Cladistică: definiție, metodă și exemple

Cu milioane de ani în urmă, o singură celulă a început o evoluţie care a dat naștere copacului vieții și a celor trei domenii principale ale sale: Archaea, Bacteria și Eukaryota.

Fiecare ramură este un exemplu de a cladă. O cladă reprezintă un grup care include un strămoș comun și toate urmasi. Cladistică este o formă modernă de taxonomie care plasează organismele pe o diagramă ramificată numită a cladogramă (ca un arbore genealogic) bazat pe trăsături precum asemănările ADN și filogenia.

În domeniul biologiei, cladistica este o sistemul taxonomie care presupune clasificarea și aranjarea organismelor pe o arborele filogenetic de viață. Înainte de analiza ADN-ului, clasificarea se baza foarte mult pe observații de trăsături și comportamente similare și diferite.

Societățile occidentale au folosit clasificarea încă din zilele lui Aristotel în Grecia antică, când organismele vii erau pur și simplu împărțite în categorii de plante și animale în scopul studierii.

În anii 1700, Carolus (Carl) Linnaeus a dezvoltat o taxonomie a biologiei sistematice bazată pe clasificarea organismelor după aparențe exterioare și trăsături comune. El a dezvoltat o schemă pentru plasarea organismului într-un taxon ierarhic (un grup; singular) care a inclus mai multe taxoni (grupuri; plural). Linnaeus a dezvoltat, de asemenea, nomenclatura binomială - un sistem de atribuire de nume științifice precum Homo sapiens (uman) la organisme.

Charles Darwin și Alfred Russel Wallace a propus ideea selecției naturale și Darwin a formalizat teoria evoluției la mijlocul anilor 1800. Darwin’s Despre originea speciilor a zguduit comunitatea științifică sugerând că toate organismele provin dintr-un strămoș comun și ar putea fi clasificate în funcție de relațiile lor evolutive.

Ornitolog Ernst Mayr a fost un biolog evolutiv preeminent al secolului al XX-lea care a studiat extensiv taxonomia păsărilor în timp ce călătorea și lucra ca curator la Muzeul American de Istorie Naturală din New York. Cartea sa inovatoare Sistematică și originea speciilor a fost publicat în 1942 de Columbia University Press.

Mayr este cunoscut pentru munca sa privind genele, ereditatea, variația și speciația populațiilor din zonele izolate, care pot fi utilizate în scopuri de clasificare.

Cladistica este un sistem de clasificare biologică bazat pe analiza trăsăturilor, machiajului genetic sau fiziologie care a fost împărtășită cu un strămoș comun până când a apărut un anumit tip de divergență, producând noi specii. Taxonomist german Willi Hennig a pornit clasificare cladistică în 1950 când și-a scris cartea pe sistematică filogenetică.

Cartea a fost tradusă ulterior în engleză și citită pe scară largă în America, după ce a fost publicată de University of Illinois Press în 1966.

Teoria sistematică filogenetică a lui Hennig a contestat abordările contemporane ale taxonomie introdus de Darwin și Wallace.

El a susținut că speciile ar trebui identificate și clasificate pe baza geneticii și a relațiilor de cladă, în special a grupurilor monofiletice. Hennig a cunoscut ascendența recentă și identificarea trăsăturilor evoluate, modificate ale organismelor care împărtășea o descendență directă - chiar dacă caracteristicile derivate nu erau nimic asemănător cu cele ale comunei strămoş.

Filogenetica este studiul relațiilor evolutive cunoscute sau ipotetizate bazate pe filogenie (linie) de organisme grupate. Arborele filogenetic al vieții ilustrează modul în care taxonii (grupuri de organisme) au evoluat într-o ordine specifică pe măsură ce viața s-a diversificat și s-a ramificat dintr-un strămoș comun.

Procesul de speciație evolutivă arată ca niște ramuri pe un arbore genealogic. Deoarece nu există un mod sigur de a ști ce s-a întâmplat cu mult timp în urmă, științele trebuie să tragă inferențe despre modul în care a evoluat viața pe baza înregistrări fosile, anatomie comparată, fiziologie, comportament, embriologie și date moleculare. Biologia evolutivă este un câmp dinamic în care se fac continuu noi descoperiri.

Biologii evolutivi deduc relații evolutive ipotetice între taxoni pe baza unei comparații detaliate a caracteristicilor similare și diferite.

Studierea descendenței evolutive ajută la identificarea momentului în care anumite trăsături au apărut și au fost transmise generațiilor următoare. Analiza cladistică, la fel ca sistematica filogenetică, examinează modele evolutive de descendență care ajută la realizarea piesei împreună istoria evolutivă a speciilor explicând totodată diversitatea vieții și a speciilor stingeri.

