Kladistik: Definition, metod och exempel

För miljontals år sedan startade en enda cell en Evolution som gav upphov till livets träd och dess tre huvuddomäner: Archaea, Bacteria och Eukaryota.

Varje gren är ett exempel på en clade. En klad representerar en grupp som inkluderar en gemensam förfader och Allt ättlingar. Kladistik är en modern form av taxonomi som placerar organismer på ett grenat diagram som kallas a kladogram (som ett släktträd) baserat på egenskaper som DNA-likheter och fylogeni.

Inom biologi är kladistik en system av taxonomi det innebär klassificering och ordning av organismer på en fylogenetiskt träd av livet. Före DNA-analysen var klassificeringen starkt beroende av observationer av liknande och olika egenskaper och beteende.

Västerländska samhällen har använt klassificering sedan Aristoteles dagar i det antika Grekland då levande organismer helt enkelt delades in i kategorier av växter och djur för studier.

På 1700-talet, Carolus (Carl) Linné utvecklat en taxonomi för systematisk biologi baserad på klassificering av organismer efter utseende och delade drag. Han utvecklade ett schema för att placera organismen i en

Charles Darwin och Alfred Russel Wallace föreslog idén om naturligt urval, och Darwin formaliserade evolutionsteorin i mitten av 1800-talet. Darwins Om arternas ursprung skakade det vetenskapliga samfundet genom att föreslå att alla organismer härstammar från en gemensam förfader och kan klassificeras enligt deras evolutionära förhållanden.

Ornitolog Ernst Mayr var en framstående evolutionsbiolog från 1900-talet som i stor utsträckning studerade fågeltaxonomi under resan och arbetade som kurator vid American Museum of Natural History i New York. Hans banbrytande bok Systematik och arternas ursprung publicerades 1942 av Columbia University Press.

Mayr är känt för sitt arbete med gener, ärftlighet, variation och speciering av populationer i isolerade områden, som kan användas för klassificeringsändamål.

Kladistik är ett biologiskt klassificeringssystem baserat på analys av egenskaper, genetisk sammansättning eller fysiologi som delades med en gemensam förfader tills någon typ av avvikelse inträffade och producerade ny arter. Tysk taxonom Willi Hennig hoppstartade kladistisk klassificering 1950 när han skrev sin bok om fylogenetisk systematik.

Boken översattes senare till engelska och lästes mycket i Amerika efter publicering av University of Illinois Press 1966.

Hennigs teori om fylogenetisk systematik utmanade samtida synsätt på taxonomi introducerades av Darwin och Wallace.

Han hävdade att arter borde identifieras och klassificeras baserat på genetik och clade-förhållanden, särskilt monofyletiska grupper. Hennig finslipade på de senaste anor och identifieringen av utvecklade, modifierade egenskaper hos organismer som delade en direkt släktlinje - även om härledda egenskaper inte var något som de vanliga förfader.

Fylogenetik är studien av kända eller hypoteser om evolutionära relationer baserade på fylogeni (härstamning) av grupperade organismer. Livets fylogenetiska träd illustrerar hur taxa (grupper av organismer) utvecklades i en specifik ordning när livet diversifierades och förgrenades från en gemensam förfader.

Processen med evolutionär speciering ser ut som grenar på ett släktträd. Eftersom det inte finns något säkert sätt att veta vad som hände så länge sedan, måste vetenskapen dra slutsatser om hur livet utvecklats baserat på fossila register, jämförande anatomi, fysiologi, beteende, embryologi och molekylära data. Evolutionär biologi är ett dynamiskt fält där nya upptäckter kontinuerligt görs.

Evolutionära biologer drar slutsatsen hypotetiska evolutionära relationer mellan taxa baserat på en detaljerad jämförelse av liknande och olika egenskaper.

Att studera evolutionär härkomst hjälper till att identifiera när vissa egenskaper uppstod och överfördes till efterföljande generationer. Kladistisk analys, som fylogenetisk systematik, undersöker evolutionära härkomstmönster som hjälper till tillsammans arternas evolutionära historia samtidigt som de förklarar mångfalden i liv och art utrotningar.

