Cladistiek: definitie, methode en voorbeelden

Miljoenen jaren geleden begon een enkele cel een evolutie waaruit de levensboom en zijn drie hoofddomeinen zijn voortgekomen: Archaea, Bacteria en Eukaryota.

Elke tak is een voorbeeld van een clade. Een clade vertegenwoordigt een groep met een gemeenschappelijke voorouder en alle nakomelingen. Cladistiek is een moderne vorm van taxonomie die organismen plaatst op een vertakt diagram genaamd a cladogram (zoals een stamboom) op basis van eigenschappen zoals DNA-overeenkomsten en fylogenie.

Op het gebied van biologie is cladistiek een systeem van taxonomie dat omvat het classificeren en rangschikken van organismen op een fylogenetische boom van het leven. Voorafgaand aan DNA-analyse was classificatie sterk afhankelijk van observaties van vergelijkbare en verschillende eigenschappen en gedrag.

Westerse samenlevingen hebben classificatie gebruikt sinds de dagen van Aristoteles in het oude Griekenland, toen levende organismen eenvoudigweg werden onderverdeeld in categorieën van planten en dieren voor studiedoeleinden.

In de jaren 1700, Carolus (Carl) Linnaeus ontwikkelde een taxonomie van systematische biologie op basis van classificatie van organismen door uiterlijke kenmerken en gedeelde eigenschappen. Hij ontwikkelde een schema om het organisme in een hiërarchische taxon (een groep; enkelvoud) waaronder meerdere taxa (groepen; meervoud). Linnaeus ontwikkelde ook binominale nomenclatuur - een systeem voor het toewijzen van wetenschappelijke namen zoals: Homo sapiens (mens) aan organismen.

Charles Darwin en Alfred Russell Wallace stelde het idee van natuurlijke selectie voor, en Darwin formaliseerde de evolutietheorie in het midden van de 19e eeuw. Darwin's Over de herkomst van soorten schokte de wetenschappelijke gemeenschap door te suggereren dat alle organismen afstammen van een gemeenschappelijke voorouder en konden worden geclassificeerd volgens hun evolutionaire relaties.

ornitholoog Ernst Mayr was een vooraanstaande evolutionaire bioloog van de 20e eeuw die uitgebreid de taxonomie van vogels bestudeerde tijdens het reizen en werken als curator bij het American Museum of Natural History in New York. Zijn baanbrekende boek Systematiek en het ontstaan ​​van soorten werd in 1942 gepubliceerd door de Columbia University Press.

Mayr staat bekend om zijn werk op het gebied van genen, erfelijkheid, variatie en soortvorming van populaties in geïsoleerde gebieden, dat kan worden gebruikt voor classificatiedoeleinden.

Cladistiek is een biologisch classificatiesysteem op basis van analyse van eigenschappen, genetische samenstelling of fysiologie die werden gedeeld met een gemeenschappelijke voorouder totdat er een soort divergentie optrad, waardoor nieuwe soorten. Duitse taxonoom Willi Hennig een vliegende start cladistische classificatie in 1950, toen hij zijn boek schreef over fylogenetische systematiek.

Het boek werd later in het Engels vertaald en veel gelezen in Amerika nadat het in 1966 door de University of Illinois Press was gepubliceerd.

Hennigs theorie van fylogenetische systematiek daagde hedendaagse benaderingen uit om taxonomie geïntroduceerd door Darwin en Wallace.

Hij voerde aan dat soorten moeten worden geïdentificeerd en geclassificeerd op basis van genetica en clade-relaties, met name monofyletische groepen. Hennig verdiepte zich in recente voorouders en de identificatie van geëvolueerde, gewijzigde eigenschappen van organismen die: een directe afstamming deelden - zelfs als afgeleide kenmerken in niets leken op die van de gewone Voorouder.

