Cladistics: ความหมาย วิธีการ และตัวอย่าง

หลายล้านปีก่อน เซลล์เดียวเริ่มต้นและ วิวัฒนาการ ที่ก่อให้เกิดต้นไม้แห่งชีวิตและสามโดเมนหลัก: อาร์เคีย แบคทีเรีย และยูคาริโอต

แต่ละสาขาเป็นตัวอย่างของ a clade. clade เป็นตัวแทนของกลุ่มที่มีบรรพบุรุษร่วมกันและ ทั้งหมด ทายาท คลาดิสติกส์ เป็นรูปแบบที่ทันสมัยของ อนุกรมวิธาน ที่จัดวางสิ่งมีชีวิตบนไดอะแกรมกิ่งที่เรียกว่าa cladogram (เหมือนต้นไม้ตระกูล) ตามลักษณะเช่น DNA ความคล้ายคลึงและสายวิวัฒนาการ

ในสาขาชีววิทยา cladistics คือ a ระบบของ อนุกรมวิธาน ที่เกี่ยวข้องกับการจำแนกและจัดสิ่งมีชีวิตบน a ต้นไม้สายวิวัฒนาการ ของชีวิต. ก่อนการวิเคราะห์ดีเอ็นเอ การจำแนกประเภทอาศัยการสังเกตลักษณะและพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกันและแตกต่างกันอย่างมาก

สังคมตะวันตกได้ใช้การจำแนกประเภทตั้งแต่สมัยของอริสโตเติลในกรีกโบราณเมื่อสิ่งมีชีวิตถูกแบ่งออกเป็นหมวดหมู่ของพืชและสัตว์เพื่อการศึกษา

ในยุค 1700 คาโรลัส (คาร์ล) ลินเนียส พัฒนาอนุกรมวิธานของชีววิทยาระบบตามการจำแนกสิ่งมีชีวิตตามลักษณะภายนอกและลักษณะร่วม เขาได้พัฒนาสคีมาสำหรับวางสิ่งมีชีวิตใน อนุกรมวิธาน (กลุ่ม; เอกพจน์) ที่รวมหลาย ๆ

Charles Darwin และ อัลเฟรด รัสเซล วอลเลซ เสนอแนวคิดเรื่องการคัดเลือกโดยธรรมชาติ และดาร์วินทำให้ทฤษฎีวิวัฒนาการเป็นทางการขึ้นในช่วงกลางปี ​​ค.ศ. 1800 ดาร์วิน เกี่ยวกับต้นกำเนิดของสายพันธุ์ เขย่าวงการวิทยาศาสตร์โดยบอกว่าสิ่งมีชีวิตทั้งหมดสืบเชื้อสายมาจากบรรพบุรุษร่วมกันและสามารถจำแนกได้ตามความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการของพวกมัน

จักษุแพทย์ เอินส์ท เมเยอร์ เป็นนักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการที่โดดเด่นของศตวรรษที่ 20 ซึ่งศึกษาอนุกรมวิธานของนกอย่างกว้างขวางขณะเดินทางและทำงานเป็นภัณฑารักษ์ที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติอเมริกันในนิวยอร์ก หนังสือที่ก้าวล้ำของเขา Systematics และต้นกำเนิดของสายพันธุ์ ถูกตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1942 โดยสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย

Mayr เป็นที่รู้จักจากผลงานเกี่ยวกับยีน การถ่ายทอดทางพันธุกรรม การแปรผัน และการเก็งกำไรของประชากรในพื้นที่ห่างไกล ซึ่งสามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการจำแนกประเภท

Cladistics เป็นระบบการจำแนกทางชีววิทยาตามการวิเคราะห์ลักษณะ ลักษณะทางพันธุกรรม หรือ สรีรวิทยาที่แบ่งปันกับบรรพบุรุษร่วมกันจนกระทั่งเกิดความแตกต่างบางอย่างทำให้เกิดใหม่ สายพันธุ์ นักอนุกรมวิธานชาวเยอรมัน Willi Hennig เริ่มต้นอย่างรวดเร็ว การจำแนกแบบคลาสสิก ในปี 1950 เมื่อเขาเขียนหนังสือเรื่อง ระบบสายวิวัฒนาการ

หนังสือเล่มนี้ได้รับการแปลเป็นภาษาอังกฤษในภายหลังและอ่านกันอย่างแพร่หลายในอเมริกาหลังจากตีพิมพ์โดยสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ในปี 2509

