Kladistika: opredelitev, metoda in primeri

Pred milijoni let je ena celica začela evolucija ki je povzročil drevo življenja in njegova tri glavna področja: Arheje, bakterije in evkariote.

Vsaka veja je primer a klade. Klada predstavlja skupino, ki vključuje skupnega prednika in vse potomci. Kladistika je sodobna oblika taksonomija ki organizme postavlja na razvejan diagram, imenovan a kladogram (kot družinsko drevo), ki temelji na lastnostih, kot so podobnosti DNK in filogenija.

Na področju biologije je kladistika a sistem taksonomija ki vključuje razvrščanje in razvrščanje organizmov na a filogenetsko drevo življenja. Pred analizo DNK se je klasifikacija močno opirala na opazovanja podobnih in drugačnih lastnosti ter vedenja.

Zahodne družbe so klasifikacijo uporabljale že v času Aristotela v stari Grčiji, ko so bili živi organizmi za namene študija preprosto razdeljeni v kategorije rastlin in živali.

V 17. stoletju je Carolus (Carl) Linnaeus razvil taksonomijo sistematične biologije, ki temelji na razvrščanju organizmov po zunanjem videzu in skupnih lastnostih. Razvil je shemo za umestitev organizma v

Charles Darwin in Alfred Russel Wallace predlagal idejo naravne selekcije, Darwin pa je teorijo evolucije formaliziral sredi 19. stoletja. Darwinova O izvoru vrst je pretresla znanstveno skupnost s predlogom, da vsi organizmi izvirajo od skupnega prednika in jih je mogoče razvrstiti glede na njihova evolucijska razmerja.

Ornitolog Ernst Mayr je bil najpomembnejši evolucijski biolog 20. stoletja, ki je med potovanjem in delom kot kustos v Ameriškem prirodoslovnem muzeju v New Yorku obširno preučeval taksonomijo ptic. Njegova prelomna knjiga Sistematika in izvor vrst je leta 1942 objavil Columbia University Press.

Mayr je znan po svojem delu o genih, dednosti, variacijah in speciaciji populacij na osamljenih območjih, ki jih je mogoče uporabiti za namene klasifikacije.

Kladistika je biološki klasifikacijski sistem, ki temelji na analizi lastnosti, genetske sestave oz fiziologijo, ki so jo delili s skupnim prednikom, dokler ni prišlo do neke vrste razhajanj, kar je povzročilo novo vrste. Nemški taksonomist Willi Hennig jumpstarted kladistična klasifikacija leta 1950, ko je napisal svojo knjigo o filogenetska sistematika.

Knjiga je bila kasneje prevedena v angleščino in v Ameriki zelo brana, potem ko jo je leta 1966 objavila University of Illinois Press.

Hennigova teorija filogenetske sistematike je izpodbijala sodobne pristope k taksonomija predstavila Darwin in Wallace.

Trdil je, da je treba vrste identificirati in razvrstiti glede na genetiko in razmerja med kladami, zlasti monofiletske skupine. Hennig je izpopolnil nedavne prednike in identifikacijo razvitih, spremenjenih lastnosti organizmov, ki si delili neposredno linijo - četudi izpeljane značilnosti niso nič podobne skupnim prednik.

Filogenetika je preučevanje znanih ali domnevnih evolucijskih odnosov, ki temeljijo na filogenija (rod) združenih organizmov. Filogenetsko drevo življenja prikazuje, kako so se taksoni (skupine organizmov) razvijali v določenem vrstnem redu, ko se je življenje razvejalo in razvejalo od skupnega prednika.

Proces evolucijske speciacije je videti kot veje na družinskem drevesu. Ker ni zanesljivega načina, kako vedeti, kaj se je zgodilo že tako dolgo nazaj, morajo znanosti sklepati na to, kako se je življenje razvijalo fosilni zapisi, primerjalna anatomija, fiziologija, vedenje, embriologija in molekularnih podatkov. Evolucijska biologija je dinamično področje, na katerem nenehno prihajajo nova odkritja.

Evolucijski biologi sklepajo hipotetični evolucijski odnosi med taksoni na podlagi podrobne primerjave podobnih in različnih značilnosti.

Preučevanje evolucijskega porekla pomaga natančno določiti, kdaj so se nekatere lastnosti pojavile in prenašale na naslednje generacije. Kladistična analiza, tako kot filogenetska sistematika, preučuje evolucijske vzorce sestopa, ki pomagajo skupaj z evolucijsko zgodovino vrst, hkrati pa pojasnjuje raznolikost življenja in vrst izumrtja.

