FILOGENEZA: INTERPRETACJA, RODZAJE DRZEW, ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2026

Filogenezy w biologii ewolucyjnej, jest przedstawienie historii ewolucyjnej grupy organizmów lub gatunków, podkreślając linię pochodzenia oraz relacje pokrewieństwa między grupami.

Dzisiaj biolodzy wykorzystali dane przede wszystkim z porównawczej morfologii i anatomii oraz z sekwencji genów do rekonstrukcji tysięcy drzew.

Źródło: Wilson JEM Costa, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Drzewa te mają na celu opisanie historii ewolucji różnych gatunków zwierząt, roślin, drobnoustrojów i innych istot organicznych zamieszkujących ziemię.

Analogia z drzewem życia pochodzi z czasów Karola Darwina. Ten genialny brytyjski przyrodnik uchwycił w arcydziele „Pochodzenie gatunków” pojedynczy obraz: „drzewo”, które reprezentuje rozgałęzienie rodów, począwszy od wspólnego przodka.

Co to jest filogeneza?

W świetle nauk biologicznych jednym z najbardziej zadziwiających wydarzeń, które miały miejsce, jest ewolucja. Wspomnianą zmianę form organicznych w czasie można przedstawić w drzewie filogenetycznym. Dlatego filogeneza wyraża historię rodów i ich zmiany w czasie.

Jedną z bezpośrednich implikacji tego wykresu jest wspólne pochodzenie. Oznacza to, że wszystkie organizmy, które dziś widzimy, wyłoniły się jako potomkowie z modyfikacjami dawnych form. Pomysł ten był jednym z najważniejszych w historii nauki.

Wszystkie formy życia, które możemy dziś zobaczyć - od mikroskopijnych bakterii po rośliny i największe kręgowce - są ze sobą połączone, a związek ten jest reprezentowany w ogromnym i zawiłym drzewie życia.

W ramach analogii drzewa, gatunki, które żyją dzisiaj, reprezentowałyby liście, a reszta gałęzi byłaby ich ewolucyjną historią.

Co to jest drzewo filogenetyczne?

Pokazana jest uproszczona filogeneza Metazoa. Niektórym grupom przypisana jest schematyczna reprezentacja niektórych typów oczu, które mogą przedstawiać: kubek, kamera z otworem na światło, kamera z obiektywem, skomponowane przez przyłożenie i skomponowane przez nałożenie. Laura bibiana, źródło Wikimedia Commons

Drzewo filogenetyczne to graficzne przedstawienie historii ewolucji grupy organizmów. Ten wzorzec relacji historycznych to filogeneza, którą badacze próbują oszacować.

Drzewa składają się z węzłów, które łączą „gałęzie”. Węzły końcowe każdej gałęzi są taksonami końcowymi i reprezentują sekwencje lub organizmy, dla których znane są dane - mogą to być gatunki żyjące lub wymarłe.

Węzły wewnętrzne reprezentują hipotetycznych przodków, podczas gdy przodek znaleziony u podstawy drzewa reprezentuje przodka wszystkich sekwencji przedstawionych na wykresie.

Jak interpretuje się drzewa filogenetyczne?

Drzewo filogenetyczne można przedstawić na wiele sposobów. Z tego powodu ważne jest, aby wiedzieć, jak rozpoznać, czy te różnice, które są obserwowane między dwoma drzewami, wynikają z różnych topologii - to znaczy rzeczywistych różnic odpowiadających dwóm pisowniom - czy są po prostu różnicami związanymi ze stylem reprezentacji.

Na przykład kolejność, w jakiej etykiety pojawiają się na górze, może się zmieniać, bez zmiany znaczenia reprezentacji graficznej, ogólnie między innymi nazwy gatunku, rodzaju, rodziny.

Dzieje się tak, ponieważ drzewa przypominają telefon komórkowy, w którym gałęzie mogą się obracać bez zmiany relacji reprezentowanych gatunków.

W tym sensie nie ma znaczenia, ile razy zmienia się kolejność lub obraca się „wiszące” przedmioty, ponieważ nie zmienia to sposobu ich połączenia - i to jest ważne.