Fylogenetica is de studie van bekende of veronderstelde evolutionaire relaties op basis van de fylogenie (afstamming) van gegroepeerde organismen. De fylogenetische levensboom illustreert hoe taxa (groepen van organismen) zich in een specifieke volgorde ontwikkelden naarmate het leven diversifieerde en vertakt vanuit een gemeenschappelijke voorouder.

Het proces van evolutionaire soortvorming ziet eruit als takken aan een stamboom. Omdat er geen zekere manier is om te weten wat er zo lang geleden is gebeurd, moeten de wetenschappen conclusies trekken over hoe het leven is geëvolueerd op basis van: fossiele archieven, vergelijkende anatomie, fysiologie, gedrag, embryologie en moleculaire gegevens. Evolutionaire biologie is een dynamisch veld waar voortdurend nieuwe ontdekkingen worden gedaan.

Evolutionaire biologen concluderen: hypothetische evolutionaire relaties tussen taxa op basis van een gedetailleerde vergelijking van vergelijkbare en verschillende kenmerken.

Het bestuderen van evolutionaire afkomst helpt om vast te stellen wanneer bepaalde eigenschappen zijn ontstaan ​​​​en werden doorgegeven aan volgende generaties. Cladistische analyse onderzoekt, net als de fylogenetische systematiek, evolutionaire afstammingspatronen die helpen samen de evolutionaire geschiedenis van soorten, terwijl ook de diversiteit van leven en soorten wordt uitgelegd uitsterven.

Cladistics werkt vanuit het centrale uitgangspunt dat het leven op aarde maar één keer is ontstaan, wat betekent dat al het leven terug te voeren is op dat eerste voorouderlijke organisme. De volgende veronderstelling is dat bestaande soorten zich in twee groepen splitsen, afgebakend door een knoop op een boomtak. Ten slotte veranderen, passen en evolueren organismen vermoedelijk.

De punt van divergentie vertegenwoordigt het begin van twee nieuwe lijnen die zich vertakken en twee nieuwe soorten vormen.

Cladogrammen worden gebruikt om zinvolle vergelijkingen tussen groepen te maken.

In de biologie is een cladogram een visuele representatie van verwante kenmerken in verschillende organismen. Gewoonlijk wordt groeperen gedaan op basis van bepaalde gespecificeerde kenmerken van belang. Verschillende gegevenspunten kunnen echter worden gecombineerd om een ​​nauwkeurigere evolutionaire boom te creëren die complexe relaties verklaart.

Er kan onderscheid worden gemaakt tussen een cladogram en een fylogenetische boom, maar de termen worden soms ook door elkaar gebruikt. Cladogrammen richten zich op kenmerken op macro- en moleculair niveau die op verwantschap duiden. Een cladogram suggereert waarschijnlijke evolutionaire relaties tussen groepen organismen of taxa die klein of groot in aantal kunnen zijn:

• Monofyletisch taxon. Een clade van organismen die omvat: hun meest recente gemeenschappelijke voorouder en alle de levenden en uitgestorven afstammelingen. Er zijn bijvoorbeeld drie clades van zoogdieren: monotremes, buideldieren en eutherianen. Zoogdieren delen veel kenmerken, maar verschillen in de manier waarop ze zich voortplanten.
  

• Parafyletisch taxon. Een groep organismen die bevat de meest voorkomende voorouder van alle leden maar laat een deel van de afstammelingen weg die teruggaan naar diezelfde gemeenschappelijke voorouder. Bryofyta zijn parafyletisch omdat de groep omvat: hoornblad, levermossen en mossen maar exclusief vaatplanten.

• Polyfyletisch taxon. Een groep organismen die niet veel gemeen hebben, behalve: enkele vergelijkbare eigenschappen. Ooit werden dikhuiden zoals olifanten en nijlpaarden op één hoop gegooid vanwege hun huidtype, hoewel ze eigenlijk tot verschillende zoogdierfamilies behoren.
  

meercellig eukaryoten leidde tot een overvloed aan steeds complexere organismen.