Kladistik arbetar på den centrala förutsättningen att livet på jorden bara har sitt ursprung en gång, vilket innebär att allt liv kan spåras tillbaka till den första förfädersorganismen. Nästa antagande är att befintliga arter delas upp i två grupper avgränsade av en nod på en trädgren. Slutligen förändras, anpassas och utvecklas organismer förmodligen.

De punkt av avvikelse representerar början på två nya släkter som förgrenar sig och bildar två nya arter.

Kladogram används för att göra meningsfulla jämförelser mellan grupper.

I biologi är ett kladogram ett visuell representation relaterade egenskaper i olika organismer. Vanligtvis görs gruppering enligt vissa specifika egenskaper av intresse. Olika datapunkter kan dock kombineras för att skapa ett mer exakt evolutionärt träd som förklarar komplexa relationer.

Man kan skilja mellan ett kladogram och ett fylogenetiskt träd, men termerna används ibland omväxlande. Kladogram fokuserar på egenskaper på makro- och molekylär nivå som indikerar släkt. Ett kladogram föreslår sannolika evolutionära förhållanden mellan grupper av organism eller taxa som kan vara små eller stora i antal:

• Monofyletisk taxon. En klad av organismer som inkluderar deras senaste gemensamma förfader och Allt de levande och utdöda ättlingar. Till exempel finns det tre kläder av däggdjur: monotremes, pungdjur och eutherians. Däggdjur har många egenskaper men skiljer sig åt i hur de reproducerar.
  

• Parafyletisk taxon. En grupp organismer som inkluderar den vanligaste förfadern av alla medlemmar men utelämnar några av ättlingarna som spårar tillbaka till samma gemensamma förfader. Bryophyta är parafyletiska eftersom gruppen inkluderar hornworts, liverworts och mossor men utesluter kärlväxter.

• Polyfyletisk taxon. En grupp organismer som inte har mycket gemensamt annat än några liknande egenskaper. Vid ett tillfälle klumpades pachydermer som elefanter och flodhästar ihop på grund av deras hudtyp trots att de faktiskt tillhör olika däggdjursfamiljer.
  

Multicellular eukaryoter gav upphov till ett överflöd av alltmer komplexa organismer.

Till exempel spårar fiskar och människor tillbaka till en gemensam förfader för miljontals år sedan. Det komplicerade förhållandet kan avbildas på ett enkelt kladogram som illustrerar de kladistiska förhållandena. Börja med att föreställa dig en förfäders eukaryot vid trädets bas.

När den gemensamma förfädern utvecklades förgrenades en nod på trädet till ryggradsdjur i vatten som käftfri fisk. Vid nästa nod avgrenades grenen i fyrbenta tetrapoder.

Nästa nod visar en divergens när djur utvecklade fostervatten, följt av en splittring när djur utvecklade päls eller hår. Mycket senare divergerade människor och primater på olika vägar.

Kladistisk klassificering ser på vissa egenskaper hos organismer som direkt bär på förfädernas tillstånd i evolutionär biologi. Hennig utvecklade många vetenskapliga termer för att beskriva sin inställning till kategorisering, som var avgörande för hans idéer och teorier. Termerna beskriver grupper av organismer i förhållande till en specifik nod på ett fylogenetiskt träd eller kladogram:

• Plesiomorphy. Detta är ett förfädersdrag som överförs och behålls från förfaderens arter till nedstigande arter under evolutionen mellan en enda eller flera taxa.

• Apomorphy. Detta är en härledd egenskap som beskriver en specifik klad.

• Autapomorphy. Detta är en härledd egenskap som bara finns i en av grupperna som jämförs.

• Synapomorphy. Detta är en härledd egenskap som delas av två eller flera grupper av organismer som härstammar från en gemensam förfader.
  

Karaktärstillstånd är egenskaper som härrör från processen med naturligt urval, anpassning och ärftlig variation som leder till biologisk mångfald i livet. Som sådan bara synapomorphies är relevanta när man urskiljer evolutionära relationer. Flera synapomorfier i organismer med en delad förfader är monofyletisk:

• Autapomorphies är egenskaper som finns i endast en art eller grupp som härrör från en gemensam förfader, såsom ormtaxa som inte har några funktionella ben, medan nästa närmaste taxa har två eller flera ben.

• Synapomorphies hänvisar till ett drag som ses i en hel klad, såsom motsatta tummar hos människor och primater.
  

