Kladistikk: definisjon, metode og eksempler

For millioner av år siden startet en enkelt celle en utvikling som ga opphav til livets tre og dets tre hoveddomener: Archaea, Bacteria og Eukaryota.

Hver gren er et eksempel på en klade. En klade representerer en gruppe som inkluderer en felles forfedre og alle etterkommere. Kladistikk er en moderne form for taksonomi som plasserer organismer på et forgrenet diagram kalt a kladogram (som et slektstre) basert på egenskaper som DNA-likheter og fylogeni.

Innen biologi er kladistikk en system av taksonomi som innebærer klassifisering og ordning av organismer på en fylogenetisk tre av livet. Før DNA-analyse var klassifiseringen sterkt avhengig av observasjoner av lignende og forskjellige egenskaper og oppførsel.

Vestlige samfunn har brukt klassifisering siden Aristoteles 'dager i det gamle Hellas, da levende organismer rett og slett ble delt inn i kategorier av planter og dyr for studier.

På 1700-tallet, Carolus (Carl) Linné utviklet en taksonomi for systematisk biologi basert på klassifisering av organismer etter ytre utseende og delte trekk. Han utviklet et skjema for plassering av organisme i en

Charles Darwin og Alfred Russel Wallace foreslo ideen om naturlig utvalg, og Darwin formaliserte evolusjonsteorien på midten av 1800-tallet. Darwin’s Om artenes opprinnelse rystet det vitenskapelige samfunnet ved å antyde at alle organismer stammer fra en felles forfader og kan klassifiseres i henhold til deres evolusjonære forhold.

Ornitolog Ernst Mayr var en fremtredende evolusjonsbiolog fra det 20. århundre som grundig studerte fugletaksonomi mens han reiste og arbeidet som kurator ved American Museum of Natural History i New York. Hans banebrytende bok Systematikk og opprinnelsen til arter ble utgitt i 1942 av Columbia University Press.

Mayr er kjent for sitt arbeid med gener, arvelighet, variasjon og spesiering av populasjoner i isolerte områder, som kan brukes til klassifiseringsformål.

Kladistikk er et biologisk klassifiseringssystem basert på analyse av egenskaper, genetisk sammensetning eller fysiologi som ble delt med en felles forfader til en eller annen type avvik skjedde og produserte ny arter. Tysk taksonom Willi Hennig hoppet i gang kladistisk klassifisering i 1950 da han skrev sin bok den fylogenetisk systematikk.

Boken ble senere oversatt til engelsk og lest mye i Amerika etter at den ble utgitt av University of Illinois Press i 1966.

Hennigs teori om fylogenetisk systematikk utfordret moderne tilnærminger til taksonomi introdusert av Darwin og Wallace.

Han argumenterte for at arter burde identifiseres og klassifiseres ut fra genetikk og kladeforhold, spesielt monofyletiske grupper. Hennig slo seg inn på nyere forfedre og identifisering av utviklede, modifiserte egenskaper av organismer som delte en direkte avstamning - selv om avledede egenskaper ikke var i likhet med de vanlige forfedre.

Fylogenetikk er studiet av kjente eller hypoteser evolusjonære forhold basert på fylogeni (avstamning) av grupperte organismer. Det fylogenetiske livets tre illustrerer hvordan taxa (grupper av organismer) utviklet seg i en bestemt rekkefølge etter hvert som livet var diversifisert og forgrenet fra en felles forfader.

Prosessen med evolusjonær spesiering ser ut som grener på et slektstre. Fordi det ikke er noen sikker måte å vite hva som skjedde for lenge siden, må vitenskapene trekke slutninger om hvordan livet utviklet seg basert på fossile poster, komparativ anatomi, fysiologi, atferd, embryologi og molekylære data. Evolusjonærbiologi er et dynamisk felt der nye funn kontinuerlig gjøres.

Evolusjonære biologer slutter hypotetiske evolusjonære forhold mellom taxa basert på en detaljert sammenligning av lignende og forskjellige egenskaper.

Å studere evolusjonær avstamning hjelper til med å finne ut når visse egenskaper oppstod og ble overført til påfølgende generasjoner. Kladistisk analyse, i likhet med fylogenetisk systematikk, undersøker evolusjonære avstamningsmønstre som hjelper sammen artenes evolusjonære historie, samtidig som de forklarer mangfoldet i livet og artene utryddelse.

