קלדיסטיות: הגדרה, שיטה ודוגמאות

לפני מיליוני שנים, תא בודד החל תא אבולוציה שהוליד את עץ החיים ושלושת התחומים העיקריים שלו: ארכאה, חיידקים ואוקריוטה.

כל ענף הוא דוגמה ל- a לבוש. קלייד מייצג קבוצה הכוללת אב קדמון משותף ו את כל צאצאים. קלאדיסטיות היא צורה מודרנית של טקסונומיה שמציב אורגניזמים בתרשים מסועף הנקרא a קלדוגרמה (כמו עץ ​​משפחה) המבוסס על תכונות כגון דמיון ל- DNA ופילוגניה.

בתחום הביולוגיה הקלאדיסטיקה היא א מערכת של טקסונומיה שכולל סיווג וסידור של אורגניזמים על עץ פילוגנטי של חיים. לפני ניתוח ה- DNA, הסיווג הסתמך במידה רבה על תצפיות על תכונות והתנהגות דומות ושונות.

חברות מערביות השתמשו בסיווג עוד מימי אריסטו ביוון העתיקה, כאשר אורגניזמים חיים פשוט חולקו לקטגוריות של צמחים ובעלי חיים למטרות מחקר.

בשנות ה -1700, קרולוס (קרל) לינאוס פיתחה טקסונומיה של ביולוגיה שיטתית המבוססת על סיווג של אורגניזמים לפי מראה חיצוני ותכונות משותפות. הוא פיתח סכמה להצבת אורגניזם בא טקסון היררכי (קבוצה; יחיד) שכלל כמה טקסה (קבוצות; רַבִּים). לינאוס פיתחה גם מינוח בינומי - מערכת להקצאת שמות מדעיים כמו הומו ספיינס (אנושי) לאורגניזמים.

צ'ארלס דארווין ו אלפרד רוסל וואלאס הציע את רעיון הברירה הטבעית, ודרווין ייסד את תורת האבולוציה באמצע המאה העשרים. דרווין על מקור המינים טלטלה את הקהילה המדעית בכך שהציעה שכל האורגניזמים צאצאים מאב קדמון משותף וניתן לסווג אותם על פי יחסי האבולוציה שלהם.

צַפָּר ארנסט מאייר היה ביולוג אבולוציוני בולט במאה ה -20 שלמד רבות את טקסונומיית הציפורים בזמן שנסע ועבד כאוצר במוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע בניו יורק. ספרו פורץ הדרך שיטתיות ומקור המינים פורסם בשנת 1942 על ידי הוצאת אוניברסיטת קולומביה.

מאייר ידוע בעבודתו על גנים, תורשה, וריאציה וספציציה של אוכלוסיות באזורים מבודדים, שיכולות לשמש למטרות סיווג.

קלדיסטיקה היא מערכת סיווג ביולוגית המבוססת על ניתוח תכונות, הרכב גנטי או פיזיולוגיה שהתחלקו עם אב קדמון משותף עד להתרחשות מסוג כלשהו, ​​וייצרו חדש מִין. טקסונום גרמני ווילי הניג קפץ סיווג קלדיסטי בשנת 1950 כשכתב את ספרו על שיטתיות פילוגנטית.

מאוחר יותר תורגם הספר לאנגלית והקורא באמריקה לאחר שפורסם על ידי הוצאת אוניברסיטת אילינוי בשנת 1966.

התיאוריה של הניג על שיטתיות פילוגנטית ערערה על הגישות העכשוויות טקסונומיה הציגו דרווין וואלאס.

הוא טען שיש לזהות ולסווג מינים על סמך גנטיקה ויחסי לבנים, במיוחד קבוצות מונופילטיות. הניג חידד את המוצא האחרון וזיהוי התכונות המתוקנות של אורגניזמים ש חלקו שושלת ישירה - גם אם מאפיינים נגזרים לא היו כמו אלה של המשותף אָב קַדמוֹן.

