Kladistika: määratlus, meetod ja näited

Miljoneid aastaid tagasi alustas üks rakk evolutsioon sellest sündis elupuu ja selle kolm peamist domeeni: Archaea, Bacteria ja Eukaryota.

Iga haru on näide a kladeeritud. Klad tähistab rühma, kuhu kuulub ühine esivanem ja kõik järeltulijad. Kladistika on tänapäevane vorm taksonoomia mis asetab organismid hargnenud diagrammile, mida nimetatakse a kladogramm (nagu sugupuu), mis põhineb sellistel omadustel nagu DNA sarnasused ja fülogenees.

Bioloogia valdkonnas on kladistika a süsteem taksonoomia mis hõlmab organismide klassifitseerimist ja paigutamist a fülogeneetiline puu elu. Enne DNA analüüsi tugines klassifitseerimine suuresti sarnaste ja erinevate omaduste ja käitumise vaatlustele.

Lääne ühiskonnad on klassifikatsiooni kasutanud juba Vana-Kreekas Aristotelese päevil, kui elusorganismid jagati uurimise eesmärgil lihtsalt taimede ja loomade kategooriatesse.

1700. aastatel Carolus (Carl) Linné töötanud välja süstemaatilise bioloogia taksonoomia, mis põhineb organismide klassifitseerimisel välimuse ja jagatud tunnuste järgi. Ta töötas välja skeemi organismi paigutamiseks a

Charles Darwin ja Alfred Russel Wallace pakkus välja loodusliku valiku idee ja Darwin vormistas evolutsiooniteooria 1800. aastate keskel. Darwini oma Liikide päritolu kohta raputas teadlaskonda, pakkudes, et kõik organismid pärinevad ühiselt esivanemalt ja neid saab klassifitseerida vastavalt nende evolutsioonilistele suhetele.

Ornitoloog Ernst Mayr oli 20. sajandi silmapaistev evolutsioonibioloog, kes uuris põhjalikult lindude taksonoomiat, reisides ja töötades kuraatorina New Yorgis Ameerika loodusmuuseumis. Tema murranguline raamat Süstemaatika ja liikide päritolu ilmus 1942. aastal Columbia University Pressis.

Mayr on tuntud oma geenide, pärilikkuse, varieerumise ja isoleeritud piirkondade populatsioonide spekuleerimise teemal, mida saab kasutada klassifitseerimise eesmärgil.

Kladistika on bioloogiline klassifitseerimissüsteem, mis põhineb omaduste, geneetilise koostise või füsioloogia, mida jagati ühise esivanemaga, kuni tekkisid teatud tüüpi lahknemised, mis tekitasid uusi liigid. Saksa taksonoom Willi Hennig alustatud kladistlik liigitus aastal 1950, kui ta oma raamatu kirjutas fülogeneetiline süstemaatika.

Hiljem tõlgiti raamat inglise keelde ja seda loeti Ameerikas laialdaselt pärast selle ilmumist Illinoisi ülikooli ajakirjanduses 1966. aastal.

Hennigi fülogeneetilise süstemaatika teooria vaidlustas kaasaegsed lähenemisviisid taksonoomia tutvustasid Darwin ja Wallace.

Ta väitis, et liigid tuleks identifitseerida ja klassifitseerida geneetika ja kladisuhete, eriti monofüleetsete rühmade põhjal. Hennig süvenes hiljutiste esivanemate ja organismide arenenud, modifitseeritud tunnuste tuvastamisel jagas otsest suguvõsa - isegi kui tuletatud tunnused poleks sarnased tavaliste omadustega esivanem.

Fülogeneetika on teadaolevate või oletatud evolutsiooniliste seoste uurimine, mis põhineb fülogenees (rida) rühmitatud organismidest. Fülogeneetiline elupuu illustreerib, kuidas taksonid (organismirühmad) arenesid kindlas järjekorras, kui elu mitmekesistus ja hargnes ühisest esivanemast.

Evolutsioonilise spetsifikatsiooni protsess näeb välja nagu oksad sugupuul. Kuna pole nii kindlat viisi teada, mis nii ammu juhtus, peavad teadused tegema järeldusi selle kohta, kuidas elu edasi arenes fossiilsed andmed, võrdlev anatoomia, füsioloogia, käitumine, embrüoloogia ja molekulaarsed andmed. Evolutsioonibioloogia on dünaamiline valdkond, kus tehakse pidevalt uusi avastusi.

Evolutsioonibioloogid järeldavad hüpoteetilised evolutsioonilised suhted taksonite vahel, tuginedes sarnaste ja erinevate omaduste üksikasjalikule võrdlusele.

Evolutsioonilise põlvnemise uurimine aitab täpselt kindlaks teha, millal teatud tunnused tekkisid ja kandusid järgmistele põlvkondadele. Kladistlik analüüs, nagu ka fülogeneetiline süstemaatika, uurib evolutsioonilisi laskumismustreid, mis aitavad kaasa koos liikide arengulugu, selgitades samal ajal ka elu ja liikide mitmekesisust väljasuremine.