Vissen en mensen gaan bijvoorbeeld terug naar een gemeenschappelijke voorouder van miljoenen jaren geleden. Die gecompliceerde relatie kan worden afgebeeld op een eenvoudig cladogram dat de cladistische relaties illustreert. Begin met het voorstellen van een voorouderlijke eukaryoot aan de voet van de boom.

Toen de gemeenschappelijke voorouder evolueerde, vertakte een knoop in de boom zich tot in het water levende gewervelde dieren zoals kaakloze vissen. Bij het volgende knooppunt splitste de tak zich in vierpotige tetrapoden.

Het volgende knooppunt vertoont een divergentie wanneer dieren vruchtwater ontwikkelden, gevolgd door een splitsing wanneer dieren vacht of haar ontwikkelden. Veel later liepen mensen en primaten uiteen en evolueerden ze langs verschillende paden.

Cladistische classificatie kijkt naar bepaalde kenmerken van organismen die rechtstreeks verband houden met voorouderlijke toestanden in de evolutionaire biologie. Hennig ontwikkelde veel wetenschappelijke termen om zijn benadering van categorisatie te beschrijven, die een belangrijke rol speelden in zijn ideeën en theorieën. De termen beschrijven groepen organismen in relatie tot een specifieke knoop op een fylogenetische boom of cladogram:

• Plesiomorfie. Dit is een voorouderlijke eigenschap die tijdens de evolutie tussen een enkele of meerdere taxa wordt doorgegeven en behouden van vooroudersoorten op afstammelingen.

• Apomorfie. Dit is een afgeleide eigenschap die een specifieke clade beschrijft.

• Autopomorfie. Dit is een afgeleide eigenschap die alleen wordt aangetroffen in een van de groepen die worden vergeleken.

• Synapomorfie. Dit is een afgeleide eigenschap die wordt gedeeld door twee of meer groepen organismen die afstammen van een gemeenschappelijke voorouder.
  

Karakter staten zijn eigenschappen die zijn afgeleid door het proces van natuurlijke selectie, aanpassing en erfelijke variantie die leiden tot biodiversiteit in het leven. Als zodanig, alleen synapomorfieën zijn relevant bij het onderscheiden van evolutionaire relaties. Meerdere synapomorfieën in organismen met een gedeelde voorouder zijn monofyletisch:

• Autopomorfieën zijn eigenschappen die in slechts één soort of groep worden aangetroffen en die voortkomen uit een gemeenschappelijke voorouder, zoals de slangentaxa die geen functionele poten heeft, terwijl de volgende dichtstbijzijnde taxa twee of meer poten heeft.

• Synapomorfieën verwijzen naar een eigenschap die wordt gezien in een hele clade, zoals opponeerbare duimen bij mensen en primaten.
  

• homoplasie is een eigenschap die wordt gedeeld door meerdere groepen, soorten en taxa die niet is afgeleid van een gedeelde gemeenschappelijke voorouder. Vogels en zoogdieren zijn warmbloedig, maar hebben geen direct gedeelde voorouder die die eigenschap had, wat een voorbeeld is van convergente evolutie.
  

Wetenschappers die cladisten worden genoemd, rangschikken taxa in een fylogenetische boom die nieuwe evolutionaire relaties kan onthullen. Groeperingen worden gemaakt op basis van fysieke, moleculaire, genetische en gedragskenmerken.

Een diagram dat een cladogram wordt genoemd, toont verwantschap, telkens wanneer soorten zich op verschillende punten in de evolutionaire geschiedenis van een gemeenschappelijke voorouder vertakken.

Cladogrammen zijn vertakkingsdiagrammen van cladistische gegevens die bepaalde kenmerken rangschikken aan de hand van bijvoorbeeld vergelijkende fysieke datasets of moleculaire data. Onderzoekers gebruiken tegenwoordig vaak computerprogramma's om datasets te combineren om nauwkeurigere cladogrammen te maken die samenhangende en uitgebreide relaties tussen organismen laten zien.

