Καρλ) Λινναίος ανέπτυξε μια ταξινόμηση της συστηματικής βιολογίας που βασίζεται στην ταξινόμηση των οργανισμών από εξωτερικές εμφανίσεις και κοινά χαρακτηριστικά. Ανέπτυξε ένα σχήμα για την τοποθέτηση του οργανισμού σε ένα ιεραρχική ταξινόμηση (μία ομάδα; ενικό) που περιελάμβανε πολλά ταξί (ομάδες; πληθυντικός). Λινναίος ανέπτυξε επίσης διωνυμική ονοματολογία - ένα σύστημα εκχώρησης επιστημονικών ονομάτων όπως Homo sapiens (άνθρωπος) σε οργανισμούς.

Τσαρλς Ντάργουιν και Άλφρεντ Ράσελ Γουάλας πρότεινε την ιδέα της φυσικής επιλογής και ο Δαρβίνος επισημοποίησε τη θεωρία της εξέλιξης στα μέσα του 1800. Ο Δαρβίνος Σχετικά με την προέλευση των ειδών συγκλόνισε την επιστημονική κοινότητα προτείνοντας ότι όλοι οι οργανισμοί προέρχονταν από έναν κοινό πρόγονο και μπορούσαν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τις εξελικτικές τους σχέσεις.

Ορνιθολόγος Έρντ Μάιρ ήταν ένας διακεκριμένος εξελικτικός βιολόγος του 20ού αιώνα που μελετούσε εκτενώς την ταξινομία των πτηνών ενώ ταξίδευε και εργαζόταν ως επιμελητής στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Νέα Υόρκη Το πρωτοποριακό βιβλίο του Συστηματική και η προέλευση των ειδών δημοσιεύθηκε το 1942 από τον Columbia University Press.

Ο Mayr είναι γνωστός για τη δουλειά του για τα γονίδια, την κληρονομικότητα, τη διαφοροποίηση και τον προσδιορισμό των πληθυσμών σε απομονωμένες περιοχές, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς ταξινόμησης.

Το Cladistics είναι ένα βιολογικό σύστημα ταξινόμησης που βασίζεται στην ανάλυση των χαρακτηριστικών, στη γενετική σύνθεση ή φυσιολογία που μοιράστηκε με έναν κοινό πρόγονο έως ότου εμφανίστηκε κάποιο είδος απόκλισης, παράγοντας νέο είδος. Γερμανός ταξινομικός Ουίλι Χένιγκ ξεκίνησε κλασική ταξινόμηση το 1950 όταν έγραψε το βιβλίο του φυλογενετική συστηματική.

Το βιβλίο μεταφράστηκε αργότερα στα Αγγλικά και διαβάστηκε ευρέως στην Αμερική μετά τη δημοσίευσή του από το Πανεπιστήμιο του Illinois Press το 1966.

Η θεωρία της φυλογενετικής συστηματικής του Hennig αμφισβήτησε τις σύγχρονες προσεγγίσεις ταξινομία εισήχθησαν από τους Darwin και Wallace.

Υποστήριξε ότι τα είδη πρέπει να ταυτοποιηθούν και να ταξινομηθούν με βάση τη γενετική και τις σχέσεις clade, ιδιαίτερα τις μονοφυτικές ομάδες. Ο Χένιγκ ​​έγραψε την πρόσφατη καταγωγή και τον εντοπισμό των εξελιγμένων, τροποποιημένων χαρακτηριστικών των οργανισμών που μοιράστηκε μια άμεση γενεαλογία - ακόμη και αν τα παράγωγα χαρακτηριστικά δεν ήταν παρόμοια με αυτά του κοινού πρόγονος.

Φυλογενετική είναι η μελέτη γνωστών ή υποθετικών εξελικτικών σχέσεων που βασίζονται στο φιλογένεια (γενεαλογία) ομαδοποιημένων οργανισμών. Το φυλογενετικό δέντρο της ζωής δείχνει τον τρόπο με τον οποίο τα ταξί (ομάδες οργανισμών) εξελίχθηκαν με μια συγκεκριμένη σειρά καθώς η ζωή διαφοροποιήθηκε και διακλαδίστηκε από έναν κοινό πρόγονο.