Kladistika töötab keskse eelduse kohaselt, et elu Maal tekkis ainult üks kord, mis tähendab, et kogu elu on pärit sellest esimesest esivanemate organismist. Järgmine eeldus on see, et olemasolevad liigid jagunevad kaheks rühmaks, mis on puu oksal asuva sõlme piiritletud. Lõpuks arvatavasti organismid muutuvad, kohanevad ja arenevad.

The lahknemise punkt tähistab kahe uue liini algust, mis hargnevad ja moodustavad kaks uut liiki.

Kladogramme kasutatakse rühmade sisukate võrdluste tegemiseks.

Bioloogias on kladogramm a visuaalne esitus erinevate organismide seotud omadustega. Tavaliselt toimub rühmitamine teatud kindlate huvipakkuvate tunnuste järgi. Erinevaid andmepunkte saab aga kombineerida, et luua täpsem evolutsioonipuu, mis selgitab keerulisi seoseid.

Eristada saab kladogrammi ja fülogeneetilist puud, kuid mõisteid kasutatakse mõnikord ka vahetatult. Kladogrammid keskenduvad makro- ja molekulaartaseme omadustele, mis viitavad seosele. Kladogramm viitab tõenäolistele evolutsioonilistele suhetele organismirühmade või taksonite vahel, mida võib olla vähe või palju:

• Monofeetiline takson. Organismide rühm, mis hõlmab nende kõige uuem ühine esivanem ja kõik elavad ja väljasurnud järeltulijad. Näiteks on kolm imetajate klassi: monotreemid, kukkurloomad ja eutherians. Imetajatel on palju omadusi, kuid nad erinevad paljunemisviisist.
  

• Parafüleetiline takson. Organismide rühm, mis hõlmab kõige tavalisemat esivanemat kõigist liikmetest, välja arvatud jätab mõned järeltulijad välja see jälg ulatub samast ühisest esivanemast. Bryophyta on parafüleetilised, kuna rühma kuuluvad sarvrohud, maksarohud ja samblad kuid välistab soontaimed.

• Polüfüreetiline takson. Organismide rühm, millel pole palju muud ühist kui mõned sarnased jooned. Korraga olid pachüdermid, nagu elevandid ja jõehobud, nahatüübi tõttu kokku pandud, kuigi nad tegelikult kuuluvad erinevatesse imetajate perekondadesse.
  

Mitmerakuline eukarüootid põhjustas arvukalt järjest keerukamaid organisme.

Näiteks on kalad ja inimesed pärit miljonite aastate tagusest ühisest esivanemast. Seda keerulist suhet saab kujutada lihtsal kladogrammil, mis illustreerib kladistlikke suhteid. Alustage puu esiosas esivanemate eukarüootide kujutamisest.

Ühise eellase arenedes hargnes puu üks sõlm veeselgroogseteks nagu lõualuudeta kalad. Järgmises sõlmes hargnes haru neljajalgseteks tetrapoodideks.

Järgmine sõlm näitab lahknevust, kui loomadel tekkisid lootemunad, millele järgnes lõhenemine, kui loomadel tekkis karusnahk või karv. Palju hiljem läksid inimesed ja primaadid lahku ja arenesid eraldi radadel.

Kladistiline klassifikatsioon vaatleb evolutsioonibioloogias otseselt esivanemate seisundit kandvate organismide teatud omadusi. Hennig töötas kategooriate jaotamise lähenemise kirjeldamiseks välja palju teaduslikke termineid, mis olid tema ideede ja teooriate jaoks olulised. Terminid kirjeldavad organismirühmi seoses fülogeneetilise puu või kladogrammi konkreetse sõlmega:

• Plesiomorfia. See on esivanemate omadus, mis esivanemaliikidelt pärineb ühe või mitme taksoni vahelise evolutsiooni käigus järeltulevatele liikidele.

• Apomorfia. See on tuletatud omadus, mis kirjeldab konkreetset kladi.

• Autapomorfia. See on tuletatud omadus, mida leidub ainult ühes võrreldavas rühmas.

• Sünapomorfia. See on tuletatud omadus, mida jagavad kaks või enam ühisest esivanemast pärinevat organismirühma.
  

Tähemärgid on loodusliku valiku, kohanemise ja päriliku varieerumise kaudu saadud tunnused, mis viivad elus bioloogilise mitmekesisuseni. Sellisena ainult sünapomorfiad on evolutsiooniliste suhete eristamisel asjakohased. Ühise esivanemaga organismides on mitu sünapomorfiat monofüleetiline:

• Autapomorfid on tunnused, mida leidub ainult ühes liigis või rühmas, mis pärinevad ühisest esivanemast, näiteks madutaksonitel, millel pole funktsionaalseid jalgu, samas kui järgmises lähimas taksonis on kaks või enam jalga.

• Sünapomorfiad viitavad kogu kladis nähtud tunnusele, näiteks vastandatavad pöidlad inimestel ja primaatidel.
  