ทฤษฎีระบบสายวิวัฒนาการของ Hennig ท้าทายแนวทางร่วมสมัยเพื่อ อนุกรมวิธาน แนะนำโดยดาร์วินและวอลเลซ

เขาแย้งว่าควรระบุและจำแนกชนิดพันธุ์ตามความสัมพันธ์ทางพันธุศาสตร์และคลด โดยเฉพาะกลุ่มโมโนไฟเลติก Hennig ให้ความสำคัญกับบรรพบุรุษล่าสุดและการระบุลักษณะที่วิวัฒนาการและดัดแปลงของสิ่งมีชีวิตที่ แบ่งปันสายเลือดโดยตรง - แม้ว่าลักษณะที่ได้รับจะไม่เหมือนกับลักษณะทั่วไป บรรพบุรุษ.

สายวิวัฒนาการ คือการศึกษาความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการที่รู้จักหรือตั้งสมมติฐานโดยอิงจาก สายวิวัฒนาการ (เชื้อสาย) ของสิ่งมีชีวิตที่จัดกลุ่ม ต้นไม้แห่งชีวิตสายวิวัฒนาการแสดงให้เห็นว่าแท็กซ่า (กลุ่มของสิ่งมีชีวิต) วิวัฒนาการไปในลำดับใดโดยเฉพาะเมื่อชีวิตมีความหลากหลายและแตกแขนงออกจากบรรพบุรุษร่วมกัน

กระบวนการของการเก็งกำไรแบบวิวัฒนาการดูเหมือนกิ่งก้านบนแผนภูมิต้นไม้ตระกูล เนื่องจากไม่มีทางรู้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อนานมาแล้ว วิทยาศาสตร์จึงต้องอนุมานว่าชีวิตมีวิวัฒนาการมาจาก บันทึกฟอสซิล, กายวิภาคเปรียบเทียบ, สรีรวิทยา, พฤติกรรม, เอ็มบริโอ และข้อมูลระดับโมเลกุล. ชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการเป็นสนามที่มีพลวัตซึ่งมีการค้นพบใหม่อย่างต่อเนื่อง

นักชีววิทยาวิวัฒนาการอนุมาน ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการสมมุติฐาน ระหว่างแท็กซ่าโดยอาศัยการเปรียบเทียบโดยละเอียดของลักษณะที่คล้ายคลึงกันและแตกต่างกัน

การศึกษาเชื้อสายวิวัฒนาการช่วยระบุเมื่อลักษณะบางอย่างเกิดขึ้นและส่งต่อไปยังรุ่นต่อๆ มา การวิเคราะห์แบบ Cladistic เช่น ระบบสายวิวัฒนาการ ตรวจสอบรูปแบบวิวัฒนาการของการสืบเชื้อสายที่ช่วยชิ้นส่วน ร่วมกันประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของสายพันธุ์ในขณะที่ยังอธิบายความหลากหลายของชีวิตและสายพันธุ์ การสูญพันธุ์

Cladistics ทำงานบนสมมติฐานหลักที่ว่าสิ่งมีชีวิตบนโลกเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว หมายความว่าทุกชีวิตสามารถสืบย้อนไปถึงสิ่งมีชีวิตบรรพบุรุษตัวแรกได้ สมมติฐานต่อไปคือสปีชีส์ที่มีอยู่แบ่งออกเป็นสองกลุ่มโดยแบ่งเขตโดยโหนดบนกิ่งไม้ สุดท้าย สิ่งมีชีวิตน่าจะเปลี่ยนแปลง ปรับตัว และวิวัฒนาการ

จุดแตกต่าง แสดงถึงจุดเริ่มต้นของสองสายเลือดใหม่ที่แตกแขนงออกไปและก่อตัวขึ้นใหม่สองสายพันธุ์

Cladograms ใช้เพื่อเปรียบเทียบระหว่างกลุ่มต่างๆ อย่างมีความหมาย

ในทางชีววิทยา cladogram คือ a การแสดงภาพ ของลักษณะที่เกี่ยวข้องกันในสิ่งมีชีวิตต่างๆ โดยปกติ การจัดกลุ่มจะดำเนินการตามลักษณะเฉพาะที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตาม สามารถรวมจุดข้อมูลต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อสร้างแผนผังวิวัฒนาการที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนได้

สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่าง cladogram และต้นไม้สายวิวัฒนาการได้ แต่คำศัพท์เหล่านี้ยังใช้สลับกันได้ในบางครั้ง Cladograms เน้นลักษณะเฉพาะที่ระดับมาโครและโมเลกุลที่บ่งบอกถึงความเกี่ยวข้อง cladogram แสดงให้เห็นความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการที่น่าจะเป็นไปได้ระหว่างกลุ่มของสิ่งมีชีวิตหรือแท็กซ่าที่สามารถมีจำนวนน้อยหรือมาก:

• อนุกรมวิธาน monophyletic หมู่สิ่งมีชีวิตที่ประกอบด้วย บรรพบุรุษร่วมกันล่าสุดของพวกเขา และ ทั้งหมด สิ่งมีชีวิตและสูญพันธุ์ ทายาท. ตัวอย่างเช่น มีสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามกลุ่ม: โมโนทรีม, กระเป๋าหน้าท้อง และ eutherians. สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีลักษณะหลายอย่าง แต่มีวิธีการสืบพันธุ์ต่างกัน
  

• อนุกรมวิธาน Paraphyletic กลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่ รวมถึงบรรพบุรุษที่พบบ่อยที่สุด ของสมาชิกทุกคนแต่ ละทิ้งทายาทบางส่วน ที่สืบย้อนไปถึงบรรพบุรุษเดียวกันนั้น ไบรโอไฟต้า เป็นอัมพาตเพราะกลุ่มประกอบด้วย ฮอร์นเวิร์ต, ตับอ่อน และ มอส แต่ไม่รวมพืชที่มีหลอดเลือด

• อนุกรมวิธาน Polyphyletic กลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีอะไรเหมือนกันมากนักนอกจาก ลักษณะบางอย่างที่คล้ายคลึงกัน. ครั้งหนึ่ง ช้างเช่นช้างและฮิปโปโปเตมัสถูกจับรวมกันเป็นก้อนเนื่องจากสภาพผิวของพวกมัน แม้ว่าจริงๆ แล้วพวกมันจะอยู่ในตระกูลของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต่างกัน
  

หลายเซลล์ ยูคาริโอต ก่อให้เกิดสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนขึ้นมากมาย

ตัวอย่างเช่น ปลาและมนุษย์สืบย้อนไปถึงบรรพบุรุษร่วมกันเมื่อหลายล้านปีก่อน ความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนนั้นสามารถอธิบายได้บน cladogram ง่ายๆ ที่แสดงความสัมพันธ์แบบ cladistic เริ่มต้นด้วยการนึกภาพยูคาริโอตของบรรพบุรุษที่โคนต้นไม้

เมื่อบรรพบุรุษร่วมกันมีวิวัฒนาการ โหนดหนึ่งบนต้นไม้ก็แยกออกเป็นสัตว์มีกระดูกสันหลังในน้ำ เช่น ปลาที่ไม่มีกราม ที่โหนดถัดไป กิ่งแยกออกเป็น tetrapods สี่ขา

โหนดถัดไปแสดงความแตกต่างเมื่อสัตว์พัฒนาไข่น้ำคร่ำ ตามด้วยการแยกตัวเมื่อสัตว์พัฒนาขนหรือขน ในเวลาต่อมา มนุษย์และไพรเมตต่างแยกจากกันและพัฒนาไปตามเส้นทางที่แยกจากกัน

การจำแนกประเภท Cladistic พิจารณาลักษณะบางอย่างของสิ่งมีชีวิตที่ส่งผลโดยตรงต่อสถานะของบรรพบุรุษในชีววิทยาวิวัฒนาการ เฮนนิกพัฒนาคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์มากมายเพื่ออธิบายวิธีการจัดหมวดหมู่ของเขา ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อแนวคิดและทฤษฎีของเขา ข้อกำหนดอธิบายกลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกับโหนดเฉพาะบนต้นไม้สายวิวัฒนาการหรือ cladogram:

• พลีซิโอมอร์ฟี นี่เป็นลักษณะบรรพบุรุษที่สืบทอดและคงอยู่ตั้งแต่บรรพบุรุษจนถึงสายพันธุ์ที่สืบเชื้อสายมาจากวิวัฒนาการระหว่างแท็กซ่าเดี่ยวหรือหลายสายพันธุ์

