Kladystyka: definicja, metoda i przykłady

Miliony lat temu powstała pojedyncza komórka i ewolucja które dały początek drzewu życia i jego trzem głównym domenom: Archaea, Bacteria i Eukaryota.

Każda gałąź jest przykładem klad. Klad reprezentuje grupę, która obejmuje wspólnego przodka i wszystko potomków. Kladystyka to nowoczesna forma taksonomia który umieszcza organizmy na rozgałęzionym diagramie zwanym a kladogram (jak drzewo genealogiczne) na podstawie cech, takich jak podobieństwa DNA i filogeneza.

W dziedzinie biologii kladystyka jest system taksonomia która polega na klasyfikowaniu i porządkowaniu organizmów na drzewo filogenetyczne życia. Przed analizą DNA klasyfikacja opierała się w dużej mierze na obserwacjach podobnych i różnych cech i zachowań.

Społeczeństwa zachodnie stosowały klasyfikację od czasów Arystotelesa w starożytnej Grecji, kiedy organizmy żywe zostały po prostu podzielone na kategorie roślin i zwierząt dla celów badań.

W XVIII wieku Carolus (Carl) Linneusz opracował taksonomię biologii systematycznej opartą na klasyfikacji organizmów według wyglądu zewnętrznego i cech wspólnych. Opracował schemat umieszczania organizmu w

Karol Darwin i Alfred Russel Wallace Wall zaproponował ideę doboru naturalnego, a Darwin sformalizował teorię ewolucji w połowie XIX wieku. Darwina O pochodzeniu gatunków wstrząsnął społecznością naukową, sugerując, że wszystkie organizmy pochodzą od wspólnego przodka i można je sklasyfikować zgodnie z ich powiązaniami ewolucyjnymi.

Ornitolog Ernst Mayr był wybitnym biologem ewolucyjnym XX wieku, który intensywnie studiował taksonomię ptaków podczas podróży i pracy jako kurator w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku. Jego przełomowa książka Systematyka i pochodzenie gatunków został opublikowany w 1942 roku przez Columbia University Press.

Mayr znany jest z prac nad genami, dziedzicznością, zmiennością i specjacją populacji na izolowanych obszarach, które można wykorzystać do celów klasyfikacji.

Kladystyka to biologiczny system klasyfikacji oparty na analizie cech, składu genetycznego lub fizjologia, która była dzielona ze wspólnym przodkiem, dopóki nie pojawił się jakiś rodzaj rozbieżności, tworząc nowe gatunki. niemiecki taksonomista Willi Hennig wystartować klasyfikacja kladystyczna w 1950 roku, kiedy napisał swoją książkę o systematyka filogenetyczna.

Książka została później przetłumaczona na angielski i szeroko czytana w Ameryce po opublikowaniu przez University of Illinois Press w 1966 roku.

Teoria systematyki filogenetycznej Henniga zakwestionowała współczesne podejście do: taksonomia wprowadzone przez Darwina i Wallace'a.

Twierdził, że gatunki powinny być identyfikowane i klasyfikowane na podstawie genetyki i relacji kladowych, zwłaszcza grup monofiletycznych. Hennig dopracował się w kwestii niedawnego pochodzenia i identyfikacji wyewoluowanych, zmodyfikowanych cech organizmów, które miały bezpośredni rodowód – nawet jeśli cechy pochodne nie przypominały cech wspólnych przodek.

Filogenetyka jest badaniem znanych lub hipotetycznych relacji ewolucyjnych w oparciu o filogeneza (linia) zgrupowanych organizmów. Filogenetyczne drzewo życia ilustruje, w jaki sposób taksony (grupy organizmów) ewoluowały w określonej kolejności, gdy życie zróżnicowało się i rozgałęziło od wspólnego przodka.

Proces ewolucyjnej specjacji wygląda jak gałęzie drzewa genealogicznego. Ponieważ nie ma pewności co do tego, co wydarzyło się tak dawno temu, nauki muszą wyciągać wnioski na temat ewolucji życia na podstawie zapisy kopalneanatomia porównawcza, fizjologia, zachowanie, embriologia i dane molekularne. Biologia ewolucyjna to dynamiczna dziedzina, w której nieustannie dokonuje się nowych odkryć.

Biolodzy ewolucyjni wnioskują hipotetyczne relacje ewolucyjne między taksonami na podstawie szczegółowego porównania podobnych i różnych cech.

Badanie pochodzenia ewolucyjnego pomaga określić, kiedy pojawiły się pewne cechy i były przekazywane kolejnym pokoleniom. Analiza kladystyczna, podobnie jak systematyka filogenetyczna, bada ewolucyjne wzorce pochodzenia, które pomagają kawałek razem ewolucyjna historia gatunków, jednocześnie wyjaśniając różnorodność życia i gatunków wymieranie.