Jak rekonstruuje się filogeny?

Phylogenies to hipotezy formułowane na podstawie dowodów pośrednich. Wyjaśnienie filogenezy jest podobne do zadania detektywa rozwiązującego przestępstwo na podstawie wskazówek z miejsca zbrodni.

Biolodzy często postulują swoje filogeny, wykorzystując wiedzę z różnych dziedzin, takich jak paleontologia, anatomia porównawcza, embriologia porównawcza i biologia molekularna.

Zapis kopalny, choć niekompletny, dostarcza bardzo cennych informacji o czasach dywergencji grup gatunków.

Z biegiem czasu biologia molekularna przerosła wszystkie wymienione dziedziny, a większość filogenez można wywnioskować z danych molekularnych.

Cel odbudowy drzewa filogenetycznego ma kilka głównych wad. Istnieje około 1,8 miliona nazwanych gatunków i wiele innych bez opisu.

I chociaż znaczna liczba naukowców każdego dnia stara się odtworzyć relacje między gatunkami, wciąż nie ma pełnego drzewa.

Znaki homologiczne

Kiedy biolodzy chcą opisać podobieństwa między dwiema strukturami lub procesami, mogą to zrobić w kategoriach wspólnego pochodzenia (homologie), analogii (funkcji) lub homoplazji (podobieństwa morfologiczne).

Aby zrekonstruować filogenezę, używa się wyłącznie znaków homologicznych. Homologia jest kluczowym pojęciem w ewolucji i odtwarzaniu relacji między gatunkami, ponieważ tylko ona odpowiednio odzwierciedla wspólne pochodzenie organizmów.

Załóżmy, że chcemy wywnioskować filogenezę trzech grup: ptaków, nietoperzy i ludzi. Aby osiągnąć nasz cel, zdecydowaliśmy się wykorzystać kończyny górne jako cechę, która pomaga nam dostrzec wzór relacji.

Ponieważ ptaki i nietoperze mają zmodyfikowane struktury do lotu, możemy błędnie stwierdzić, że nietoperze i ptaki są ze sobą bardziej spokrewnieni niż nietoperze z ludźmi. Dlaczego doszliśmy do złego wniosku? Ponieważ użyliśmy analogicznego i niehomologicznego znaku.

Aby znaleźć prawidłową relację, muszę poszukać charakteru homologicznego, takiego jak obecność włosów, gruczołów mlecznych i trzech małych kości w uchu środkowym - żeby wymienić tylko kilka. Jednak homologie nie są łatwe do zdiagnozowania.

Rodzaje drzew

Nie wszystkie drzewa są takie same, istnieją różne reprezentacje graficzne i każdemu udaje się zawrzeć jakąś szczególną charakterystykę ewolucji grupy.

Najbardziej podstawowe drzewa to kladogramy. Te wykresy przedstawiają relacje w kategoriach wspólnego pochodzenia (według najnowszych wspólnych przodków).

Drzewa addytywne zawierają dodatkowe informacje i są reprezentowane przez długość gałęzi.

Liczby związane z każdą gałęzią odpowiadają jakiejś atrybucie w sekwencji - na przykład ilości zmian ewolucyjnych, którym przeszły organizmy. Oprócz „drzew addytywnych” są one również znane jako drzewa metryczne lub filogramy.

Drzewa ultrametryczne, zwane także dendogramami, to szczególny przypadek drzew addytywnych, w których wierzchołki drzewa są w równej odległości od korzenia do drzewa.

Te dwa ostatnie warianty zawierają wszystkie dane, które możemy znaleźć w kladogramie oraz dodatkowe informacje. Dlatego nie są wyłączne, jeśli nie komplementarne.

Politomias

Często węzły drzew nie są w pełni rozwiązane. Wizualnie mówi się, że istnieje polytomia, kiedy więcej niż trzy gałęzie wyłaniają się z nowej (istnieje jeden przodek dla więcej niż dwóch bezpośrednich potomków). Kiedy drzewo nie ma polytomii, mówi się, że jest w pełni rozwiązane.

