Kladistika: definīcija, metode un piemēri

Pirms miljoniem gadu viena šūna izveidoja evolūcija kas radīja dzīvības koku un trīs galvenās jomas: Arheju, Baktērijas un Eukariotu.

Katra filiāle ir a klade. Clade apzīmē grupu, kurā ietilpst kopīgs sencis un visi pēcnācēji. Kladistika ir mūsdienīga taksonomija kas organismus ievieto sazarotā diagrammā, ko sauc par a kladogramma (piemēram, ciltskoku), pamatojoties uz tādām pazīmēm kā DNS līdzība un filoģenēze.

Bioloģijas jomā kladistika ir a sistēma taksonomija kas ietver organismu klasificēšanu un sakārtošanu filoģenētiskais koks dzīves. Pirms DNS analīzes klasifikācija lielā mērā balstījās uz līdzīgu un atšķirīgu iezīmju un uzvedības novērojumiem.

Rietumu sabiedrības klasifikāciju ir izmantojušas kopš Aristoteļa laikiem Senajā Grieķijā, kad dzīvos organismus pētījumu nolūkos vienkārši iedalīja augu un dzīvnieku kategorijās.

1700. gados Kerola (Karla) Linnē izstrādāja sistemātiskas bioloģijas taksonomiju, kuras pamatā bija organismu klasifikācija pēc ārēja izskata un kopīgām pazīmēm. Viņš izstrādāja shēmu organisma ievietošanai a

Čārlzs Darvins un Alfrēds Rasels Voless ierosināja dabiskās atlases ideju, un Darvins formalizēja evolūcijas teoriju 1800. gadu vidū. Darvina Par sugu izcelsmi satricināja zinātnieku aprindas, liekot domāt, ka visi organismi cēlušies no kopēja priekšteča un tos var klasificēt pēc to evolūcijas attiecībām.

Ornitologs Ernsts Majrs bija izcils 20. gadsimta evolucionārais biologs, kurš daudz pētīja putnu taksonomiju, ceļojot un strādājot par kuratoru Amerikas Dabas vēstures muzejā Ņujorkā. Viņa revolucionārā grāmata Sistemātika un sugu izcelsme tika publicēts 1942. gadā Columbia University Press.

Majrs ir pazīstams ar savu darbu pie gēniem, iedzimtības, populāciju variācijas un atšķirības izolētos apgabalos, ko var izmantot klasifikācijas vajadzībām.

Kladistika ir bioloģiskās klasifikācijas sistēma, kuras pamatā ir īpašību, ģenētiskā uzbūves vai fizioloģija, kas bija kopīga ar kopēju senču, līdz notika kāda veida atšķirība, kas radīja jaunu sugas. Vācu taksonomists Vilis Hennigs iesākts kladistiskā klasifikācija 1950. gadā, kad viņš uzrakstīja savu grāmatu filoģenētiskā sistemātika.

Vēlāk grāmata pēc tam, kad to 1966. gadā izdeva Ilinoisas Universitātes izdevniecība, tika tulkota angļu valodā un plaši lasīta Amerikā.

Heniga filoģenētiskās sistemātikas teorija apstrīdēja mūsdienu pieeju taksonomija ieviesa Darvins un Voless.

Viņš apgalvoja, ka sugas ir jāidentificē un jāklasificē, pamatojoties uz ģenētiku un kladēšanas attiecībām, it īpaši monofiletiskām grupām. Hennigs pieslējās jaunākajiem radiniekiem un identificēja attīstījušās, modificētās organismu pazīmes, kas kopīga tieša ciltsraksts - pat ja atvasinātās īpašības nav līdzīgas kopējām sencis.

Filoģenētika ir zināmu vai hipotēzētu evolucionāru attiecību izpēte, kuras pamatā ir filoģenēze grupētu organismu (cilts). Filoģenētiskais dzīves koks ilustrē to, kā taksoni (organismu grupas) attīstījās noteiktā secībā, kad dzīve dažādojās un sazarojās no kopēja priekšteča.