פילוגנטיקה הוא מחקר של קשרים אבולוציוניים ידועים או משוערים על בסיס תוֹלְדוֹת הַגֶזַע (שושלת) של אורגניזמים מקובצים. עץ החיים הפילוגנטי ממחיש כיצד טקסות (קבוצות של אורגניזמים) התפתחו בסדר מסוים כאשר החיים התגוונו והסתעפו מאב קדמון משותף.

תהליך הדגימה האבולוציונית נראה כמו ענפים על עץ משפחה. מכיוון שאין דרך בטוחה לדעת מה קרה לפני זמן כה רב, המדעים חייבים להסיק על התפתחות החיים על בסיסם רשומות מאובנים, אנטומיה השוואתית, פיזיולוגיה, התנהגות, תוֹרַת הַעוּבָּר ונתונים מולקולריים. ביולוגיה אבולוציונית היא תחום דינמי בו מתגלים ללא הרף תגליות חדשות.

מסיקים ביולוגים אבולוציוניים יחסים אבולוציוניים היפותטיים בין הטקסים על בסיס השוואה מפורטת של מאפיינים דומים ושונים.

לימוד מוצא אבולוציוני מסייע לאתר מתי תכונות מסוימות התעוררו והועברו לדורות הבאים. ניתוח קלדיסטי, כמו שיטתיות פילוגנטית, בוחן דפוסי מוצא אבולוציוניים המסייעים לחתיכה יחד את ההיסטוריה האבולוציונית של מינים תוך הסבר על מגוון החיים והמינים הכחדות.

הקלאדיסטיקה עובדת על פי ההנחה המרכזית כי החיים על פני כדור הארץ מקורם פעם אחת בלבד, כלומר, כל החיים ניתנים לאיתור לאותו אורגניזם אבות ראשון. ההנחה הבאה היא שמינים קיימים מתחלקים לשתי קבוצות שתוחמו על ידי צומת על ענף עץ. לבסוף, ככל הנראה אורגניזמים משתנים, מסתגלים ומתפתחים.

ה נקודת סטייה מייצג את תחילתן של שתי שושלות חדשות המסתעפות ויוצרות שני מינים חדשים.

קלדוגרמות משמשות להשוואה משמעותית בין קבוצות.

בביולוגיה, קלדוגרמה היא ייצוג ויזואלי של מאפיינים קשורים באורגניזמים שונים. בדרך כלל, קיבוץ נעשה על פי תכונות מסוימות של עניין. עם זאת, ניתן לשלב נקודות נתונים שונות כדי ליצור עץ אבולוציוני מדויק יותר המסביר יחסים מורכבים.

ניתן להבחין בין קלדוגרמה לעץ פילוגנטי, אך המונחים משמשים גם לסירוגין לעיתים. קלדוגרמות מתמקדות במאפיינים ברמה המאקרו והמולקולרית המצביעים על קשר. קלדוגרמה מציעה קשרים אבולוציוניים ככל הנראה בין קבוצות של אורגניזם או מוניות שיכולות להיות קטנות או גדולות במספר:

• טקסון מונופילטי. צומת אורגניזמים הכוללת האב הקדמון המשותף האחרון שלהם ו את כל החיים ונכחדים צאצאים. לדוגמא, ישנם שלושה מצבים של יונקים: מונוטרמות, בעלי חיים ו אוטרנים. יונקים חולקים מאפיינים רבים אך נבדלים באופן ההתרבות שלהם.
  

• טקסון פרפילטי. קבוצה של אורגניזמים ש כולל את האב הקדמון הנפוץ ביותר מכל החברים אלא משאיר חלק מהצאצאים העקבות לאותו אב קדמון משותף. בריופיטה הם פרפילטיים מכיוון שהקבוצה כוללת hornworts, כבד כבד ו טחבים אך לא כולל צמחי כלי דם.

• טקסון פוליפילי. קבוצה של אורגניזמים שאין להם הרבה מן המשותף מלבד כמה תכונות דומות. בשלב מסוים, קיפודים כמו פילים והיפופוטמים נקבצו זה לזה בגלל סוג העור שלהם למרות שהם שייכים ממשפחות יונקים שונות.
  

רב תאי אקריוטים הוליד שפע של אורגניזמים שהולכים ומורכבים יותר ויותר.