Η διαδικασία της εξελικτικής κερδοσκοπίας μοιάζει με κλαδιά σε ένα οικογενειακό δέντρο. Επειδή δεν υπάρχει σίγουρος τρόπος να γνωρίζουμε τι συνέβη εδώ και πολύ καιρό, οι επιστήμες πρέπει να αντλήσουν συμπεράσματα σχετικά με το πώς εξελίχθηκε η ζωή απολιθώματα, συγκριτική ανατομία, φυσιολογία, συμπεριφορά, εμβρυολογία και μοριακά δεδομένα. Η εξελικτική βιολογία είναι ένα δυναμικό πεδίο όπου συνεχώς γίνονται νέες ανακαλύψεις.

Οι εξελικτικοί βιολόγοι συμπεραίνουν υποθετικές εξελικτικές σχέσεις μεταξύ των ταξί με βάση μια λεπτομερή σύγκριση παρόμοιων και διαφορετικών χαρακτηριστικών.

Η μελέτη της εξελικτικής καταγωγής βοηθά να εντοπιστεί όταν εμφανίστηκαν ορισμένα χαρακτηριστικά και μεταβιβάστηκαν στις επόμενες γενιές. Η κλαδική ανάλυση, όπως η φυλογενετική συστηματική, εξετάζει τα εξελικτικά μοτίβα καθόδου που βοηθούν μαζί την εξελικτική ιστορία των ειδών, ενώ εξηγεί επίσης την ποικιλομορφία της ζωής και των ειδών εξαφανίσεις.

Το Cladistics λειτουργεί στην κεντρική υπόθεση ότι η ζωή στη Γη προήλθε μόνο μία φορά, πράγμα που σημαίνει ότι όλη η ζωή μπορεί να εντοπιστεί στον πρώτο προγονικό οργανισμό. Η επόμενη υπόθεση είναι ότι τα υπάρχοντα είδη χωρίζονται σε δύο ομάδες που οριοθετούνται από έναν κόμβο σε ένα κλαδί δέντρου. Τέλος, οι οργανισμοί πιθανώς αλλάζουν, προσαρμόζονται και εξελίσσονται.

ο σημείο απόκλισης αντιπροσωπεύει την αρχή δύο νέων γενεών που διακλαδίζονται και σχηματίζουν δύο νέα είδη.

Τα κλαδογράμματα χρησιμοποιούνται για να κάνουν ουσιαστικές συγκρίσεις μεταξύ ομάδων.

Στη βιολογία, ένα κλαδόγραμμα είναι ένα οπτική αναπαράσταση σχετικών χαρακτηριστικών σε διάφορους οργανισμούς. Συνήθως, η ομαδοποίηση γίνεται σύμφωνα με ορισμένα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος. Ωστόσο, διαφορετικά σημεία δεδομένων μπορούν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν ένα πιο ακριβές εξελικτικό δέντρο που εξηγεί πολύπλοκες σχέσεις.

Μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ ενός κλαδογράμματος και ενός φυλογενετικού δέντρου, αλλά οι όροι χρησιμοποιούνται επίσης εναλλακτικά κατά καιρούς. Τα κλαδογράμματα επικεντρώνονται σε χαρακτηριστικά σε μακροοικονομικό και μοριακό επίπεδο που υποδεικνύουν συγγένεια. Ένα κλαδόγραμμα προτείνει πιθανές εξελικτικές σχέσεις μεταξύ ομάδων οργανισμών ή ταξί που μπορεί να είναι μικρές ή μεγάλες σε αριθμό:

• Μονοφυτικό ταξί. Μια ομάδα οργανισμών που περιλαμβάνει τον πιο πρόσφατο κοινό τους πρόγονο και όλα τα ζωντανά και εξαφανισμένα απόγονοι. Για παράδειγμα, υπάρχουν τρεις ομάδες θηλαστικών: μονομερή, μαρσούπια και ευθέριος. Τα θηλαστικά μοιράζονται πολλά χαρακτηριστικά αλλά διαφέρουν ως προς τον τρόπο αναπαραγωγής τους.
  