Evolūcijas spekulācijas process izskatās kā zari uz ģimenes koka. Tā kā nav droša veida, kā uzzināt, kas notika tik sen, zinātnēm ir jāizdara secinājumi par to, kā dzīve attīstījās, balstoties uz to fosilie ieraksti, salīdzinošā anatomija, fizioloģija, uzvedība, embrioloģija un molekulāros datus. Evolūcijas bioloģija ir dinamiska joma, kurā nepārtraukti tiek veikti jauni atklājumi.

Evolūcijas biologi secina hipotētiskas evolūcijas attiecības balstoties uz detalizētu līdzīgu un atšķirīgu īpašību salīdzinājumu.

Evolūcijas nolaišanās izpēte palīdz precīzi noteikt, kad radās noteiktas iezīmes un tās tika nodotas nākamajām paaudzēm. Kladistiskā analīze, tāpat kā filoģenētiskā sistemātika, izskata evolūcijas nolaišanās modeļus, kas palīdz kopā sugu evolūcijas vēsture, vienlaikus izskaidrojot arī dzīves un sugu daudzveidību izmiršana.

Kladistika darbojas uz centrālo pieņēmumu, ka dzīve uz Zemes radusies tikai vienu reizi, kas nozīmē, ka visa dzīve ir meklējama tajā pirmajā senču organismā. Nākamais pieņēmums ir tāds, ka esošās sugas sadalās divās grupās, kuras norobežo mezgls uz koka zara. Visbeidzot, organismi, domājams, mainās, pielāgojas un attīstās.

The atšķirības punkts apzīmē divu jaunu sugu sākumu, kas sazarojas un veido divas jaunas sugas.

Lai jēgpilni salīdzinātu grupas, tiek izmantotas kladogrammas.

Bioloģijā kladogramma ir a vizuālā attēlojums dažādu organismu īpašībām. Parasti grupēšana notiek pēc noteiktām interesējošām iezīmēm. Tomēr dažādus datu punktus var apvienot, lai izveidotu precīzāku evolūcijas koku, kas izskaidro sarežģītās attiecības.

Var atšķirt kladogrammu no filoģenētiskā koka, taču termini reizēm tiek lietoti arī kā savstarpēji aizstājami. Kladogrammas koncentrējas uz raksturlielumiem makro un molekulārā līmenī, kas norāda uz radniecību. Kladogramma norāda uz iespējamām evolūcijas attiecībām starp organismu vai taksonu grupām, kuru skaits var būt mazs vai liels:

• Monofiletiskais taksons. Organismu klade, kas ietver viņu pēdējais kopīgais sencis un visi dzīvie un izmirušie pēcnācēji. Piemēram, ir trīs zīdītāju kladi: monotrēmas, marsupials un eiterieši. Zīdītājiem ir daudz raksturīgu pazīmju, taču to reprodukcijas veids atšķiras.
  

• Parafilētiskais taksons. Organismu grupa, kas ietver visbiežāk sastopamo senču no visiem locekļiem, izņemot atstāj dažus pēcnācējus kas meklējams tajā pašā kopīgajā sencī. Bryophyta ir parafilētiski, jo grupā ietilpst hornworts, aknu zāles un sūnas bet neietver asinsvadu augus.

• Polifilētiskais taksons. Organismu grupa, kurai nav daudz kopīga, izņemot dažas līdzīgas iezīmes. Kādreiz tādi pachidermi kā ziloņi un nīlzirgi bija salikti kopā to ādas tipa dēļ, kaut arī tie faktiski pieder pie dažādām zīdītāju ģimenēm.
  

Daudzšūnu eikarioti izraisīja arvien sarežģītāku organismu pārpilnību.

Piemēram, zivis un cilvēki meklējami pirms vairākiem miljoniem gadu senā senčā. Šīs sarežģītās attiecības var attēlot uz vienkāršas kladogrammas, kas ilustrē kladistiskās attiecības. Sāciet, attēlojot senču eikariotu koka pamatnē.