למשל, דגים ובני אדם מתוארים לאב קדמון משותף לפני מיליוני שנים. ניתן לתאר את מערכת היחסים המסובכת הזו בקלוגרמה פשוטה הממחישה את היחסים הקלאדיסטיים. התחל בתמונה אוקריוט אבות בבסיס העץ.

עם התפתחות האב הקדמון המשותף, צומת אחד על העץ הסתעף לחולייתנים מימיים כמו דגים ללא לסת. בצומת הבא התפנה הענף לטטרפודים עם ארבע רגליים.

הצומת הבא מראה שוני כאשר בעלי חיים פיתחו ביציות מי שפיר, ואחריו פיצול כאשר בעלי חיים פיתחו פרווה או שיער. הרבה יותר מאוחר, בני אדם ופרימטים התפלגו והתפתחו במסלולים נפרדים.

סיווג קלדיסטי בוחן מאפיינים מסוימים של אורגניזמים הנושאים ישירות על מצבי אבות בביולוגיה האבולוציונית. הניג פיתח מונחים מדעיים רבים לתיאור גישתו לקטגוריזציה, שהיו אינסטרומנטליים לרעיונותיו ותיאוריותיו. המונחים מתארים קבוצות של אורגניזמים ביחס לצומת ספציפי על עץ פילוגנטי או קלדוגרמה:

• פלסיומורפי. זוהי תכונת אבות המועברת ונשמרת ממין אבות למין צאצאי במהלך האבולוציה בין מונית יחידה או מרובה.

• אפומורפי. זוהי תכונה נגזרת המתארת ​​כיתת ספציפית.

• Autapomorphy. זו תכונה נגזרת שנמצאת רק באחת הקבוצות בהשוואה.

• סינפומורפי. זוהי תכונה נגזרת המשותפת לשתי קבוצות אורגניזמים או יותר שמקורן באב קדמון משותף.
  

מצבי אופי הן תכונות שמקורן בתהליך הברירה הטבעית, ההסתגלות והשונות התורשתית המובילות למגוון ביולוגי בחיים. ככזה, רק סינפומורפיות רלוונטיים כאשר מבחינים ביחסים אבולוציוניים. סינאפומורפיות מרובות באורגניזמים עם אב קדמון משותף הן מונופילטית:

• Autapomorphies הם תכונות שנמצאות רק במין או קבוצה אחת הנובעות מאב קדמון משותף, כמו למשל המונית נחש שאין לה רגליים פונקציונליות, ואילו המוניות הקרובות ביותר להן כוללות שתי רגליים או יותר.

• סינפומורפיות מתייחסים לתכונה הנראית בלהקה שלמה כמו אגודלים מנוגדים בבני אדם ופרימטים.
  

• הומופלסיה היא תכונה המשותפת למספר קבוצות, מינים וטקסים שאינה נגזרת מאב קדמון משותף משותף. ציפורים ויונקים הם בעלי דם חם אך אין להם אב קדמון משותף שיש לו את התכונה ההיא, שהיא דוגמה להתפתחות מתכנסת.
  

מדענים המכונים קלדיסטים מסדרים טקסות בעץ פילוגנטי שעשוי לחשוף קשרים אבולוציוניים חדשים. קיבוצים נעשים על בסיס מאפיינים פיזיים, מולקולריים, גנטיים והתנהגותיים.

דיאגרמה הנקראת קלאדוגרמה מציגה קרבה, בכל פעם שמינים הסתעפו מאב קדמון משותף בנקודות שונות בהיסטוריה האבולוציונית.

קלוגרמות הן דיאגרמות מסועפות של נתונים קלדיסטיים המסדרים מאפיינים מסוימים באמצעות מערכי נתונים פיזיים השוואתיים או נתונים מולקולריים, למשל. חוקרים כיום משתמשים לעתים קרובות בתוכנות מחשב כדי לשלב מערכי נתונים כדי ליצור קלדוגרמות מדויקות יותר המציגות קשרים מגובשים ומקיפים בין אורגניזמים.