• อะโพมอร์ฟี นี่เป็นลักษณะที่ได้รับซึ่งอธิบายคลดเฉพาะ

• อัตตาโพมอร์ฟี นี่เป็นลักษณะที่ได้รับที่พบในกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งที่เปรียบเทียบเท่านั้น

• ซินโพมอร์ฟี นี่เป็นลักษณะที่ได้รับร่วมกันโดยสิ่งมีชีวิตสองกลุ่มขึ้นไปที่สืบเชื้อสายมาจากบรรพบุรุษร่วมกัน
  

สถานะของตัวละคร เป็นลักษณะที่ได้จากกระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติ การปรับตัว และความแปรปรวนที่สืบทอดมาซึ่งนำไปสู่ความหลากหลายทางชีวภาพในชีวิต เช่นนี้เท่านั้น synapomorphies มีความเกี่ยวข้องเมื่อแยกแยะความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการ synapomorphies หลายอย่างในสิ่งมีชีวิตที่มีบรรพบุรุษร่วมกันคือ monophyletic:

• ออโตมอร์ฟีส เป็นลักษณะที่พบในสายพันธุ์หรือกลุ่มเดียวที่มีต้นกำเนิดจากบรรพบุรุษร่วมกัน เช่น งูทากทาที่ไม่มีขาที่ใช้งานได้ ขณะที่แทกซ่าที่อยู่ใกล้ที่สุดจะมีสองขาขึ้นไป

• Synapomorphies อ้างถึงลักษณะที่เห็นในทั้งกลุ่มเช่นนิ้วหัวแม่มือตรงข้ามในมนุษย์และบิชอพ
  

• Homoplasy เป็นลักษณะร่วมกันโดยหลายกลุ่ม สปีชีส์ และแท็กซ่าที่ไม่ได้มาจากบรรพบุรุษร่วมกัน นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นสัตว์เลือดอุ่น แต่ไม่มีบรรพบุรุษร่วมกันโดยตรงที่มีลักษณะดังกล่าว ซึ่งเป็นตัวอย่างของการวิวัฒนาการมาบรรจบกัน
  

นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า cladists จัดแท็กซ่าในต้นไม้สายวิวัฒนาการที่อาจเปิดเผยความสัมพันธ์วิวัฒนาการใหม่ การจัดกลุ่มขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพ โมเลกุล พันธุกรรม และพฤติกรรม

ไดอะแกรมที่เรียกว่า cladogram แสดงความเกี่ยวข้อง เมื่อใดก็ตามที่สปีชีส์แตกแขนงออกจากบรรพบุรุษร่วมกัน ณ จุดต่างๆ ในประวัติศาสตร์วิวัฒนาการ

Cladograms เป็นไดอะแกรมการแตกแขนงของ ข้อมูล cladistic ที่จัดเรียงคุณลักษณะบางอย่างโดยใช้ชุดข้อมูลทางกายภาพเปรียบเทียบหรือข้อมูลระดับโมเลกุลเป็นต้น นักวิจัยในปัจจุบันมักใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อรวมชุดข้อมูลเพื่อสร้าง cladograms ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ที่เหนียวแน่นและครอบคลุมระหว่างสิ่งมีชีวิต

วิธีการพื้นฐานไม่ใช่เรื่องยาก แต่แต่ละขั้นตอนต้องทำอย่างพิถีพิถัน:

1. เลือกแท็กซ่าที่จะศึกษา เช่น นกหลายชนิด
   
2. เลือกและจัดทำแผนภูมิลักษณะที่คุณต้องการศึกษา
   
3. ตรวจสอบว่าความคล้ายคลึงกันนั้นเป็นแบบเดียวกันหรือเป็นผลจากวิวัฒนาการมาบรรจบกันหรือไม่
   
4. วิเคราะห์ว่าคุณลักษณะที่ใช้ร่วมกันนั้นมาจากบรรพบุรุษร่วมกันหรือได้รับในภายหลัง
   
5. จัดกลุ่ม synapomorphies (ลักษณะคล้ายคลึงกันที่ได้รับร่วมกัน)
   