• Homoplaasia on mitme rühma, liigi ja taksonite ühine tunnus, mis ei tulene ühisest ühisest esivanemast. Linnud ja imetajad on soojaverelised, kuid neil ei ole otseselt jagatud esivanemat, kellel see tunnus oleks, mis on näide lähenevast evolutsioonist.
  

Kladistideks nimetatud teadlased korraldavad taksonid fülogeneetilises puus, mis võib paljastada uusi evolutsioonilisi seoseid. Grupeerimine toimub füüsikaliste, molekulaarsete, geneetiliste ja käitumuslike omaduste põhjal.

Kladogramm, mida nimetatakse kladogrammiks, näitab sugulust alati, kui liigid hargnesid evolutsiooniajaloo eri punktides ühisest esivanemast.

Kladogrammid on kladistlikud andmed mis korraldavad teatud omadusi, kasutades näiteks füüsikalisi võrdlusandmeid või molekulaarandmeid. Teadlased kasutavad tänapäeval andmekogumite kombineerimiseks sageli arvutiprogramme, et luua täpsemad kladogrammid, mis näitavad organismide vahel sidusat ja terviklikku suhet.

Põhimetoodika pole keeruline, kuid iga samm tuleb teha hoolikalt:

1. Valige uurimiseks taksonid, näiteks mitu linnuliiki.
   
2. Valige ja kaardistage omadused, mida soovite uurida.
   
3. Veenduge, kas sarnasused on homoloogilised või läheneva evolutsiooni tulemus.
   
4. Analüüsige, kas jagatud tunnused tulenevad ühisest esivanemast või tuletatakse hiljem.
   
5. Grupeerige sünapomorfiad (jagatud tuletatud homoloogsed tunnused).
   
6. Ehitage kladogramm, paigutades organismirühmad treelike diagrammile.
   
7. Kasutage oksade sõlmi, et tähistada punkte, kus kaks liiki lahknevad.
   
8. Asetage taksonid harude lõpp-punktidele, mitte sõlmedele.
   

Päritolu traditsioonilised evolutsioonimeetodid klassifikatsioon pärineb antiikajast. Eeldati, et kõik elusorganismid on taimed või loomad. Klassikalised meetodid ei teinud vahet, kas vaadeldud tunnused päriti kaugelt esivanemalt või uuemalt.

Eesmärk oli koostada kaart selle kohta, kuidas elu Maal võis merest areneda.

Klassifitseerimiseks kasutatavad omadused määravad eksperdid, kes vaatavad ilmselgeid erinevusi nagu karusnahk, soomused või suled. Lähenemisviis toimis selgroogsete kui selgrootute klassifitseerimisel paremini. Evolutsiooniline klassifikatsioon paigutab organismid väheneva suurusega rühmadesse kolme domeeni alla, mis jagunevad veel kuningriiki, perekonda / rajooni, klassi, järjekorda, perekonda, perekonda ja liikidesse.

Kladistlikud meetodid ei ole seotud Leansi klassifikatsioonisüsteemiga ja need uurivad ühenduvust sügavamalt.

Traditsiooniline süstemaatika korraldab organismid evolutsioonipuul vastavalt sellele, millal ja kuidas liik uue elustiili või elupaigaga kohanedes muutus. Puu näitab evolutsiooni suund õigel ajal. Traditsiooniliste meetodite omaduste ja omaduste subjektiivne hindamine võib potentsiaalselt kallutada tulemusi ja muuta uuringu kordamise raskeks või võimatuks.

Loodusteaduste klassifitseerimisel eelistatakse tänapäeval klassifitseerimise kladistilisi ja fülogeneetilisi meetodeid. Uuem lähenemine on teaduslikum, tõenduspõhisem ja ümberlükkamatu. Näiteks kasutatakse DNA ja RNA järjestust, et uurida organisme molekulaarsel tasemel kladogrammil nüansirikkaks paigutamiseks.

Organismid on paigutatud nende järgi jagatud tuletatud omadused.

Kladistika bioloogia valdkonnas võimaldab teadlastel tuvastada mustreid, koostada hüpoteesi, kontrollida hüpoteese ja teha ennustusi.

"Kladistika on siis seotud avastustega", nagu kirjeldavad kaasaegsed kladistid David M. Williams ja Malte C. Ebach, 2018. aastal. Williams ja Ebach kujutlevad kladistikat loodusliku klassifikatsiooni protsessina, mis ei vaja evolutsiooniteoorias maandamist.

Tehnoloogia lisab kladistikameetoditele täpsuse ja keerukuse. Eelkõige viitab geenide DNA järjestamine seotuse astmele ja ühisele esivanemale suure kindlusastmega. DNA erinevused võivad anda ülevaate selle kohta, kui kaua aega tagasi olid liikidel ühised esivanemad.

Uued leiud võivad kas kinnitada või parandada varasemaid oletusi selle kohta, kuidas organismid arenesid, ja aidata nende avastamisel uusi liike liigitada.