Kladistiikka: Määritelmä, menetelmä ja esimerkkejä

Miljoneja vuosia sitten yksi solu aloitti evoluutio josta syntyi elämän puu ja sen kolme pääaluetta: Archaea, Bakteerit ja Eukaryota.

Jokainen haara on esimerkki a Clade. Clade edustaa ryhmää, johon kuuluu yhteinen esi-isä ja kaikki jälkeläisiä. Kladistiikka on moderni muoto taksonomia joka sijoittaa organismit haaroitettuun kaavioon nimeltä a kladogrammi (kuten sukupuu), joka perustuu ominaisuuksiin, kuten DNA-yhtäläisyyksiin ja fülogeneesiin.

Biologian alalla kladistiikka on a järjestelmä taksonomia johon kuuluu organismien luokittelu ja järjestäminen a filogeneettinen puu elämästä. Ennen DNA-analyysiä luokittelu perustui suurelta osin samanlaisten ja erilaisten ominaisuuksien ja käyttäytymisen havaintoihin.

Länsimaiset yhteiskunnat ovat käyttäneet luokitusta muinais-Kreikan Aristoteleen päivistä lähtien, jolloin elävät organismit jaettiin yksinkertaisesti kasvien ja eläinten luokkiin tutkimusta varten.

1700-luvulla Carolus (Carl) Linnaeus kehitti systemaattisen biologian taksonomian, joka perustuu organismien luokitteluun ulkonäön ja yhteisten piirteiden mukaan. Hän kehitti kaavan organismin sijoittamiseksi a

Charles darwin ja Alfred Russel Wallace ehdotti luonnollisen valinnan ideaa, ja Darwin muodosti evoluutioteorian 1800-luvun puolivälissä. Darwinin Lajien alkuperästä järkytti tiedeyhteisöä ehdottamalla, että kaikki organismit polveutuivat yhteisestä esi-isästä ja että ne voitaisiin luokitella evoluutioiden perusteella.

Lintutieteilijä Ernst Mayr oli merkittävä 1900-luvun evoluutiobiologi, joka opiskeli laajasti lintujen taksonomiaa matkustellessaan ja työskennellessään kuraattorina Yhdysvaltain luonnonhistoriallisessa museossa New Yorkissa. Hänen uraauurtava kirja Järjestelmällisyys ja lajien alkuperä julkaistiin vuonna 1942 Columbia University Press.

Mayr tunnetaan geeneistä, perinnöllisyydestä, populaatioiden vaihtelusta ja erilaistumisesta eristyneillä alueilla, jota voidaan käyttää luokittelutarkoituksiin.

Kladistiikka on biologinen luokittelujärjestelmä, joka perustuu ominaisuuksien, geneettisen koostumuksen tai fysiologia, jota jaettiin yhteisen esi-isän kanssa, kunnes tapahtui jonkinlainen ero, joka tuotti uutta lajeja. Saksalainen taksonomisti Willi Hennig aloitettu kladistinen luokitus vuonna 1950, kun hän kirjoitti kirjansa fylogeneettinen systemaattisuus.

Kirja käännettiin myöhemmin englanniksi ja luettiin laajalti Amerikassa, kun se julkaistiin University of Illinois Press -lehdessä vuonna 1966.

Hennigin fylogeneettisen systemaattisuuden teoria haastoi nykyajan lähestymistavat taksonomia esitteli Darwin ja Wallace.

Hän väitti, että lajit olisi tunnistettava ja luokiteltava genetiikan ja kladisuhteiden perusteella, erityisesti monofyleettiset ryhmät. Hennig hioi viimeaikaisesta syntyperästä ja kehittyneiden, muunnettujen organismien ominaisuuksien tunnistamisesta jakoi suoran sukulinjan - vaikka johdetut ominaisuudet eivät olekaan samanlaisia ​​kuin yhteiset esi-isä.

Fylogenetiikka on tutkimus tunnetuista tai oletetuista evoluutioyhteyksistä, jotka perustuvat phylogeny ryhmiteltyjen organismien (suku). Fylogeneettinen elämän puu havainnollistaa taksonien (organismiryhmien) kehittymistä tietyssä järjestyksessä, kun elämä monipuolistuu ja haarautuu yhteisestä esi-isästä.