Kladystyka opiera się na głównym założeniu, że życie na Ziemi powstało tylko raz, co oznacza, że ​​całe życie można przypisać temu pierwszemu organizmowi przodków. Kolejnym założeniem jest to, że istniejące gatunki dzielą się na dwie grupy wyznaczone przez węzeł na gałęzi drzewa. Wreszcie, organizmy przypuszczalnie zmieniają się, adaptują i ewoluują.

punkt rozbieżności reprezentuje początek dwóch nowych linii rozgałęziających się i tworzących dwa nowe gatunki.

Kladogramy służą do dokonywania znaczących porównań między grupami.

W biologii kladogram to reprezentacja wizualna powiązanych cech w różnych organizmach. Zazwyczaj grupowanie odbywa się według określonych, interesujących cech. Jednak różne punkty danych można łączyć, aby stworzyć dokładniejsze drzewo ewolucyjne, które wyjaśnia złożone relacje.

Można dokonać rozróżnienia między kladogramem a drzewem filogenetycznym, ale terminy są czasami używane zamiennie. Kladogramy skupiają się na cechach na poziomie makro i molekularnym, które wskazują na pokrewieństwo. Kladogram sugeruje prawdopodobne związki ewolucyjne między grupami organizmów lub taksonów, które mogą być małe lub duże:

• Takson monofiletyczny. klad organizmów, który obejmuje ich najnowszy wspólny przodek i wszystko żywych i wymarłych potomków. Na przykład istnieją trzy klady ssaków: stekowce, torbacze i Euterycy. Ssaki mają wiele wspólnych cech, ale różnią się sposobem rozmnażania.
  

• Takson parafiletyczny. Grupa organizmów, które… obejmuje najczęstszego przodka wszystkich członków, ale pomija niektórych potomków które wywodzą się z tego samego wspólnego przodka. Bryophyta są parafiletyczne, ponieważ grupa obejmuje hornworts, wątrobowce i mchy ale wyklucza rośliny naczyniowe.

• Takson polifiletyczny. Grupa organizmów, które nie mają ze sobą wiele wspólnego poza kilka podobnych cech. Kiedyś pachydermy, takie jak słonie i hipopotamy, były połączone ze sobą ze względu na typ skóry, mimo że w rzeczywistości należą do różnych rodzin ssaków.
  

Wielokomórkowy eukarionty dały początek obfitości coraz bardziej złożonych organizmów.

Na przykład ryby i ludzie wywodzą się ze wspólnego przodka miliony lat temu. Tę skomplikowaną relację można zobrazować na prostym kladogramie ilustrującym relacje kladystyczne. Zacznij od wyobrażenia sobie przodka eukariota u podstawy drzewa.

W miarę ewolucji wspólnego przodka jeden węzeł na drzewie rozgałęził się w kręgowce wodne, takie jak ryby bezszczękowe. W następnym węźle gałąź rozdzieliła się na czworonogi czworonogi.

Następny węzeł pokazuje rozbieżność, gdy u zwierząt rozwinęły się jaja owodniowe, a następnie podział, gdy zwierzęta rozwinęły futro lub sierść. Znacznie później ludzie i naczelne rozeszli się i wyewoluowali oddzielnymi ścieżkami.

Klasyfikacja kladystyczna dotyczy pewnych cech organizmów, które mają bezpośredni wpływ na stany przodków w biologii ewolucyjnej. Hennig opracował wiele terminów naukowych, aby opisać swoje podejście do kategoryzacji, które były instrumentalne dla jego pomysłów i teorii. Terminy opisują grupy organizmów w odniesieniu do określonego węzła na drzewie filogenetycznym lub kladogramie:

• Plezjomorfia. Jest to cecha przodków przekazywana i zachowana z gatunków przodków na gatunki potomne podczas ewolucji między jednym lub wieloma taksonami.

• Apomorfia. Jest to cecha pochodna opisująca konkretny klad.

• Autopomorfia. Jest to cecha pochodna występująca tylko w jednej z porównywanych grup.

• Synapomorfia. Jest to cecha pochodna dzielona przez dwie lub więcej grup organizmów pochodzących od wspólnego przodka.
  

Stany postaci są cechami wywodzącymi się z procesu doboru naturalnego, adaptacji i dziedzicznej wariancji, które prowadzą do bioróżnorodności w życiu. Jako takie, tylko synapomorfie są istotne przy rozeznawaniu relacji ewolucyjnych. Wiele synapomorfii w organizmach o wspólnym przodku to monofiletyczny:

• Autopomorfie są cechami występującymi tylko w jednym gatunku lub grupie, która wywodzi się od wspólnego przodka, takim jak taksony węży, które nie mają funkcjonalnych nóg, podczas gdy najbliższe najbliższe taksony mają dwie lub więcej nóg.

• Synapomorfie odnoszą się do cechy widocznej w całym kladzie, takiej jak przeciwstawne kciuki u ludzi i naczelnych.
  