Attīstoties kopējam senčim, ​​viens koka mezgls sazarojās ūdens mugurkaulniekos, piemēram, bez žokļa zivīm. Nākamajā mezglā zars sadalījās četrkājainos tetrapodos.

Nākamais mezgls parāda atšķirību, kad dzīvniekiem attīstījās augļa olšūnas, un pēc tam sadalījums, kad dzīvniekiem attīstījās kažokāda vai apmatojums. Daudz vēlāk cilvēki un primāti atšķīrās un attīstījās pa atsevišķiem ceļiem.

Kladistiskā klasifikācija aplūko noteiktas organismu īpašības, kas evolūcijas bioloģijā tieši ietekmē senču stāvokļus. Hennigs izstrādāja daudzus zinātniskus terminus, lai aprakstītu savu pieeju kategorizēšanai, kas bija svarīgi viņa idejām un teorijām. Termini apraksta organismu grupas attiecībā uz konkrētu filoģenētiskā koka vai kladogrammas mezglu:

• Plesiomorfija. Šī ir senču iezīme, kas evolūcijas laikā starp vienu vai vairākiem taksoniem tika nodota un saglabāta no priekšteču sugām pēcteču sugām.

• Apomorfija. Šī ir atvasināta iezīme, kas raksturo konkrētu klādi.

• Autapomorfija. Šī ir atvasināta iezīme, kas sastopama tikai vienā no salīdzinātajām grupām.

• Sinapomorfija. Šī ir atvasināta iezīme, kurai ir kopīgas divas vai vairākas organismu grupas, kas cēlušās no kopēja priekšteča.
  

Rakstzīmju stāvokļi ir iezīmes, kas iegūtas dabiskās atlases, adaptācijas un iedzimtas dispersijas procesā, kas noved pie bioloģiskās daudzveidības dzīvē. Kā tāds tikai sinapomorfijas ir nozīmīgi, lai noteiktu evolūcijas attiecības. Vairāki sinapomorfiji organismos ar kopīgu priekšteču ir monofilētisks:

• Autapomorfijas ir pazīmes, kas sastopamas tikai vienā sugā vai grupā, kas radusies no kopēja priekšteča, piemēram, čūsku taksoniem, kuriem nav funkcionālu kāju, savukārt nākamajiem tuvākajiem taksoniem ir divas vai vairākas kājas.

• Sinapomorfijas attiecas uz iezīmi, kas redzama visā kladē, piemēram, pretēji īkšķi cilvēkiem un primātiem.
  

• Homoplazija ir iezīme, kuru kopīgi lieto vairākas grupas, sugas un taksoni un kura nav iegūta no kopīga kopīgā priekšteča. Putni un zīdītāji ir siltasiņu, bet viņiem nav tieši kopīga priekšteča, kuram būtu šī īpašība, kas ir konverģences evolūcijas piemērs.
  

Zinātnieki, kurus sauc par kladistiem, sakārto taksonus filoģenētiskajā kokā, kas var atklāt jaunas evolūcijas attiecības. Grupēšana tiek veikta, pamatojoties uz fizikālajām, molekulārajām, ģenētiskajām un uzvedības īpašībām.

Diagramma, ko sauc par kladogrammu, parāda radniecību, kad sugas dažādos evolūcijas vēstures posmos sazarojas no kopēja priekšteča.

Kladogrammas ir kladistiskie dati kas sakārto noteiktus raksturlielumus, izmantojot, piemēram, salīdzinošās fizisko datu kopas vai molekulāros datus. Mūsdienās pētnieki bieži izmanto datorprogrammas, lai apvienotu datu kopas, lai izveidotu precīzākas kladogrammas, kas parāda saliedētas un visaptverošas attiecības starp organismiem.