Evoluutioprosessin prosessi näyttää oksilta sukupuussa. Koska ei ole varmaa tapaa tietää, mitä tapahtui niin kauan sitten, tieteen on tehtävä johtopäätöksiä siitä, miten elämä kehittyi fossiiliset tietueet, vertaileva anatomia, fysiologia, käyttäytyminen, embryologia ja molekyylitiedot. Evoluutiobiologia on dynaaminen ala, jossa jatkuvasti tehdään uusia löytöjä.

Evoluutiobiologit päättelevät hypoteettiset evoluutiosuhteet taksonien välillä samankaltaisten ja erilaisten ominaisuuksien yksityiskohtaisen vertailun perusteella.

Evoluutioperheen tutkiminen auttaa tunnistamaan, milloin tietyt piirteet syntyivät ja siirtyivät seuraaville sukupolville. Kladistinen analyysi, kuten filogeneettinen systemaattinen tutkimus, tutkii evoluution laskeutumismalleja, jotka auttavat yhdessä lajien evoluutiohistoria selittäen samalla elämän ja lajien monimuotoisuuden sukupuuttoon.

Kladistiikka toimii sen keskeisen lähtökohdan mukaan, että elämä maapallolla on alkanut vain kerran, mikä tarkoittaa, että koko elämä voidaan jäljittää siihen ensimmäiseen esi-organismiin. Seuraava oletus on, että olemassa olevat lajit jakautuvat kahteen ryhmään, jotka on määritelty solmulla puun oksalla. Lopuksi organismit oletettavasti muuttuvat, sopeutuvat ja kehittyvät.

eroavaisuuden kohta edustaa kahden uuden suvun alkua, joka haarautuu ja muodostaa kaksi uutta lajia.

Kladogrammeja käytetään tekemään merkityksellisiä vertailuja ryhmien välillä.

Biologiassa kladogrammi on a visuaalinen esitys erilaisia ​​organismeja. Yleensä ryhmittely tapahtuu tiettyjen kiinnostavien piirteiden mukaan. Eri datapisteitä voidaan kuitenkin yhdistää tarkemman evoluutiopuun luomiseksi, joka selittää monimutkaiset suhteet.

Kladogrammin ja filogeneettisen puun välillä voidaan tehdä ero, mutta termejä käytetään toisinaan myös vaihdettavasti. Kladogrammit keskittyvät makro- ja molekyylitason ominaisuuksiin, jotka osoittavat läheisyyttä. Kladogrammi viittaa todennäköisiin evoluutioyhteyksiin organismiryhmien tai taksonien välillä, jotka voivat olla pieniä tai suuria:

• Monofyleettinen taksoni. Organismien joukko, joka sisältää heidän viimeisimmän yhteisen esi-isänsä ja kaikki elävät ja kuolleet jälkeläisiä. Esimerkiksi nisäkkäitä on kolme: yksiteemaiset, pussieläimet ja eutherialaiset. Nisäkkäillä on monia ominaisuuksia, mutta ne eroavat toisistaan.
  

• Parafylaattinen taksoni. Ryhmä organismeja, jotka sisältää yleisimmän esi-isänsä kaikista jäsenistä paitsi jättää pois joitain jälkeläisiä tuo jälki samasta yhteisestä esi-isästä. Bryophyta ovat parafyleettisiä, koska ryhmään kuuluu hornwort, maksalinnut ja sammalet mutta ei sisällä verisuonikasveja.

• Polyfyleettinen taksoni. Ryhmä organismeja, joilla ei ole paljon muuta yhteistä kuin joitain samanlaisia ​​piirteitä. Kerran pachydermit, kuten norsut ja virtahepot, koottiin yhteen ihotyyppinsä takia, vaikka ne todella kuuluisivatkin eri nisäkäsperheisiin.
  

Monisoluinen eukaryootit synnytti runsaasti yhä monimutkaisempia organismeja.