• Homoplazma jest cechą wspólną dla wielu grup, gatunków i taksonów, która nie pochodzi od wspólnego przodka. Ptaki i ssaki są stałocieplne, ale nie mają bezpośrednio wspólnego przodka, który posiadałby tę cechę, co jest przykładem ewolucji konwergentnej.
  

Naukowcy zwani kladistami układają taksony w drzewo filogenetyczne, które może ujawnić nowe powiązania ewolucyjne. Grupowania dokonuje się na podstawie cech fizycznych, molekularnych, genetycznych i behawioralnych.

Diagram zwany kladogramem pokazuje pokrewieństwo, ilekroć gatunek oddzielił się od wspólnego przodka w różnych momentach historii ewolucji.

Kladogramy to rozgałęzione diagramy dane kladystyczne które porządkują pewne cechy przy użyciu porównawczych zbiorów danych fizycznych lub danych molekularnych, na przykład. Naukowcy często używają dziś programów komputerowych do łączenia zbiorów danych w celu stworzenia dokładniejszych kladogramów, które pokazują spójne i wszechstronne relacje między organizmami.

Podstawowa metodologia nie jest trudna, ale każdy krok musi być wykonany skrupulatnie:

1. Wybierz taksony do badań, np. kilka gatunków ptaków.
   
2. Wybierz i wykreśl cechy, które chcesz zbadać.
   
3. Ustal, czy podobieństwa są homologiczne, czy też są produktem zbieżnej ewolucji.
   
4. Przeanalizuj, czy wspólne cechy pochodzą od wspólnego przodka, czy pochodzą później.
   
5. Pogrupuj synapomorfie (wspólne pochodne cechy homologiczne).
   
6. Zbuduj kladogram, układając grupy organizmów na diagramie przypominającym drzewo.
   
7. Użyj węzłów na gałęziach, aby przedstawić punkty, w których rozeszły się dwa gatunki.
   
8. Umieść taksony na końcach gałęzi, a nie na węzłach.
   

Początki tradycyjne metody ewolucyjne klasyfikacji sięga starożytności. Zakładano, że wszystkie żywe organizmy to rośliny lub zwierzęta. Klasyczne metody nie rozróżniały, czy obserwowane cechy zostały odziedziczone po odległym czy nowszym przodku.

Celem było opracowanie mapy tego, jak życie na Ziemi mogło wyewoluować z morza.

Cechy wykorzystywane do klasyfikacji są określane przez ekspertów, którzy przyglądają się oczywistym różnicom, takim jak futro, łuski czy pióra. Podejście to sprawdziło się lepiej w klasyfikacji kręgowców niż bezkręgowców. Klasyfikacja ewolucyjna umieszcza organizmy w grupach o malejącej wielkości w trzech domenach, które są dalej podzielone na królestwo, typ/podział, klasę, porządek, rodzinę, rodzaj i gatunek.

Metody kladystyczne nie są związane z systemem klasyfikacji Linnea i głębiej badają łączność.

Tradycyjna systematyka porządkuje organizmy na drzewie ewolucyjnym w zależności od tego, kiedy i jak gatunek zmienił się, na przykład w wyniku adaptacji do nowego stylu życia lub siedliska. Drzewo pokazuje kierunek ewolucji w samą porę. Subiektywne oceny cech i cech w metodach tradycyjnych mogą potencjalnie fałszować wyniki i utrudniać lub uniemożliwiać powtórzenie badania.

Kladystyczne i filogenetyczne metody klasyfikacji są obecnie bardziej preferowane niż tradycyjne metody klasyfikacji w naukach przyrodniczych. Nowsze podejście jest bardziej naukowe, oparte na dowodach i niepodważalne. Na przykład sekwencjonowanie DNA i RNA jest wykorzystywane do badania organizmów na poziomie molekularnym w celu uzyskania niuansów umieszczania na kladogramie.

Organizmy są ułożone według ich wspólne cechy pochodne.

Kladystyka w dziedzinie biologii pozwala naukowcom identyfikować wzorce, formułować hipotezy, testować hipotezy i przewidywać.

„Kladystyka polega zatem na odkrywaniu”, jak opisał współczesny kladysta David M. Williams i Malte C. Ebacha, w 2018 roku. Williams i Ebach wyobrażają sobie kladystykę jako proces naturalnej klasyfikacji, który nie wymaga ugruntowania w teorii ewolucji.

Technologia dodaje poziom precyzji i wyrafinowania do metod kladystycznych. W szczególności sekwencjonowanie DNA genów wskazuje na stopień pokrewieństwa i wspólnego pochodzenia z wysokim stopniem pewności. Różnice w DNA mogą dostarczyć wglądu w to, jak dawno gatunki miały wspólnego przodka.

Nowe odkrycia mogą potwierdzać lub korygować wcześniejsze założenia dotyczące ewolucji organizmów i pomagać w klasyfikowaniu nowych gatunków w miarę ich odkrywania.