Kladistika: Definícia, metóda a príklady

Pred miliónmi rokov začala jedna bunka s vývoj z ktorého vzišiel strom života a jeho tri hlavné domény: Archea, Baktérie a Eukaryota.

Každá pobočka je príkladom a clade. Klad predstavuje skupinu, ktorá obsahuje spoločného predka a všetko potomkovia. Kladistika je moderná forma taxonómia ktorá umiestňuje organizmy na rozvetvenú schému nazývanú a kladogram (ako rodokmeň) na základe vlastností, ako sú podobnosti DNA a fylogenéza.

V oblasti biológie je kladistika a systém taxonómia ktorá zahŕňa klasifikáciu a usporiadanie organizmov na a fylogenetický strom zo života. Pred analýzou DNA sa klasifikácia veľmi spoliehala na pozorovania podobných a rôznych znakov a správania.

Západné spoločnosti používali klasifikáciu od čias Aristotela v starovekom Grécku, keď sa živé organizmy na účely štúdia jednoducho rozdelili do kategórií rastlín a zvierat.

V 17. storočí Carolus (Carl) Linné vyvinuli taxonómiu systematickej biológie založenej na klasifikácii organizmov podľa vonkajšieho vzhľadu a spoločných znakov. Vypracoval schému na umiestnenie organizmu do a

Charles Darwin a Alfred Russel Wallace navrhol myšlienku prirodzeného výberu a Darwin formalizoval teóriu evolúcie v polovici 18. storočia. Darwinovej O pôvode druhov vyrazil vedeckej komunite tvrdenie, že všetky organizmy pochádzajú od spoločného predka a je možné ich klasifikovať podľa ich evolučných vzťahov.

Ornitológ Ernst Mayr bol vynikajúcim evolučným biológom 20. storočia, ktorý na cestách intenzívne študoval taxonómiu vtákov a pracoval ako kurátor v Americkom prírodovednom múzeu v New Yorku. Jeho prelomová kniha Systematika a pôvod druhov bola publikovaná v roku 1942 na Columbia University Press.

Mayr je známy svojou prácou o génoch, dedičnosti, variáciách a špecializácii populácií v izolovaných oblastiach, ktoré sa dajú použiť na účely klasifikácie.

Kladistika je biologický klasifikačný systém založený na analýze znakov, genetickej výbavy alebo fyziológie, ktoré boli zdieľané so spoločným predkom, až kým nenastal nejaký druh odlišnosti, ktoré priniesli nové druhov. Nemecký taxonom Willi Hennig naštartoval kladistická klasifikácia v roku 1950, keď napísal svoju knihu fylogenetická systematika.

Kniha bola neskôr publikovaná na University of Illinois Press v roku 1966 a bola preložená do angličtiny.

Hennigova teória fylogenetickej systematiky spochybnila súčasné prístupy taxonómia predstavili Darwin a Wallace.

Tvrdil, že druhy by sa mali identifikovať a klasifikovať na základe genetiky a vzťahov kladu, najmä monofyletických skupín. Hennig sa zameral na nedávny pôvod a identifikáciu vyvinutých, modifikovaných znakov organizmov zdieľali priamu líniu - aj keď odvodené charakteristiky neboli nič podobné ako bežné predok.

Fylogenetika je štúdium známych alebo predpokladaných evolučných vzťahov založených na fylogenéza (línia) zoskupených organizmov. Fylogenetický strom života ilustruje, ako sa taxóny (skupiny organizmov) vyvíjali v konkrétnom poradí ako diverzifikovaný a rozvetvený život od spoločného predka.

Proces evolučnej špecializácie vyzerá ako vetvy na rodokmeni. Pretože neexistuje istý spôsob, ako vedieť, čo sa stalo tak dávno, musia vedy vyvodiť závery o tom, ako sa život vyvíjal na základe fosílne záznamy, komparatívna anatómia, fyziológia, správanie, embryológia a molekulárne údaje. Evolučná biológia je dynamické pole, v ktorom sa neustále objavujú nové objavy.

Evoluční biológovia usudzujú hypotetické evolučné vzťahy medzi taxónmi na základe podrobného porovnania podobných a rozdielnych charakteristík.

Štúdium evolučného pôvodu umožňuje presne určiť, kedy vznikli určité znaky a boli odovzdané ďalším generáciám. Kladistická analýza, podobne ako fylogenetická systematika, skúma vývojové vzorce pôvodu, ktoré pomáhajú spolu evolučnú históriu druhov a zároveň vysvetľujú rozmanitosť života a druhov vymierania.

Kladistika pracuje na ústrednom predpoklade, že život na Zemi vznikol iba raz, čo znamená, že všetok život možno vysledovať až k prvému organizmu predkov. Ďalším predpokladom je, že existujúce druhy sa rozdelia do dvoch skupín ohraničených uzlom na vetve stromu. Nakoniec sa organizmy pravdepodobne menia, prispôsobujú a vyvíjajú.