Esimerkiksi kalat ja ihmiset johtavat yhteiseen esi-isään miljoonia vuosia sitten. Tuo monimutkainen suhde voidaan kuvata yksinkertaisella kladogrammilla, joka kuvaa kladistisia suhteita. Aloita kuvittelemalla esi-isien eukaryootti puun juuressa.

Yhteisen esi-isän kehittyessä yksi puun solmu haarautui vedessä eläviin selkärankaisiin, kuten leukattomiin kaloihin. Seuraavassa solmussa haara jakautui nelijalkaisiksi tetrapodeiksi.

Seuraava solmu osoittaa eroja, kun eläimillä kehittyi lapsiveden munia, ja sitä seurasi jakautuminen, kun eläimillä kehittyi turkki tai karva. Paljon myöhemmin ihmiset ja kädelliset erosivat toisistaan ​​ja kehittyivät erillisiä polkuja pitkin.

Kladistinen luokitus tarkastelee tiettyjä organismin ominaisuuksia, jotka kantavat suoraan esi-isien tilaa evoluutiobiologiassa. Hennig kehitti monia tieteellisiä termejä kuvaamaan lähestymistapaansa luokitteluun, jotka olivat tärkeitä hänen ajatuksilleen ja teorioilleen. Termit kuvaavat organismiryhmiä suhteessa tiettyyn soluun filogeneettisessä puussa tai kladogrammissa:

• Plesiomorfia. Tämä on esi-isän ominaisuus, joka siirretään ja pidetään esivanhemmista lajeista jälkeläislajeihin evoluution aikana yhden tai useamman taksonin välillä.

• Apomorfia. Tämä on johdettu piirre, joka kuvaa tiettyä kladia.

• Autapomorfia. Tämä on johdettu ominaisuus, joka esiintyy vain yhdessä vertailtavista ryhmistä.

• Synapomorfia. Tämä on johdettu ominaisuus, jonka jakavat kaksi tai useampia organismiryhmiä, jotka polveutuvat yhteisestä esi-isästä.
  

Luontotilat ovat luonnollisen valinnan, sopeutumisen ja perittyjen varianssien kautta johdettuja piirteitä, jotka johtavat elämän monimuotoisuuteen. Sellaisena vain synapomorfiat ovat merkityksellisiä havaittaessa evoluutiosuhteita. Useita synapomorfioita organismeissa, joilla on yhteinen esi-isä, ovat monofyleettinen:

• Autapomorfiat ovat piirteitä, jotka löytyvät vain yhdestä lajista tai ryhmästä, joka on peräisin yhteisestä esi-isästä, kuten käärmetaksonit, joilla ei ole toiminnallisia jalkoja, kun taas seuraavilla lähimmillä taksoneilla on vähintään kaksi jalkaa.

• Synapomorfiat viittaavat piirteeseen, joka näkyy koko ryhmässä, kuten vastakkaiset peukalot ihmisillä ja kädellisillä.
  

• Homoplasia on monien ryhmien, lajien ja taksonien jakama piirre, joka ei ole peräisin yhteisestä yhteisestä esi-isästä. Linnut ja nisäkkäät ovat lämminverisiä, mutta heillä ei ole suoraan yhteistä esi-isää, jolla olisi ollut tämä ominaisuus, mikä on esimerkki lähentyvästä evoluutiosta.
  

Tutkijat, joita kutsutaan kladisteiksi, järjestävät taksoneja filogeneettiseen puuhun, mikä saattaa paljastaa uusia evoluutioyhteyksiä. Ryhmittelyt perustuvat fyysisiin, molekulaarisiin, geneettisiin ja käyttäytymisominaisuuksiin.

Kladogrammiksi kutsuttu kaavio näyttää sukulaisuuden aina, kun lajit haarautuvat yhteisestä esi-isästä evoluutiohistorian eri vaiheissa.

Kladogrammit ovat haarautuvia kaavioita kladistiset tiedot jotka järjestävät tietyt ominaisuudet esimerkiksi vertailevien fyysisten tietojoukkojen tai molekyylidatan avulla. Tutkijat käyttävät nykyään usein tietokoneohjelmia yhdistääkseen aineistoja tarkempien kladogrammien luomiseksi, jotka osoittavat yhtenäiset ja kattavat suhteet organismien välillä.