• Homoplasi är ett drag som delas av flera grupper, arter och taxa som inte härrör från en gemensam gemensam förfader. Fåglar och däggdjur är varmblodiga men har inte en direkt delad förfader som hade den egenskapen, vilket är ett exempel på konvergerande utveckling.
  

Forskare som kallas kladister ordnar taxa i ett fylogenetiskt träd som kan avslöja nya evolutionära förhållanden. Grupperingar görs baserat på fysiska, molekylära, genetiska och beteendemässiga egenskaper.

Ett diagram som kallas ett kladogram visar släkt när art förgrenas från en gemensam förfader vid olika tidpunkter i evolutionens historia.

Kladogram är förgreningsdiagram över kladistiska data som ordnar vissa egenskaper med exempelvis jämförande fysiska datamängder eller molekylära data. Forskare idag använder ofta datorprogram för att kombinera datamängder för att skapa mer exakta kladogram som visar sammanhängande och omfattande förhållanden mellan organismer.

Grundläggande metod är inte svårt, men varje steg måste göras noggrant:

1. Välj taxa att studera, till exempel flera fågelarter.
   
2. Välj och kartlägg de egenskaper du vill studera.
   
3. Kontrollera om likheter är homologa eller produkten av konvergent evolution.
   
4. Analysera om de delade egenskaperna härrör från en gemensam förfader eller härleds senare.
   
5. Gruppera synapomorfierna (delade härledda homologa egenskaper).
   
6. Bygg ett kladogram genom att ordna grupper av organismer på ett trädliknande diagram.
   
7. Använd noder på grenar för att representera punkter där två arter skilde sig från varandra.
   
8. Placera taxa på slutpunkterna på grenar, inte vid noder.
   

Ursprunget till traditionella evolutionära metoder klassificering går tillbaka till antiken. Alla levande organismer antogs vara växter eller djur. Klassiska metoder gjorde ingen skillnad mellan om observerade egenskaper ärvdes från en avlägsen förfader eller en nyare.

Målet var att ta fram en karta över hur livet på jorden kan ha utvecklats från havet.

Egenskaper som används för klassificering bestäms av experter som tittar på uppenbara skillnader som päls, fjäll eller fjädrar. Tillvägagångssättet fungerade bättre för att klassificera ryggradsdjur än ryggradslösa djur. Evolutionär klassificering placerar organismer i grupper av minskande storlek under tre domäner som är ytterligare indelade i rike, fylum / uppdelning, klass, ordning, familj, släkt och art.

Kladistiska metoder är inte knutna till Linnean klassificeringssystem, och de söker djupare för anslutning.

Traditionell systematik ordnar organismer på ett evolutionärt träd efter när och hur en art förändrades till exempel som en anpassning till en ny livsstil eller livsmiljö. Trädet visar utvecklingsriktning i tid. Subjektiva bedömningar av egenskaper och egenskaper i traditionella metoder kan potentiellt förvränga resultaten och göra en studie svår eller omöjlig att replikera.

Kladistiska och fylogenetiska klassificeringsmetoder föredras idag framför traditionella metoder för klassificering inom naturvetenskapen. Det nyare tillvägagångssättet är mer vetenskapligt, evidensbaserat och obestridligt. Till exempel används DNA- och RNA-sekvensering för att studera organismer på molekylär nivå för nyanserad placering på ett kladogram.

Organismer är ordnade efter deras delade härledda egenskaper.

Kladistik inom biologi gör det möjligt för forskare att identifiera mönster, bilda en hypotes, testa hypoteser och göra förutsägelser.

"Kladistik handlar alltså om upptäckt", som beskrivs av samtida kladister, David M. Williams och Malte C. Ebach, 2018. Williams och Ebach ser för sig kladistik som en process för naturlig klassificering som inte kräver grundstöd i evolutionsteorin.

Teknik lägger till en nivå av precision och sofistikering i kladistikmetoder. I synnerhet indikerar DNA-sekvensering av gener graden av släkt och delad anor med hög grad av självförtroende. Skillnader i DNA kan ge insikt i hur länge sedan arter delade en gemensam förfader.

Nya resultat kan antingen bekräfta eller korrigera tidigare antaganden om hur organismer utvecklats och hjälpa till att klassificera nya arter när de upptäcks.