De basismethodologie is niet moeilijk, maar elke stap moet zorgvuldig worden uitgevoerd:

1. Kies taxa om te bestuderen, zoals verschillende soorten vogels.
   
2. Kies en breng de kenmerken in kaart die u wilt bestuderen.
   
3. Ga na of overeenkomsten homoloog zijn of het product van convergente evolutie.
   
4. Analyseer of de gedeelde kenmerken zijn afgeleid van een gemeenschappelijke voorouder of later zijn afgeleid.
   
5. Groepeer de synapomorfieën (gedeelde afgeleide homologe eigenschappen).
   
6. Bouw een cladogram door groepen organismen op een boomachtig diagram te rangschikken.
   
7. Gebruik knooppunten op takken om punten weer te geven waar twee soorten uiteenliepen.
   
8. Plaats taxa op de eindpunten van vertakkingen, niet op knooppunten.
   

De oorsprong van traditionele evolutionaire methoden classificatie dateert uit de oudheid. Alle levende organismen werden verondersteld planten of dieren te zijn. Klassieke methoden maakten geen onderscheid of waargenomen eigenschappen werden geërfd van een verre voorouder of een recentere.

Het doel was om een ​​kaart te maken van hoe het leven op aarde zich vanuit de zee kan hebben ontwikkeld.

Kenmerken die worden gebruikt voor classificatie worden bepaald door experts die kijken naar duidelijke verschillen zoals vacht, schubben of veren. De aanpak werkte beter voor het classificeren van gewervelde dieren dan ongewervelde dieren. Evolutionaire classificatie plaatst organismen in groepen van afnemende grootte onder drie domeinen die verder zijn onderverdeeld in koninkrijk, phylum/divisie, klasse, orde, familie, geslacht en soort.

Cladistische methoden zijn niet gebonden aan het Linneaanse classificatiesysteem en zoeken dieper naar connectiviteit.

Traditionele systematiek rangschikt organismen op een evolutionaire boom op basis van wanneer en hoe een soort veranderde, bijvoorbeeld als aanpassing aan een nieuwe levensstijl of habitat. De boom laat zien richting van evolutie op tijd. Subjectieve beoordelingen van eigenschappen en kenmerken in traditionele methoden kunnen de resultaten mogelijk vertekenen en een onderzoek moeilijk of onmogelijk maken om te repliceren.

Cladistische en fylogenetische classificatiemethoden hebben tegenwoordig de voorkeur boven traditionele classificatiemethoden in de natuurwetenschappen. De nieuwere benadering is meer wetenschappelijk, evidence-based en onweerlegbaar. Zo wordt DNA- en RNA-sequencing gebruikt om organismen op moleculair niveau te bestuderen voor genuanceerde plaatsing op een cladogram.

Organismen zijn gerangschikt volgens hun gedeelde afgeleide kenmerken.

Cladistiek op het gebied van biologie stelt wetenschappers in staat patronen te identificeren, een hypothese te vormen, hypothesen te testen en voorspellingen te doen.

"Cladistiek gaat dus over ontdekking", zoals beschreven door hedendaagse cladisten, David M. Williams en Malte C. Ebach, in 2018. Williams en Ebach zien cladistiek als een proces van natuurlijke classificatie waarvoor geen basis in de evolutietheorie vereist is.

Technologie voegt een niveau van precisie en verfijning toe aan cladistische methoden. Met name DNA-sequencing van genen geeft met een hoge mate van vertrouwen de mate van verwantschap en gedeelde voorouders aan. Verschillen in DNA kunnen inzicht geven in hoe lang geleden soorten een gemeenschappelijke voorouder deelden.

Nieuwe bevindingen kunnen eerdere veronderstellingen over hoe organismen evolueerden bevestigen of corrigeren en helpen bij het classificeren van nieuwe soorten zodra ze worden ontdekt.