Cladistica lucrează pe premisa centrală că viața de pe Pământ își are originea o singură dată, ceea ce înseamnă că toată viața poate fi urmărită înapoi la acel prim organism ancestral. Următoarea presupunere este că speciile existente se împart în două grupuri delimitate de un nod pe o ramură de copac. În cele din urmă, organismele se schimbă, se adaptează și evoluează.

punct de divergență reprezintă începutul a două noi linii care se ramifică și formează două noi specii.

Cladogramele sunt folosite pentru a face comparații semnificative între grupuri.

În biologie, o cladogramă este o reprezentare vizuala de caracteristici conexe în diferite organisme. De obicei, gruparea se face în funcție de anumite trăsături de interes specificate. Cu toate acestea, diferite puncte de date pot fi combinate pentru a crea un arbore evolutiv mai precis care explică relațiile complexe.

Se poate face o distincție între o cladogramă și un arbore filogenetic, dar termenii sunt folosiți uneori și în mod interschimbabil. Cladogramele se concentrează pe caracteristicile la nivel macro și molecular care indică legătura. O cladogramă sugerează relații evolutive probabile între grupuri de organisme sau taxoni care pot fi mici sau mari ca număr:

• Taxon monofiletic. O cladă de organisme care include cel mai recent strămoș comun al acestora și toate cei vii și dispăruți urmasi. De exemplu, există trei clade de mamifere: monotreme, marsupiale și euterieni. Mamiferele au multe caracteristici, dar diferă prin modul în care se reproduc.
  

• Taxon parafiletic. Un grup de organisme care include cel mai comun strămoș a tuturor membrilor dar lasă în afară unii dintre descendenți care urmează înapoi la același strămoș comun. Briofitele sunt parafiletice deoarece grupul include vierme, ficatele și mușchi dar exclude plantele vasculare.

• Taxon polifiletic. Un grup de organisme care nu au multe în comun în afară de unele trăsături similare. La un moment dat, pachidermii, cum ar fi elefanții și hipopotamii, erau îmbinați din cauza tipului lor de piele, chiar dacă aparțin de fapt unor familii de mamifere diferite.
  

Multicelular eucariote a dat naștere la o abundență de organisme din ce în ce mai complexe.

De exemplu, peștii și oamenii se întorc la un strămoș comun cu milioane de ani în urmă. Această relație complicată poate fi descrisă pe o cladogramă simplă care ilustrează relațiile cladistice. Începeți prin a imagina un eucariot ancestral la baza copacului.

Pe măsură ce strămoșul comun a evoluat, un nod de pe copac s-a ramificat în vertebrate acvatice, cum ar fi pești fără fălci. La următorul nod, ramura s-a divizat în tetrapode cu patru picioare.

Următorul nod arată o divergență atunci când animalele au dezvoltat ouă amniotice, urmată de o divizare când animalele au dezvoltat blană sau păr. Mult mai târziu, oamenii și primatele au divergut și au evoluat pe căi separate.

Clasificarea cladistică privește anumite caracteristici ale organismelor care influențează direct stările ancestrale din biologia evoluției. Hennig a dezvoltat mulți termeni științifici pentru a descrie abordarea sa în clasificare, care au fost esențiale pentru ideile și teoriile sale. Termenii descriu grupuri de organisme în raport cu un nod specific de pe un copac filogenetic sau cladogramă:

• Pleziomorfie. Aceasta este o trăsătură ancestrală transmisă și reținută de la specii strămoșești la specii descendente în timpul evoluției între un taxon unic sau mai multe.

• Apomorfie. Aceasta este o trăsătură derivată care descrie o anumită cladă.

• Autapomorfie. Aceasta este o trăsătură derivată care se găsește doar într-unul dintre grupurile comparate.

• Sinapomorfie. Aceasta este o trăsătură derivată împărtășită de două sau mai multe grupuri de organisme descendente dintr-un strămoș comun.
  

Stări de caracter sunt trăsături derivate prin procesul de selecție naturală, adaptare și varianță moștenită care duc la biodiversitate în viață. Ca atare, numai sinapomorfii sunt relevante atunci când discernem relații evolutive. Sunt sinapomorfii multiple în organismele cu un strămoș comun monofiletic:

• Autapomorfii sunt trăsături găsite la o singură specie sau grup care provine dintr-un strămoș comun, cum ar fi taxonii de șarpe care nu au picioare funcționale, în timp ce următorii taxoni cei mai apropiați au două sau mai multe picioare.

• Sinapomorfii se referă la o trăsătură văzută într-o întreagă cladă, cum ar fi degetele mari opozabile la oameni și primate.
  