• Παραφυτικό ταξί. Μια ομάδα οργανισμών που περιλαμβάνει τον πιο κοινό πρόγονο όλων των μελών αλλά αφήνει μερικούς από τους απογόνους που εντοπίζονται στον ίδιο κοινό πρόγονο. Bryophyta είναι παραφυτικά επειδή η ομάδα περιλαμβάνει κέρατα, συκώτι και βρύα αλλά δεν περιλαμβάνει αγγειακά φυτά.

• Πολυφυλετικό ταξί. Μια ομάδα οργανισμών που δεν έχουν πολλά κοινά εκτός από μερικά παρόμοια χαρακτηριστικά. Κάποια στιγμή, παχύδερμα όπως ελέφαντες και ιπποπόταμοι συνενώθηκαν λόγω του τύπου του δέρματος τους, παρόλο που ανήκουν σε διαφορετικές οικογένειες θηλαστικών.
  

Πολυκύτταρος ευκαρυώτες προκάλεσε αφθονία ολοένα και πιο περίπλοκων οργανισμών.

Για παράδειγμα, τα ψάρια και οι άνθρωποι εντοπίζονται σε έναν κοινό πρόγονο πριν από εκατομμύρια χρόνια. Αυτή η περίπλοκη σχέση μπορεί να απεικονιστεί σε ένα απλό κλαδόγραμμα που απεικονίζει τις κλαδικές σχέσεις. Ξεκινήστε απεικονίζοντας ένα προγονικό ευκαρυωτικό στη βάση του δέντρου.

Καθώς ο κοινός πρόγονος εξελίχθηκε, ένας κόμβος στο δέντρο διακλαδίστηκε σε υδρόβια σπονδυλωτά όπως τα ψάρια χωρίς γνάθο. Στον επόμενο κόμβο, το κλαδί αποκλίνει σε τετράποδα τετράποδα.

Ο επόμενος κόμβος δείχνει μια απόκλιση όταν τα ζώα ανέπτυξαν αμνιακά αυγά, ακολουθούμενο από διάσπαση όταν τα ζώα ανέπτυξαν γούνα ή μαλλιά. Πολύ αργότερα, οι άνθρωποι και τα πρωτεύοντα αποκλίθηκαν και εξελίχθηκαν σε ξεχωριστές διαδρομές.

Η κλασική ταξινόμηση εξετάζει ορισμένα χαρακτηριστικά οργανισμών που έχουν άμεση επίπτωση στις προγονικές καταστάσεις της εξελικτικής βιολογίας. Ο Hennig ανέπτυξε πολλούς επιστημονικούς όρους για να περιγράψει την προσέγγισή του στην κατηγοριοποίηση, οι οποίοι ήταν καθοριστικοί για τις ιδέες και τις θεωρίες του. Οι όροι περιγράφουν ομάδες οργανισμών σε σχέση με έναν συγκεκριμένο κόμβο σε ένα φυλογενετικό δέντρο ή ένα κλαδόγραμμα:

• Plesiomorphy. Αυτό είναι ένα προγονικό χαρακτηριστικό που μεταβιβάστηκε και διατηρήθηκε από τα είδη των προγόνων σε απόγονα είδη κατά τη διάρκεια της εξέλιξης μεταξύ ενός μόνο ή πολλαπλών ταξί.

• Απομορφή. Αυτό είναι ένα παράγωγο χαρακτηριστικό που περιγράφει ένα συγκεκριμένο clade.

• Autapomorphy. Αυτό είναι ένα παράγωγο χαρακτηριστικό που βρίσκεται μόνο σε μία από τις ομάδες που συγκρίνονται.

• Σύνομορ. Αυτό είναι ένα παράγωγο χαρακτηριστικό που μοιράζονται δύο ή περισσότερες ομάδες οργανισμών που προέρχονται από έναν κοινό πρόγονο.
  