Kladistikk arbeider med det sentrale utgangspunktet at livet på jorden bare oppsto en gang, noe som betyr at alt liv kan spores tilbake til den første forfedre organismen. Den neste antagelsen er at eksisterende arter deles i to grupper avgrenset av en node på en gren. Til slutt, organismer antagelig endres, tilpasser seg og utvikler seg.

De poeng med avvik representerer begynnelsen på to nye linjer som forgrener seg og danner to nye arter.

Kladogrammer brukes til å gjøre meningsfulle sammenligninger mellom grupper.

I biologi er et kladogram a visuell representasjon av beslektede egenskaper i forskjellige organismer. Vanligvis gjøres gruppering i henhold til bestemte spesifikke trekk av interesse. Imidlertid kan forskjellige datapunkter kombineres for å skape et mer nøyaktig evolusjonært tre som forklarer komplekse forhold.

Det kan skilles mellom et kladogram og et fylogenetisk tre, men begrepene brukes også til tider. Kladogrammer fokuserer på egenskaper på makro- og molekylært nivå som indikerer sammenheng. Et kladogram antyder sannsynlige evolusjonære forhold mellom grupper av organismer eller taksa som kan være små eller store i antall:

• Monofyletisk taxon. En klade av organismer som inkluderer deres siste felles forfader og alle de levende og utdøde etterkommere. For eksempel er det tre clades av pattedyr: monotremer, pungdyr og eutherians. Pattedyr har mange kjennetegn, men er forskjellige i måten de reproduserer på.
  

• Parafyletisk takson. En gruppe organismer som inkluderer den vanligste forfedren av alle medlemmene men utelater noen av etterkommerne som sporer tilbake til den samme felles forfaren. Bryophyta er parafyletiske fordi gruppen inkluderer hornworts, liverworts og moser men ekskluderer karplanter.

• Polyfyletisk taxon. En gruppe organismer som ikke har mye til felles annet enn noen lignende trekk. På en gang ble pachydermer som elefanter og flodhester klumpet sammen på grunn av deres hudtype, selv om de faktisk tilhører forskjellige pattedyrfamilier.
  

Flercellede eukaryoter ga opphav til en overflod av stadig mer komplekse organismer.

For eksempel kan fisk og mennesker spores tilbake til en felles forfader for millioner av år siden. Det kompliserte forholdet kan vises på et enkelt kladogram som illustrerer de kladistiske forholdene. Start med å skildre en forfedres eukaryot ved foten av treet.

Etter hvert som den felles forfedren utviklet seg, forgrenet en node på treet seg til vannlevende virveldyr som kjevefri fisk. Ved neste knutepunkt divergerte grenen seg i firbente tetrapoder.

Den neste noden viser en divergens når dyr utviklet fostervannsegg, etterfulgt av en splittelse når dyr utviklet pels eller hår. Mye senere divergerte mennesker og primater seg på forskjellige stier.

Kladistisk klassifisering ser på visse kjennetegn ved organismer som direkte bærer på forfedres tilstander i evolusjonær biologi. Hennig utviklet mange vitenskapelige begreper for å beskrive sin tilnærming til kategorisering, som var instrumental for hans ideer og teorier. Begrepene beskriver grupper av organismer i forhold til en bestemt node på et fylogenetisk tre eller kladogram:

• Plesiomorphy. Dette er et forfedres trekk som er overført og beholdt fra forfedres arter til etterkommende arter under evolusjonen mellom en enkelt eller flere takster.

• Apomorphy. Dette er en avledet egenskap som beskriver en bestemt klade.

• Autapomorphy. Dette er en avledet egenskap som bare finnes i en av gruppene som sammenlignes.

• Synapomorphy. Dette er et avledet trekk som deles av to eller flere grupper av organismer som stammer fra en felles forfader.
  

Karaktertilstander er trekk avledet gjennom prosessen med naturlig seleksjon, tilpasning og arvelig varians som fører til biologisk mangfold i livet. Som sådan bare synapomorphies er relevante når man skiller evolusjonære forhold. Flere synapomorfier i organismer med en felles forfader er monofyletisk:

• Autapomorphies er trekk som finnes i bare en art eller gruppe som stammer fra en felles forfedre, for eksempel slangetaxa som ikke har noen funksjonelle ben, mens den neste nærmeste taxaen har to eller flere ben.

• Synapomorphies refererer til et trekk sett i en hel klade som motsatte tommelen hos mennesker og primater.
  