• Homoplasie este o trăsătură împărtășită de mai multe grupuri, specii și taxoni care nu derivă dintr-un strămoș comun comun. Păsările și mamiferele sunt cu sânge cald, dar nu au un strămoș împărtășit direct care avea acea trăsătură, care este un exemplu de evoluție convergentă.
  

Oamenii de știință numiți cladiști aranjează taxoni într-un copac filogenetic care ar putea dezvălui noi relații evolutive. Gruparile se fac pe baza caracteristicilor fizice, moleculare, genetice și comportamentale.

O diagramă numită cladogramă afișează legătura, ori de câte ori speciile s-au ramificat dintr-un strămoș comun în diferite momente din istoria evoluției.

Cladogramele sunt diagrame ramificate ale date cladistice care aranjează anumite caracteristici folosind seturi de date fizice comparative sau date moleculare, de exemplu. Cercetătorii de astăzi folosesc adesea programe de calculator pentru a combina seturi de date pentru a crea cladograme mai precise care arată relații coezive și cuprinzătoare între organisme.

Metodologia de bază nu este dificilă, dar fiecare pas trebuie făcut meticulos:

1. Alegeți taxonii de studiat, cum ar fi mai multe specii de păsări.
   
2. Alegeți și graficați caracteristicile pe care doriți să le studiați.
   
3. Verificați dacă similitudinile sunt omoloage sau produsul evoluției convergente.
   
4. Analizați dacă caracteristicile comune sunt derivate de la un strămoș comun sau derivate ulterior.
   
5. Grupați sinapomorfii (trăsături omoloage derivate comune).
   
6. Construiți o cladogramă aranjând grupuri de organisme pe o diagramă asemănătoare copacilor.
   
7. Utilizați noduri pe ramuri pentru a reprezenta punctele în care două specii au divergent.
   
8. Plasați taxoni pe punctele finale ale ramurilor, nu la noduri.
   

Originile metode evolutive tradiționale de clasificare datează din antichitate. Se presupunea că toate organismele vii sunt plante sau animale. Metodele clasice nu au făcut nicio distincție între dacă trăsăturile observate au fost moștenite de la un strămoș îndepărtat sau unul mai recent.

Scopul a fost de a concepe o hartă a modului în care viața de pe Pământ ar fi putut evolua de la mare.

Caracteristicile utilizate pentru clasificare sunt determinate de experți care analizează diferențe evidente, cum ar fi blana, solzi sau pene. Abordarea a funcționat mai bine pentru clasificarea vertebratelor decât nevertebratele. Clasificare evolutivă plasează organismele în grupuri de dimensiuni descrescătoare sub trei domenii care sunt împărțite în continuare în regat, filum / diviziune, clasă, ordine, familie, gen și specie.

Metodele cladice nu sunt legate de sistemul de clasificare linean și explorează mai profund conectivitatea.

Sistematica tradițională aranjează organismele pe un copac evolutiv în funcție de momentul și modul în care o specie s-a schimbat ca adaptare la un nou stil de viață sau habitat, de exemplu. Arborele arată direcția evoluției la timp. Evaluările subiective ale trăsăturilor și caracteristicilor din metodele tradiționale pot influența rezultatele și pot face un studiu dificil sau imposibil de reprodus.

Metodele de clasificare cladistice și filogenetice sunt preferate în zilele noastre față de metodele tradiționale de clasificare în științele naturii. Abordarea mai nouă este mai științifică, bazată pe dovezi și irefutabilă. De exemplu, secvențierea ADN și ARN este utilizată pentru a studia organismele la nivel molecular pentru plasarea nuanțată pe o cladogramă.

Organismele sunt aranjate în funcție de lor caracteristici derivate comune.

Cladistica din domeniul biologiei permite oamenilor de știință să identifice modele, să formeze o ipoteză, să testeze ipoteze și să facă predicții.

„Cladistica, deci, este despre descoperire”, așa cum este descris de cladistii contemporani, David M. Williams și Malte C. Ebach, în 2018. Williams și Ebach imaginează cladistica ca un proces de clasificare naturală care nu necesită fundamentare în teoria evoluției.

Tehnologia adaugă un nivel de precizie și sofisticare metodelor cladistice. În special, secvențierea ADN a genelor indică gradul de relaționare și ascendența comună cu un grad ridicat de încredere. Diferențele ADN pot oferi o perspectivă asupra timpului în care speciile au împărtășit un strămoș comun.

Noile descoperiri pot corobora sau corecta ipotezele anterioare despre modul în care au evoluat organismele și pot ajuta la clasificarea speciilor noi pe măsură ce sunt descoperite.