Καταστάσεις χαρακτήρων είναι χαρακτηριστικά που προέρχονται από τη διαδικασία της φυσικής επιλογής, προσαρμογής και κληρονομικής διακύμανσης που οδηγούν στη βιοποικιλότητα στη ζωή. Ως εκ τούτου, μόνο συναπόμορφες είναι συναφείς όταν διακρίνουμε εξελικτικές σχέσεις. Πολλαπλές συναπόμορφες σε οργανισμούς με κοινό πρόγονο είναι μονοφυτικό:

• Αυτόματες μορφές είναι χαρακτηριστικά που εντοπίζονται σε ένα μόνο είδος ή ομάδα που προέρχεται από έναν κοινό πρόγονο, όπως τα ταξί φιδιών που δεν έχουν λειτουργικά πόδια, ενώ τα επόμενα πλησιέστερα ταξί έχουν δύο ή περισσότερα πόδια.

• Συνομορφίες Αναφερθείτε σε ένα χαρακτηριστικό που εμφανίζεται σε μια ολόκληρη clade, όπως αντίθετοι αντίχειρες σε ανθρώπους και πρωτεύοντα.
  

• Ομοπλαστική είναι ένα χαρακτηριστικό κοινό από πολλές ομάδες, είδη και ταξί που δεν προέρχεται από κοινό κοινό πρόγονο. Τα πουλιά και τα θηλαστικά είναι θερμόαιμα αλλά δεν έχουν άμεσα κοινό πρόγονο που είχε αυτό το χαρακτηριστικό, το οποίο είναι ένα παράδειγμα συγκλίνουσας εξέλιξης.
  

Οι επιστήμονες που ονομάζονται cladists τακτοποιούν τα ταξί σε ένα φυλογενετικό δέντρο που μπορεί να αποκαλύψει νέες εξελικτικές σχέσεις. Οι ομαδοποιήσεις γίνονται βάσει φυσικών, μοριακών, γενετικών και συμπεριφορικών χαρακτηριστικών.

Ένα διάγραμμα που ονομάζεται κλαδόγραμμα εμφανίζει συγγένεια, όποτε είδη διακλαδίζονται από έναν κοινό πρόγονο σε διάφορα σημεία της εξελικτικής ιστορίας.

Τα κλαδογράμματα είναι διαγράμματα διακλάδωσης του κλασικά δεδομένα που τακτοποιούν ορισμένα χαρακτηριστικά χρησιμοποιώντας συγκριτικά φυσικά σύνολα δεδομένων ή μοριακά δεδομένα, για παράδειγμα. Οι ερευνητές σήμερα χρησιμοποιούν συχνά προγράμματα ηλεκτρονικών υπολογιστών για να συνδυάσουν σύνολα δεδομένων για να δημιουργήσουν πιο ακριβή κλαγράμματα που δείχνουν συνεκτικές και ολοκληρωμένες σχέσεις μεταξύ οργανισμών.

Η βασική μεθοδολογία δεν είναι δύσκολη, αλλά κάθε βήμα πρέπει να γίνει σχολαστικά:

1. Επιλέξτε ταξί για μελέτη, όπως διάφορα είδη πουλιών.
   
2. Επιλέξτε και χαρτογραφήστε τα χαρακτηριστικά που θέλετε να μελετήσετε.
   
3. Βεβαιωθείτε ότι οι ομοιότητες είναι ομόλογες ή το προϊόν της συγκλίνουσας εξέλιξης.
   
4. Αναλύστε εάν τα κοινά χαρακτηριστικά προέρχονται από έναν κοινό πρόγονο ή προέρχονται αργότερα.
   
5. Ομαδοποιήστε τις συναπόμορφες (κοινά παράγωγα ομόλογα χαρακτηριστικά).
   
6. Δημιουργήστε ένα κλαδόγραμμα οργανώνοντας ομάδες οργανισμών σε ένα τριπλό διάγραμμα.
   
7. Χρησιμοποιήστε κόμβους σε κλάδους για να αντιπροσωπεύσετε σημεία όπου αποκλίνουν δύο είδη.
   
8. Τοποθετήστε τα ταξί στα τελικά σημεία των κλάδων και όχι στους κόμβους.
   