The bod divergencie predstavuje začiatok dvoch nových rodov, ktoré sa rozvetvujú a tvoria dva nové druhy.

Kladogramy sa používajú na zmysluplné porovnanie medzi skupinami.

V biológii je kladogram a vizuálne znázornenie charakteristík rôznych organizmov. Zoskupovanie sa zvyčajne uskutočňuje podľa určitých špecifikovaných znakov záujmu. Dajú sa však kombinovať rôzne dátové body, aby sa vytvoril presnejší evolučný strom, ktorý vysvetľuje zložité vzťahy.

Je možné rozlišovať medzi kladogramom a fylogenetickým stromom, ale termíny sa niekedy používajú aj zameniteľné. Kladogramy sa zameriavajú na charakteristiky na makro a molekulárnej úrovni, ktoré naznačujú príbuznosť. Cladogram naznačuje pravdepodobné evolučné vzťahy medzi skupinami organizmov alebo taxónov, ktorých počet môže byť malý alebo veľký:

• Monofyletický taxón. Poriadok organizmov, ktorý zahŕňa ich najnovší spoločný predok a všetko živých a zaniknutých potomkovia. Napríklad existujú tri subtypy cicavcov: monotrémy, vačnatci a eutherians. Cicavce majú veľa spoločných vlastností, ale líšia sa spôsobom reprodukcie.
  

• Parafyletický taxón. Skupina organizmov, ktoré zahŕňa najbežnejšieho predka všetkých členov okrem vynecháva niektorých potomkov tá stopa späť k tomu istému spoločnému predkovi. Bryophyta sú parafyletické, pretože skupina zahŕňa hornworts, pečeňovky a machy ale vylučuje cievnaté rastliny.

• Polyfyletický taxón. Skupina organizmov, ktoré nemajú veľa spoločného iného ako niektoré podobné vlastnosti. Pachydermy ako slony a hrochy boli naraz spojené kvôli svojmu typu kože, aj keď v skutočnosti patria do rôznych cicavčích rodín.
  

Mnohobunkové eukaryoty spôsobil hojnosť čoraz zložitejších organizmov.

Napríklad ryby a ľudia majú stopy pred spoločným predkom pred miliónmi rokov. Tento komplikovaný vzťah je možné znázorniť na jednoduchom kladograme ilustrujúcom kladistické vzťahy. Začnite zobrazením eukaryotov predkov v spodnej časti stromu.

Ako sa vyvíjal spoločný predok, jeden uzol na strome sa rozvetvoval na vodné stavovce ako ryby bez čeľustí. V ďalšom uzle sa vetva rozišla na štvornohých tetrapodov.

Nasledujúci uzol ukazuje odchýlku, keď sa u zvierat vyvinuli plodové vajcia, a nasleduje rozdelenie, keď sa u zvierat vyvinula srsť alebo srsť. Oveľa neskôr sa ľudia a primáty rozchádzali a vyvíjali po samostatných cestách.

Kladistická klasifikácia sa zameriava na určité vlastnosti organizmov, ktoré v evolučnej biológii priamo ovplyvňujú stavy predkov. Hennig vyvinul veľa vedeckých termínov na popísanie svojho prístupu ku kategorizácii, ktoré prispeli k jeho myšlienkam a teóriám. Pojmy popisujú skupiny organizmov vo vzťahu k určitému uzlu na fylogenetickom strome alebo na kladograme:

• Plesiomorfia. Toto je vlastnosť predkov, ktorá sa dedí a zachováva od druhu predkov k potomkom počas vývoja medzi jedným alebo viacerými taxónmi.

• Apomorfia. Toto je odvodená vlastnosť popisujúca konkrétny klade.

• Autapomorfia. Toto je odvodená vlastnosť, ktorá sa nachádza iba v jednej z porovnávaných skupín.

• Synapomorphy. Toto je odvodená vlastnosť, ktorú zdieľajú dve alebo viac skupín organizmov pochádzajúcich zo spoločného predka.
  

Stavy znakov sú vlastnosti pochádzajúce z procesu prírodného výberu, adaptácie a dedičných rozdielov, ktoré vedú k biodiverzite v živote. Ako taký, iba synapomorfie sú relevantné pri rozlišovaní evolučných vzťahov. Viaceré synapomorfie v organizmoch so spoločným predkom sú monofyletický:

• Autapomorfie sú znaky nájdené iba u jedného druhu alebo skupiny, ktoré pochádzajú od spoločného predka, ako napríklad hadie taxóny, ktoré nemajú funkčné končatiny, zatiaľ čo najbližšie najbližšie taxóny majú dve alebo viac končatín.

• Synapomorfie označujú vlastnosť pozorovanú v celom klade, ako sú naprotiľahlé palce u ľudí a primátov.
  