מתודולוגיה בסיסית אינה קשה, אך כל שלב חייב להיעשות בקפידה:

1. בחרו במוניות ללמוד, כגון מספר מיני ציפורים.
   
2. בחר ושרטט את המאפיינים שברצונך ללמוד.
   
3. וודא אם קווי הדמיון הם הומולוגיים או תוצר של אבולוציה מתכנסת.
   
4. נבדק האם המאפיינים המשותפים נגזרים מאב קדמון משותף או נגזרים מאוחר יותר.
   
5. קיבץ את הסינפומורפיות (תכונות הומולוגיות משותפות נגזרות).
   
6. בנה קלאדוגרמה על ידי סידור קבוצות של אורגניזמים בתרשים של עץ.
   
7. השתמש בצמתים על ענפים כדי לייצג נקודות בהן שני מינים סטו.
   
8. הצב מוניות על נקודות הקצה של הענפים, ולא בצמתים.
   

מקורותיו של שיטות אבולוציוניות מסורתיות סיווג עוד מימי קדם. כל האורגניזמים החיים היו אמורים להיות צמחים או בעלי חיים. בשיטות קלאסיות לא נעשה הבחנה בין האם תכונות שנצפו עברו בירושה מאב קדמון רחוק או תכונה עדכנית יותר.

המטרה הייתה לתכנן מפה כיצד החיים על פני כדור הארץ עשויים להתפתח מהים.

המאפיינים המשמשים לסיווג נקבעים על ידי מומחים הבודקים הבדלים ברורים כמו פרווה, קשקשים או נוצות. הגישה עבדה טוב יותר לסיווג בעלי חוליות מאשר חסרי חוליות. סיווג אבולוציוני ממקם אורגניזמים בקבוצות שהולכות ופוחתות בשלושה תחומים המחולקים עוד לממלכה, פילום / חלוקה, מעמד, סדר, משפחה, סוג ומין.

שיטות קלדיסטיות אינן קשורות למערכת הסיווג של ליניאן, והן בודקות עמוקות יותר אחר קישוריות.

שיטתיות מסורתית מסדרים אורגניזמים על עץ אבולוציוני על פי מתי וכיצד השתנה מין כהתאמה לאורח חיים או לבית גידול חדש, למשל. העץ מראה כיוון התפתחות בזמן. הערכות סובייקטיביות של תכונות ומאפיינים בשיטות מסורתיות עשויות להטות תוצאות ולהפוך את המחקר לקשה או בלתי אפשרי לשכפול.

שיטות סיווג קלדיסטיות ופילוגנטיות עדיפות בימינו על פני שיטות מסורתיות בסיווג במדעי הטבע. הגישה החדשה יותר היא מדעית יותר, מבוססת ראיות ובלתי ניתנת להפרכה. לדוגמה, נעשה שימוש ברצף דנ"א ורנ"א לחקר אורגניזמים ברמה המולקולרית לצורך מיקום ניואנסים על קלדוגרמה.

אורגניזמים מסודרים על פי שלהם מאפיינים נגזרים משותפים.

הקלאדיסטיקה בתחום הביולוגיה מאפשרת למדענים לזהות דפוסים, ליצור השערה, לבדוק השערות ולחזות.

"הקלדיסטיות, אם כן, נוגעת לגילוי", כמתואר על ידי הקלאדיסטים העכשוויים, דיוויד מ. וויליאמס ומאלט סי. אבך, בשנת 2018. וויליאמס ואבאך רואים את הקלאדיסטיקה כתהליך של סיווג טבעי שאינו דורש ביסוס בתיאוריה האבולוציונית.

הטכנולוגיה מוסיפה רמת דיוק ותחכום לשיטות הקלאדיסטיות. בפרט, רצף דנ"א של גנים מצביע על מידת קרבה ומוצא משותף ברמת ביטחון גבוהה. הבדלים ב- DNA יכולים לספק תובנה לגבי כמה זמן מינים חלקו אב קדמון משותף.

ממצאים חדשים יכולים לאשש או לתקן הנחות קודמות לגבי התפתחות אורגניזמים ולעזור לסווג מינים חדשים עם התגלותם.