Η προέλευση του παραδοσιακές εξελικτικές μεθόδους της ταξινόμησης χρονολογείται από την αρχαιότητα. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί θεωρήθηκαν φυτά ή ζώα. Οι κλασικές μέθοδοι δεν έκαναν διάκριση μεταξύ του εάν τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά κληρονομήθηκαν από έναν μακρινό πρόγονο ή από ένα πιο πρόσφατο.

Ο στόχος ήταν να επινοηθεί ένας χάρτης για το πώς η ζωή στη Γη μπορεί να έχει εξελιχθεί από τη θάλασσα.

Τα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται για την ταξινόμηση καθορίζονται από ειδικούς που εξετάζουν προφανείς διαφορές όπως γούνα, κλίμακες ή φτερά. Η προσέγγιση λειτούργησε καλύτερα για την ταξινόμηση των σπονδυλωτών από τα ασπόνδυλα. Εξελικτική ταξινόμηση τοποθετεί τους οργανισμούς σε ομάδες μειωμένου μεγέθους κάτω από τρεις τομείς που διαιρούνται περαιτέρω σε βασίλειο, φύλο / διαίρεση, τάξη, τάξη, οικογένεια, γένος και είδη.

Οι κλαδιστικές μέθοδοι δεν συνδέονται με το σύστημα ταξινόμησης της Λινάνης και διερευνούν βαθύτερα τη συνδεσιμότητα.

Η παραδοσιακή συστηματική τακτοποιεί τους οργανισμούς σε ένα εξελικτικό δέντρο ανάλογα με το πότε και πώς άλλαξε ένα είδος ως προσαρμογή σε έναν νέο τρόπο ζωής ή βιότοπο, για παράδειγμα. Το δέντρο δείχνει κατεύθυνση της εξέλιξης εγκαίρως. Οι υποκειμενικές αξιολογήσεις των χαρακτηριστικών και των χαρακτηριστικών στις παραδοσιακές μεθόδους μπορούν δυνητικά να προκαλέσουν προκατάληψη και να κάνουν μια μελέτη δύσκολη ή αδύνατη να αναπαραχθεί.

Οι κλαδιστικές και φυλογενετικές μέθοδοι ταξινόμησης προτιμώνται σήμερα από τις παραδοσιακές μεθόδους ταξινόμησης στις φυσικές επιστήμες. Η νεότερη προσέγγιση είναι πιο επιστημονική, βασισμένη σε στοιχεία και αναμφισβήτητη. Για παράδειγμα, η αλληλουχία DNA και RNA χρησιμοποιείται για τη μελέτη οργανισμών σε μοριακό επίπεδο για αποχρωματισμένη τοποθέτηση σε ένα κλαδόγραμμα.

Οι οργανισμοί τακτοποιούνται σύμφωνα με τους κοινά παράγωγα χαρακτηριστικά.

Η κλαδιστική στον τομέα της βιολογίας επιτρέπει στους επιστήμονες να εντοπίσουν μοτίβα, να σχηματίσουν μια υπόθεση, να δοκιμάσουν υποθέσεις και να κάνουν προβλέψεις.

«Το Cladistics, λοιπόν, αφορά την ανακάλυψη», όπως περιγράφεται από τους σύγχρονους cladists, David M. Williams και Malte C. Ebach, το 2018. Ο Williams και ο Ebach οραματίζονται την κλαδιστική ως μια διαδικασία φυσικής ταξινόμησης που δεν απαιτεί γείωση στην εξελικτική θεωρία.

Η τεχνολογία προσθέτει ένα επίπεδο ακρίβειας και εξειδίκευσης στις μεθόδους cladistics. Συγκεκριμένα, η αλληλουχία DNA των γονιδίων υποδεικνύει βαθμό συγγένειας και κοινή καταγωγή με υψηλό βαθμό εμπιστοσύνης. Οι διαφορές στο DNA μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για το πόσο καιρό πριν τα είδη μοιράστηκαν έναν κοινό πρόγονο.

Τα νέα ευρήματα μπορούν είτε να επιβεβαιώσουν είτε να διορθώσουν προηγούμενες παραδοχές σχετικά με το πώς εξελίχθηκαν οι οργανισμοί και να βοηθήσουν στην ταξινόμηση νέων ειδών καθώς ανακαλύπτονται.