• Homoplasi er et trekk som deles av flere grupper, arter og taxa som ikke er avledet fra en felles felles forfader. Fugler og pattedyr er varmblodige, men har ikke en direkte delt forfader som hadde den egenskapen, noe som er et eksempel på konvergent evolusjon.
  

Forskere kalt kladister ordner taxa i et fylogenetisk tre som kan avsløre nye evolusjonære forhold. Grupperinger er laget basert på fysiske, molekylære, genetiske og atferdsmessige egenskaper.

Et diagram kalt kladogram viser slektskap, hver gang arter forgrenes fra en felles forfader på forskjellige punkter i evolusjonshistorien.

Kladogrammer er forgreningsdiagrammer over kladistiske data som for eksempel ordner visse egenskaper ved hjelp av sammenlignende fysiske datasett eller molekylære data. Forskere i dag bruker ofte dataprogrammer for å kombinere datasett for å skape mer nøyaktige kladogrammer som viser sammenhengende og omfattende forhold mellom organismer.

Grunnleggende metodikk er ikke vanskelig, men hvert trinn må gjøres nøye:

1. Velg taxa å studere, for eksempel flere fuglearter.
   
2. Velg og kartlegg egenskapene du ønsker å studere.
   
3. Kontroller om likheter er homologe eller et produkt av konvergent evolusjon.
   
4. Analyser om de delte egenskapene er avledet fra en felles forfader eller avledet senere.
   
5. Gruppere synapomorfiene (delte avledede homologe trekk).
   
6. Bygg et kladogram ved å arrangere grupper av organismer på et treelik diagram.
   
7. Bruk noder på grener for å representere punkter der to arter divergerte.
   
8. Plasser taxa på endepunktene til grener, ikke ved noder.
   

Opprinnelsen til tradisjonelle evolusjonære metoder av klassifisering dateres tilbake til antikken. Alle levende organismer ble antatt å være planter eller dyr. Klassiske metoder skilte ikke mellom om observerte egenskaper ble arvet fra en fjern forfader eller en nyere.

Målet var å lage et kart over hvordan livet på jorden kan ha utviklet seg fra havet.

Kjennetegn som brukes til klassifisering bestemmes av eksperter som ser på åpenbare forskjeller som pels, skjell eller fjær. Tilnærmingen fungerte bedre for å klassifisere virveldyr enn virvelløse dyr. Evolusjonær klassifisering plasserer organismer i grupper av avtagende størrelse under tre domener som videre er delt inn i rike, fylum / inndeling, klasse, orden, familie, slekt og art.

Kladistiske metoder er ikke knyttet til Linnean-klassifiseringssystemet, og de undersøker dypere for tilkobling.

Tradisjonell systematikk ordner organismer på et evolusjonært tre i henhold til når og hvordan en art endret seg som for eksempel en tilpasning til en ny livsstil eller habitat. Treet viser retning av evolusjon i tide. Subjektive vurderinger av trekk og egenskaper i tradisjonelle metoder kan potensielt skjevme resultatene og gjøre en studie vanskelig eller umulig å replikere.

Kladistiske og fylogenetiske klassifiseringsmetoder foretrekkes i dag fremfor tradisjonelle metoder for klassifisering i naturvitenskap. Den nyere tilnærmingen er mer vitenskapelig, evidensbasert og ugjendrivelig. For eksempel blir DNA- og RNA-sekvensering brukt til å studere organismer på molekylært nivå for nyansert plassering på et kladogram.

Organismer er ordnet i henhold til deres delte avledede egenskaper.

Kladistikk innen biologi lar forskere identifisere mønstre, danne en hypotese, teste hypoteser og komme med spådommer.

"Kladistikk handler altså om oppdagelse," som beskrevet av moderne kladister, David M. Williams og Malte C. Ebach, i 2018. Williams og Ebach ser for seg kladistikk som en prosess for naturlig klassifisering som ikke krever forankring i evolusjonsteorien.

Teknologi legger til et nivå av presisjon og raffinement til kladistikkmetoder. Spesielt indikerer DNA-sekvensering av gener grad av slekt og delt forfedre med høy grad av selvtillit. Forskjeller i DNA kan gi innsikt i hvor lenge siden arter delte en felles forfader.

Nye funn kan enten bekrefte eller korrigere tidligere antagelser om hvordan organismer utviklet seg og bidra til å klassifisere nye arter etter hvert som de blir oppdaget.