Kladistika temelji na osrednji predpostavki, da je življenje na Zemlji nastalo samo enkrat, kar pomeni, da je vse življenje mogoče izslediti do prvega organizma prednikov. Naslednja predpostavka je, da se obstoječe vrste razdelijo v dve skupini, razmejeni z vozliščem na drevesni veji. Nazadnje se organizmi verjetno spreminjajo, prilagajajo in razvijajo.

The točka razhajanja predstavlja začetek dveh novih rodov, ki se razvejata in tvorita dve novi vrsti.

Kladogrami se uporabljajo za smiselne primerjave med skupinami.

V biologiji je kladogram a vizualna predstavitev značilnosti v različnih organizmih. Običajno se razvrščanje izvede glede na določene značilnosti, ki nas zanimajo. Vendar pa lahko različne podatkovne točke kombiniramo, da ustvarimo natančnejše evolucijsko drevo, ki pojasnjuje zapletene odnose.

Ločimo lahko med kladogramom in filogenetskim drevesom, vendar se izrazi včasih uporabljajo tudi med seboj. Kladogrami se osredotočajo na značilnosti na makro in molekularni ravni, ki kažejo na sorodnost. Kladogram kaže na verjetna evolucijska razmerja med skupinami organizmov ali taksonov, ki so lahko majhna ali velika:

• Monofiletski takson. Klasa organizmov, ki vključuje njihov najnovejši skupni prednik in vse živi in ​​izumrli potomci. Na primer, obstajajo tri oblačila sesalcev: monotremi, vrečarji in evtrijci. Sesalci imajo veliko značilnosti, vendar se razlikujejo po načinu razmnoževanja.
  

• Parafiletski takson. Skupina organizmov, ki vključuje najpogostejšega prednika vseh članov, vendar izpušča nekaj potomcev ta sled nazaj do istega skupnega prednika. Bryophyta so parafiletični, ker skupina vključuje hornworts, jetrnice in mahovi izključuje pa vaskularne rastline.

• Polifilni takson. Skupina organizmov, ki nimajo veliko skupnega kot nekaj podobnih lastnosti. Nekoč so bili pahidermi, kot so sloni in povodni konji, združeni zaradi svojega tipa kože, čeprav dejansko pripadajo različnim družinam sesalcev.
  

Večcelični evkarionti povzročilo obilo vse bolj zapletenih organizmov.

Na primer, ribe in ljudje segajo do skupnega prednika pred milijoni let. To zapleteno razmerje lahko prikažemo na preprostem kladogramu, ki prikazuje kladistične odnose. Začnite tako, da si na dnu drevesa predstavite evkarion prednikov.

Ko se je skupni prednik razvil, se je eno vozlišče na drevesu razvejalo v vodne vretenčarje, kot so ribe brez čeljusti. Na naslednjem vozlišču se je veja razšla v štirinožne tetrapode.

Naslednje vozlišče kaže razhajanje, ko so živali razvile amnijske jajčeca, čemur sledi razcep, ko živali razvijejo dlako ali dlako. Veliko kasneje so se ljudje in primati razšli in se razvijali po ločenih poteh.

Kladistična klasifikacija preučuje nekatere značilnosti organizmov, ki neposredno vplivajo na stanja prednikov v evolucijski biologiji. Hennig je razvil številne znanstvene izraze, da bi opisal svoj pristop k kategorizaciji, ki so bili ključni za njegove ideje in teorije. Izrazi opisujejo skupine organizmov glede na določeno vozlišče na filogenetskem drevesu ali kladogramu:

• Pleziomorfija. To je lastnost prednikov, ki se je med evolucijo med enim ali več taksoni prenesla in ohranila od vrst prednikov do potomcev.

• Apomorfija. To je izpeljana lastnost, ki opisuje določeno klado.

• Autapomorfija. To je izpeljana lastnost, ki jo najdemo samo v eni od primerjanih skupin.

• Sinapomorfija. To je izpeljana lastnost, ki si jo delita dve ali več skupin organizmov, ki izvirajo iz skupnega prednika.
  

Stanja znakov so lastnosti, pridobljene s postopkom naravne selekcije, prilagajanja in podedovane variacije, ki vodijo do biotske raznovrstnosti v življenju. Kot taka samo sinapomorfije so pomembni pri prepoznavanju evolucijskih odnosov. Več sinapomorfij v organizmih s skupnim prednikom je monofiletična:

• Avtapomorfije so lastnosti, ki jih najdemo le pri eni vrsti ali skupini, ki izvira iz skupnega prednika, na primer kačjih taksonov, ki nima funkcionalnih nog, medtem ko imajo naslednji najbližji taksoni dve ali več nog.

• Sinapomorfije se nanašajo na lastnost, ki jo vidimo v celotni kladi, na primer nasprotni palci pri ljudeh in primatih.
  