6. สร้าง cladogram โดยจัดกลุ่มของสิ่งมีชีวิตบนไดอะแกรมเหมือนต้นไม้
   
7. ใช้โหนดบนกิ่งก้านเพื่อแสดงจุดที่ทั้งสองชนิดแยกจากกัน
   
8. วางแท็กซ่าที่จุดปลายของกิ่ง ไม่ใช่ที่โหนด
   

ที่มาของ วิธีการวิวัฒนาการแบบดั้งเดิม ของการจำแนกประเภทตั้งแต่สมัยโบราณ สิ่งมีชีวิตทั้งหมดถือว่าเป็นพืชหรือสัตว์ วิธีการแบบคลาสสิกไม่ได้แยกความแตกต่างระหว่างลักษณะที่สังเกตได้นั้นสืบทอดมาจากบรรพบุรุษที่อยู่ห่างไกลหรือที่ใหม่กว่า

เป้าหมายคือการจัดทำแผนที่ว่าชีวิตบนโลกอาจมีวิวัฒนาการมาจากทะเลได้อย่างไร

ลักษณะที่ใช้ในการจำแนกประเภทนั้นกำหนดโดยผู้เชี่ยวชาญที่พิจารณาความแตกต่างที่ชัดเจน เช่น ขน เกล็ด หรือขนนก วิธีการนี้ใช้ได้ผลดีกว่าในการจำแนกสัตว์มีกระดูกสันหลังมากกว่าสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง การจำแนกวิวัฒนาการ จัดวางสิ่งมีชีวิตในกลุ่มที่มีขนาดลดลงภายใต้สามโดเมนที่แบ่งออกเป็นอาณาจักร, ไฟลัม/ดิวิชัน, คลาส, ลำดับ, ครอบครัว, สกุลและสปีชีส์

วิธีการแบบคลาสสิคไม่ได้เชื่อมโยงกับระบบการจัดประเภท Linnean และจะตรวจสอบการเชื่อมต่อที่ลึกกว่า

ระบบดั้งเดิมจัดเรียงสิ่งมีชีวิตบนต้นไม้วิวัฒนาการตามเวลาและวิธีการที่สายพันธุ์เปลี่ยนไปเพื่อปรับตัวให้เข้ากับวิถีชีวิตหรือที่อยู่อาศัยใหม่เป็นต้น ต้นไม้แสดงให้เห็น ทิศทางวิวัฒนาการ ภายในเวลาที่กำหนด. การประเมินลักษณะและคุณลักษณะตามอัตนัยในวิธีการแบบเดิมๆ อาจทำให้เกิดอคติและทำให้การศึกษายากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะทำซ้ำ

วิธีการจำแนกประเภท cladistic และ phylogenetic เป็นที่ต้องการในปัจจุบันมากกว่าวิธีการดั้งเดิมในการจำแนกประเภทในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แนวทางที่ใหม่กว่านั้นมีความเป็นวิทยาศาสตร์มากกว่า มีหลักฐานเป็นฐานและหักล้างไม่ได้ ตัวอย่างเช่น มีการใช้การจัดลำดับดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอเพื่อศึกษาสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุลสำหรับการจัดตำแหน่งที่เหมาะสมยิ่งบน cladogram

สิ่งมีชีวิตถูกจัดเรียงตามของพวกเขา ลักษณะที่ได้รับร่วมกัน.

Cladistics ในสาขาชีววิทยาช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุรูปแบบ ตั้งสมมติฐาน ทดสอบสมมติฐาน และคาดการณ์ได้

“Cladistics เป็นเรื่องเกี่ยวกับการค้นพบ” ตามที่ David M. วิลเลียมส์และมอลต์ซี Ebach ในปี 2018 วิลเลียมส์และเอบัคมองว่า cladistics เป็นกระบวนการจำแนกตามธรรมชาติที่ไม่ต้องการพื้นฐานในทฤษฎีวิวัฒนาการ

เทคโนโลยีเพิ่มระดับของความแม่นยำและความซับซ้อนให้กับวิธีการ cladistics โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การจัดลำดับ DNA ของยีนบ่งบอกถึงระดับของความสัมพันธ์และบรรพบุรุษร่วมกันด้วยความมั่นใจในระดับสูง ความแตกต่างใน DNA สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกว่าสปีชีส์มีบรรพบุรุษร่วมกันนานแค่ไหน

การค้นพบใหม่สามารถยืนยันหรือแก้ไขสมมติฐานก่อนหน้านี้เกี่ยวกับวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตและช่วยจำแนกสายพันธุ์ใหม่เมื่อค้นพบ