• Homoplazmy je vlastnosť zdieľaná viacerými skupinami, druhmi a taxónmi, ktorá nie je odvodená od spoločného spoločného predka. Vtáky a cicavce sú teplokrvné, ale nemajú priamo spoločného predka, ktorý by mal túto vlastnosť, čo je príkladom konvergentného vývoja.
  

Vedci nazývaní kladisti usporiadajú taxóny do fylogenetického stromu, ktorý môže odhaliť nové evolučné vzťahy. Skupiny sú tvorené na základe fyzikálnych, molekulárnych, genetických a behaviorálnych charakteristík.

Diagram nazývaný cladogram zobrazuje príbuznosť, kedykoľvek sa druh v rôznom okamihu evolučnej histórie rozvetvil od spoločného predka.

Kladogramy sú rozvetvené diagramy kladistické údaje ktoré zabezpečujú určité vlastnosti napríklad pomocou komparatívnych fyzických súborov údajov alebo molekulárnych údajov. Vedci dnes často používajú počítačové programy na kombinovanie súborov dát a vytváranie presnejších kladogramov, ktoré ukazujú súdržné a komplexné vzťahy medzi organizmami.

Základná metodika nie je zložitá, ale každý krok musí byť dôsledný:

1. Vyberte si taxóny, ktoré chcete študovať, napríklad niekoľko druhov vtákov.
   
2. Vyberte si a mapujte charakteristiky, ktoré chcete študovať.
   
3. Zistite, či sú podobnosti homológne alebo výsledkom konvergentnej evolúcie.
   
4. Analyzujte, či sú zdieľané vlastnosti odvodené od spoločného predka alebo odvodené neskôr.
   
5. Zoskupte synapomorfie (zdieľané odvodené homológne znaky).
   
6. Vytvorte cladogram usporiadaním skupín organizmov do treelického diagramu.
   
7. Pomocou uzlov na vetvách reprezentujte body, kde sa dva druhy rozchádzali.
   
8. Umiestnite taxóny na koncové body vetví, nie na uzly.
   

Počiatky tradičné evolučné metódy klasifikácie sa datujú do staroveku. Predpokladalo sa, že všetky živé organizmy sú rastliny alebo zvieratá. Klasické metódy nerozlišovali medzi tým, či sa pozorované vlastnosti dedili od vzdialeného predka alebo od novšieho.

Cieľom bolo navrhnúť mapu toho, ako sa mohol vyvinúť život na Zemi z mora.

Charakteristiky používané pri klasifikácii určujú odborníci, ktorí sa zameriavajú na zjavné rozdiely, ako sú kožušina, váhy alebo perie. Tento prístup fungoval lepšie pri klasifikácii stavovcov ako bezstavovcov. Evolučná klasifikácia umiestňuje organizmy do skupín so zmenšujúcou sa veľkosťou do troch domén, ktoré sa ďalej delia na kráľovstvo, kmeň / delenie, triedu, poriadok, čeľaď, rod a druh.

Kladistické metódy nie sú viazané na Linneanov klasifikačný systém a hlbšie skúmajú prepojiteľnosť.

Tradičná systematika usporadúva organizmy na evolučnom strome podľa toho, kedy a ako sa druh zmenil napríklad pri adaptácii na nový životný štýl alebo biotop. Strom ukazuje smer vývoja na čas. Subjektívne hodnotenie znakov a charakteristík v tradičných metódach môže potenciálne skresliť výsledky a sťažiť alebo znemožniť opakovanie štúdie.

Kladistické a fylogenetické metódy klasifikácie sú v súčasnosti uprednostňované pred tradičnými metódami klasifikácie v prírodných vedách. Novší prístup je vedeckejší, podložený dôkazmi a nevyvrátiteľný. Napríklad sekvenovanie DNA a RNA sa používa na štúdium organizmov na molekulárnej úrovni pre jemné umiestnenie na kladograme.

Organizmy sú usporiadané podľa ich zdieľané odvodené charakteristiky.

Kladistika v oblasti biológie umožňuje vedcom identifikovať vzorce, vytvoriť hypotézu, testovať hypotézy a robiť predpovede.

„Kladistika je teda o objave,“ ako to opísali súčasní kladisti David M. Williams a Malte C. Ebach, v roku 2018. Williams a Ebach si kladistiku predstavujú ako proces prirodzenej klasifikácie, ktorý nevyžaduje základy v evolučnej teórii.

Technológia dodáva kladistickým metódam úroveň presnosti a sofistikovanosti. Najmä sekvenovanie DNA génov naznačuje stupeň príbuznosti a spoločného pôvodu s vysokou mierou spoľahlivosti. Rozdiely v DNA môžu poskytnúť náhľad na to, ako dávno mali druhy spoločný predok.

Nové objavy môžu potvrdiť alebo opraviť predchádzajúce predpoklady o vývoji organizmov a pomôcť pri klasifikácii nových druhov tak, ako sú objavené.