• Homoplazija je lastnost, ki si jo deli več skupin, vrst in taksonov, ki ni izpeljana iz skupnega skupnega prednika. Ptice in sesalci so toplokrvni, vendar nimajo neposredno skupnega prednika, ki je imel to lastnost, kar je primer konvergentnega razvoja.
  

Znanstveniki, imenovani kladisti, uredijo taksone v filogenetskem drevesu, ki lahko razkrije nova evolucijska razmerja. Razvrščanja v skupine so narejena na podlagi fizičnih, molekularnih, genetskih in vedenjskih značilnosti.

Diagram, imenovan kladogram, prikazuje sorodnost, kadar koli se vrste na različnih točkah evolucijske zgodovine odcepijo od skupnega prednika.

Kladogrami so razvejani diagrami kladistični podatki ki določajo nekatere značilnosti na primer s primerjalnimi fizičnimi nizi podatkov ali molekularnimi podatki. Danes raziskovalci pogosto uporabljajo računalniške programe za kombiniranje naborov podatkov, da bi ustvarili natančnejše kladograme, ki kažejo kohezivne in celovite odnose med organizmi.

Osnovna metodologija ni težka, vendar je treba vsak korak natančno izvesti:

1. Za preučevanje izberite taksone, na primer več vrst ptic.
   
2. Izberite in si začrtajte značilnosti, ki jih želite preučiti.
   
3. Ugotovite, ali so podobnosti homologne ali so plod konvergentnega razvoja.
   
4. Analizirajte, ali skupne značilnosti izhajajo iz skupnega prednika ali izhajajo pozneje.
   
5. Združite sinapomorfije (skupne izpeljane homologne lastnosti).
   
6. Zgradite kladogram tako, da na drevesnem diagramu razporedite skupine organizmov.
   
7. Uporabite vozlišča na vejah, da predstavite točke, kjer sta se dve vrsti razšli.
   
8. Postavite taksone na končne točke vej, ne na vozlišča.
   

Začetki tradicionalne evolucijske metode klasifikacije segajo v antiko. Za vse žive organizme se je domnevalo, da so rastline ali živali. Klasične metode niso razlikovale med tem, ali so bile opažene lastnosti podedovane od oddaljenega prednika ali novejšega.

Cilj je bil oblikovati zemljevid, kako se je življenje na Zemlji lahko razvilo iz morja.

Značilnosti, ki se uporabljajo za razvrščanje, določijo strokovnjaki, ki preučijo očitne razlike, kot so krzno, luske ali perje. Pristop je bil bolj učinkovit za razvrščanje vretenčarjev kot nevretenčarjev. Evolucijska klasifikacija uvršča organizme v manjše skupine pod tri domene, ki so nadalje razdeljene na kraljestvo, rod / oddelek, razred, vrstni red, družino, rod in vrsto.

Kladistične metode niso vezane na Linneov klasifikacijski sistem in bolj globoko iščejo povezanost.

Tradicionalna sistematika razporeja organizme na evolucijskem drevesu glede na to, kdaj in kako se je na primer vrsta spremenila kot prilagoditev novemu življenjskemu sloju ali habitatu. Drevo se pokaže smer evolucije pravočasno. Subjektivne ocene lastnosti in značilnosti tradicionalnih metod lahko potencialno pristransko privedejo do študije in otežijo ali onemogočijo njeno ponovitev.

Dandanes imajo klasične in filogenetske metode razvrščanja prednost pred tradicionalnimi metodami razvrščanja v naravoslovju. Novejši pristop je bolj znanstven, utemeljen na dokazih in neizpodbiten. Na primer, zaporedje DNA in RNA se uporablja za preučevanje organizmov na molekularni ravni za niansirano umestitev na kladogram.

Organizmi so razporejeni glede na njihovo skupne izpeljane značilnosti.

Kladistika na področju biologije omogoča znanstvenikom prepoznavanje vzorcev, oblikovanje hipotez, preizkušanje hipotez in napovedovanje.

"Kladistika torej gre za odkritja," kot je opisal sodobni kladisti David M. Williams in Malte C. Ebach, leta 2018. Williams in Ebach kladistiko predstavljata kot postopek naravne klasifikacije, ki ne zahteva utemeljitve v evolucijski teoriji.

Kladističnim metodam tehnologija dodaja stopnjo natančnosti in prefinjenosti. Zlasti zaporedje DNA genov z visoko stopnjo zaupanja kaže na stopnjo sorodnosti in skupnega porekla. Razlike v DNK lahko dajo vpogled v to, kako dolgo so si vrste delile skupnega prednika.

Nove ugotovitve lahko potrdijo ali popravijo prejšnje predpostavke o razvoju organizmov in pomagajo pri razvrščanju novih vrst, ko so odkrite.