Perusmenetelmät eivät ole vaikeita, mutta jokainen vaihe on tehtävä huolellisesti:

1. Valitse tutkittavat taksot, kuten useita lintulajeja.
   
2. Valitse ja kartoita ominaisuudet, joita haluat tutkia.
   
3. Varmista, ovatko yhtäläisyydet homologisia vai konvergenttisen evoluution tulosta.
   
4. Analysoi, ovatko yhteiset ominaisuudet johdettu yhteisestä esi-isästä vai johdettu myöhemmin.
   
5. Ryhmittele synapomorfiat (jaetut johdetut homologiset piirteet).
   
6. Rakenna kladogrammi järjestämällä organismiryhmät treelike-kaavioon.
   
7. Käytä haarojen solmuja edustamaan pisteitä, joissa kaksi lajia eroavat toisistaan.
   
8. Sijoita taksonit haarojen päätepisteisiin, ei solmuihin.
   

Alkuperä perinteiset evoluutiomenetelmät luokittelu juontaa juurensa antiikin. Kaikkien elävien organismien oletettiin olevan kasveja tai eläimiä. Klassiset menetelmät eivät tehneet eroa sen välillä, peritkökö havaitut piirteet kaukaiselta esi-isältä vai uudemmalta.

Tavoitteena oli laatia kartta siitä, kuinka elämä maapallolla on voinut kehittyä merestä.

Luokittelussa käytetyt ominaisuudet määrittävät asiantuntijat, jotka tarkastelevat ilmeisiä eroja, kuten turkista, vaa'oita tai höyheniä. Lähestymistapa toimi paremmin selkärangattomien kuin selkärangattomien luokittelussa. Evoluutioluokitus sijoittaa organismit pienen koon ryhmiin kolmen domeenin alle, jotka jaetaan edelleen valtakuntaan, suvun / jaon, luokkaan, järjestykseen, perheeseen, sukuun ja lajeihin.

Kladistiset menetelmät eivät ole sidoksissa Linnean luokitusjärjestelmään, ja ne tutkivat syvemmälle liitettävyyttä.

Perinteinen systemaattinen järjestely organismeja evoluutiopuuhun sen mukaan, milloin ja miten laji muuttui sopeutumisena esimerkiksi uuteen elämäntapaan tai elinympäristöön. Puu näyttää evoluution suunta ajallaan. Subjektiivinen piirteiden ja ominaisuuksien arviointi perinteisissä menetelmissä voi mahdollisesti vääristää tuloksia ja tehdä tutkimuksen vaikeaksi tai mahdottomaksi jäljitellä.

Kladistiset ja filogeneettiset luokitusmenetelmät ovat nykyään suositumpia kuin perinteiset luonnontieteiden luokittelumenetelmät. Uudempi lähestymistapa on tieteellisempi, näyttöön perustuva ja kumoamaton. Esimerkiksi DNA: ta ja RNA: n sekvensointia käytetään organismien tutkimiseen molekyylitasolla vivahteikkaan sijoittamiseen kladogrammiin.

Organismit on järjestetty niiden mukaan yhteiset johdetut ominaisuudet.

Biologian kladistiikan avulla tutkijat voivat tunnistaa malleja, muodostaa hypoteesin, testata hypoteeseja ja tehdä ennusteita.

"Kladistiikka on siis löytö", kuten nykyiset kladistit David M. kuvailevat. Williams ja Malte C. Ebach, vuonna 2018. Williams ja Ebach kuvittelevat kladistiikan luonnollisen luokittelun prosessiksi, joka ei vaadi perustetta evoluutioteoriassa.

Teknologia lisää tarkkuuden ja hienostuneisuuden kladistisiin menetelmiin. Erityisesti geenien DNA-sekvensointi osoittaa läheisyyttä ja yhteistä syntyperää suurella varmuudella. DNA-erot voivat antaa käsityksen siitä, kuinka kauan sitten lajeilla oli yhteinen esi-isä.

Uudet havainnot voivat joko vahvistaa tai korjata aiempia oletuksia organismien kehityksestä ja auttaa luokittelemaan uusia lajeja löydettyään.