Pamata metodoloģija nav grūta, taču katrs solis jāveic rūpīgi:

1. Pētīšanai izvēlieties taksonus, piemēram, vairākas putnu sugas.
   
2. Izvēlieties un iezīmējiet iezīmes, kuras vēlaties izpētīt.
   
3. Pārliecinieties, vai līdzības ir homoloģiskas vai konverģences evolūcijas rezultāts.
   
4. Analizējiet, vai kopīgās īpašības ir iegūtas no kopēja priekšteča vai iegūtas vēlāk.
   
5. Grupējiet sinapomorfijas (kopīgas atvasinātās homologās pazīmes).
   
6. Veidojiet kladogrammu, sakārtojot organismu grupas uz treilike diagrammas.
   
7. Izmantojiet zaru mezglus, lai attēlotu punktus, kur divas sugas atšķīrās.
   
8. Novietojiet taksonus zaru galapunktos, nevis mezglos.
   

Izcelsme tradicionālās evolūcijas metodes klasifikācija ir senatne. Tika pieņemts, ka visi dzīvie organismi ir augi vai dzīvnieki. Klasiskās metodes neatšķīra, vai novērotās pazīmes tika mantotas no tālu priekšteča vai jaunākas.

Mērķis bija izstrādāt karti, kā dzīvība uz Zemes varētu būt attīstījusies no jūras.

Klasifikācijai izmantotos raksturlielumus nosaka eksperti, kuri izskata acīmredzamas atšķirības, piemēram, kažokādu, zvīņas vai spalvas. Pieeja darbojās labāk, lai klasificētu mugurkaulniekus nekā bezmugurkaulniekus. Evolūcijas klasifikācija organismus ievieto samazinoša lieluma grupās trīs jomās, kuras tālāk iedala valstībā, patvērumā / nodaļā, klasē, kārtībā, ģimenē, ģintī un sugās.

Kladistiskās metodes nav saistītas ar Linnean klasifikācijas sistēmu, un tās dziļāk pārbauda savienojamību.

Tradicionālā sistemātika sakārto organismus uz evolūcijas koka atbilstoši tam, kad un kā suga mainījās, piemēram, pielāgojoties jaunam dzīvesveidam vai dzīvotnei. Koks rāda evolūcijas virziens laikā. Subjektīvs iezīmju un īpašību novērtējums tradicionālajās metodēs var novirzīt rezultātus un padarīt pētījumu grūti atkārtojamu vai neiespējamu.

Mūsdienās klasifikācijā dabaszinātnēs priekšroka tiek dota klasifikācijas un filogenētiskās klasifikācijas metodēm, nevis tradicionālajām metodēm. Jaunākā pieeja ir vairāk zinātniska, balstīta uz pierādījumiem un neapgāžama. Piemēram, DNS un RNS sekvencēšana tiek izmantota, lai pētītu organismus molekulārā līmenī, lai niansēti novietotu uz kladogrammas.

Organismi ir sakārtoti atbilstoši tiem kopīgas atvasinātās īpašības.

Kladistika bioloģijas jomā ļauj zinātniekiem identificēt modeļus, veidot hipotēzi, pārbaudīt hipotēzes un izteikt prognozes.

“Tad kladistika ir saistīta ar atklājumiem”, kā aprakstījuši mūsdienu kladisti Deivids M. Viljamss un Malte C. Ebach, 2018. gadā. Viljamss un Ebaks kladistiku iedomājas kā dabiskas klasifikācijas procesu, kam evolūcijas teorijā nav nepieciešams pamats.

Tehnoloģijas kladistikas metodēm pievieno precizitātes un izsmalcinātības līmeni. Jo īpaši gēnu DNS sekvencēšana norāda uz radniecības pakāpi un kopīgu senču ar lielu pārliecības pakāpi. DNS atšķirības var sniegt ieskatu par to, cik sen sugām bija kopīgs sencis.

Jauni atklājumi var vai nu apstiprināt, vai labot iepriekšējos pieņēmumus par organismu attīstību un palīdzēt klasificēt jaunas sugas, kad tās tiek atklātas.