Istnieją dwa rodzaje polytomii. Pierwsza z nich to „twarde” polytomie. Są one nieodłączne dla badanej grupy i wskazują, że potomkowie ewoluowali w tym samym czasie. Alternatywnie, „miękkie” polytomie wskazują nierozwiązane relacje spowodowane przez dane jako takie.

Klasyfikacja ewolucyjna

Linie monofiletyczne

Biolodzy zajmujący się ewolucją starają się znaleźć klasyfikację, która pasuje do rozgałęzionego wzorca historii filogenetycznej grup. W trakcie tego procesu opracowano szereg terminów szeroko stosowanych w biologii ewolucyjnej: monofiletyczny, parafiletyczny i polifiletyczny.

Monofiletyczny takson lub linia to taka, która obejmuje gatunek przodków, który jest reprezentowany w węźle, oraz wszystkich jego potomków, ale nie innych gatunków. Ta grupa nazywa się kladem.

Linie monofiletyczne są zdefiniowane na każdym poziomie hierarchii taksonomicznej. Na przykład rodzina kotowatych, linia zawierająca koty (w tym koty domowe), jest uważana za monofiletyczną.

Podobnie Animalia jest również taksonem monofiletycznym. Jak widać, rodzina kotowatych znajduje się w obrębie Animalia, więc można zagnieżdżać grupy monofiletyczne.

Rodowody parafiletyczne i polifiletyczne

Jednak nie wszyscy biologowie podzielają kladystyczne myślenie klasyfikacyjne. W przypadkach, gdy dane nie są kompletne lub po prostu dla wygody, określa się niektóre taksony, które obejmują gatunki z różnych kladów lub wyższych taksonów, które nie mają wspólnego, nowszego, wspólnego przodka.

W ten sposób takson jest polifiletyczny, definiuje się go jako grupę obejmującą organizmy z różnych kladów, które nie mają wspólnego przodka. Na przykład, jeśli chcemy wyznaczyć grupę homeoterm, obejmowałaby ona ptaki i ssaki.

Natomiast grupa parafiletyczna nie obejmuje wszystkich potomków ostatniego wspólnego przodka. Innymi słowy, wyklucza niektórych członków grupy. Najczęściej używanym przykładem są gady, grupa ta nie obejmuje wszystkich potomków ostatniego wspólnego przodka: ptaków.

Aplikacje

Oprócz tego, że przyczyniają się do trudnego zadania wyjaśnienia drzewa życia, filogenezy mają również dość znaczące zastosowania.

W medycynie filogenie są wykorzystywane do śledzenia pochodzenia i szybkości przenoszenia chorób zakaźnych, takich jak AIDS, denga i grypa.

Są również wykorzystywane w biologii konserwatorskiej. Znajomość filogenezy zagrożonego gatunku jest niezbędna do śledzenia wzorców krzyżowania oraz poziomu hybrydyzacji i chowu wsobnego między osobnikami.

Bibliografia

1. Baum, DA, Smith, SD i Donovan, SS (2005). Wyzwanie związane z myśleniem o drzewie. Science, 310 (5750), 979-980.
2. Curtis, H. i Barnes, NS (1994). Zaproszenie na biologię. Macmillan.
3. Hall, BK (red.). (2012). Homologia: Hierarchiczne podstawy biologii porównawczej. Academic Press.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC i Garrison, C. (2001). Zintegrowane zasady zoologii. McGraw - Hill.
5. Hinchliff, CE, Smith, SA, Allman, JF, Burleigh, JG, Chaudhary, R., Coghill, LM, Crandall, KA, Deng, J., Drew, BT, Gazis, R., Gude, K., Hibbett, DS, Katz, LA, Laughinghouse, HD, McTavish, EJ, Midford, PE, Owen, CL, Ree, RH, Rees, JA, Soltis, DE, Williams, T.,… Cranston, KA (2015). Synteza filogenezy i taksonomii w kompleksowe drzewo życia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112 (41), 12764-9.
6. Kardong, KV (2006). Kręgowce: anatomia porównawcza, funkcja, ewolucja. McGraw-Hill.
7. Page, RD i Holmes, EC (2009). Ewolucja molekularna: podejście filogenetyczne. John Wiley & Sons.