DRZEWO FILOGENETYCZNE: RODZAJE I ICH CECHY, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Drzewo filogenetyczne jest matematycznym graficznym przedstawieniem historii i przodek-potomnych relacji grup populacji, gatunków lub innej kategorii taksonomicznych. Teoretycznie wszystkie drzewa filogenetyczne można zgrupować w drzewie życia, stanowiącym drzewo uniwersalne.

Te reprezentacje graficzne zrewolucjonizowały badania biologii ewolucyjnej, ponieważ pozwalają ustalić i zdefiniować gatunek, przetestować różne hipotezy ewolucyjne (takie jak teoria endosymbiotyczna), ocenić pochodzenie chorób (takich jak HIV) itp.

Źródło: John Gould (14 września 1804 - 3 lutego 1881)

Drzewa można rekonstruować za pomocą cech morfologicznych lub molekularnych lub obu. W ten sam sposób istnieją różne metody ich budowy, z których najpowszechniejsza jest metodologia kladystyczna. Ma to na celu identyfikację wspólnych postaci pochodnych, znanych jako synapomorfia.

cechy

Jedną z zasad opracowanych przez Karola Darwina jest wspólne pochodzenie wszystkich żywych organizmów - to znaczy, że wszyscy mamy wspólnego odległego przodka.

W „Pochodzeniu gatunków” Darwin przytacza metaforę „drzewa życia”. W rzeczywistości używa hipotetycznego drzewa graficznego, aby rozwinąć swój pomysł (co ciekawe, jest to jedyna ilustracja pochodzenia).

Reprezentacją tej metafory jest to, co znamy jako drzewa filogenetyczne, które pozwalają nam graficznie przedstawić historię i relacje określonej grupy organizmów.

Anatomia drzewa filogenetycznego

W drzewach filogenetycznych możemy wyróżnić następujące części - kontynuując analogię botaniczną:

Gałęzie: linie drzewa nazywane są „gałęziami” i reprezentują badaną populację w czasie. W zależności od rodzaju drzewa (patrz poniżej) długość gałęzi może mieć znaczenie lub nie.

Na końcach gałęzi znajdujemy organizmy, które chcemy ocenić. Mogą to być istoty, które obecnie żyją lub wymarły. Gatunkiem byłyby liście naszego drzewa.

Korzeń: korzeń to najstarsza gałąź drzewa. Niektórzy je mają i nazywane są drzewami ukorzenionymi, a inni nie.

Węzły: Punkty rozgałęzień gałęzi w dwóch lub więcej liniach nazywane są węzłami. Kropka reprezentuje ostatniego wspólnego przodka grup potomnych (zwróć uwagę, że przodkowie ci są hipotetyczni).

Istnienie węzła implikuje zdarzenie specjacyjne - powstanie nowego gatunku. Następnie każdy gatunek podąża swoim ewolucyjnym biegiem.

Dodatkowa terminologia

Oprócz tych trzech podstawowych pojęć istnieją inne niezbędne terminy, jeśli chodzi o drzewa filogenetyczne:

Politomia: kiedy drzewo filogenetyczne ma więcej niż dwie gałęzie w węźle, mówi się, że istnieje polytomia. W takich przypadkach drzewo filogenetyczne nie jest w pełni rozwiązane, ponieważ relacje między zaangażowanymi organizmami nie są jasne. Często jest to spowodowane brakiem danych i można to naprawić tylko wtedy, gdy naukowiec zgromadzi więcej.

Grupa zewnętrzna: w kwestiach filogenetycznych często słyszy się pojęcie grupy zewnętrznej - zwanej także grupą zewnętrzną. Ta grupa jest wybrana, aby móc zrootować drzewo. Należy go wybrać jako takson, który wcześniej oddzielił się od badanej grupy. Na przykład, jeśli badam szkarłupnie, możesz przegrupować tryskacze morskie.

Rodzaje

Istnieją trzy podstawowe typy drzew: kladogramy, drzewa addytywne i drzewa ultrametryczne.

Kladogramy są najprostszymi drzewami i pokazują pokrewieństwo organizmów pod względem wspólnego pochodzenia. Informacje tego typu drzewa znajdują się we wzorach rozgałęzień, ponieważ rozmiar gałęzi nie ma żadnego dodatkowego znaczenia.

Drugi rodzaj drzewa to dodatek, zwany także drzewami metrycznymi lub filogramami. Długość gałęzi jest związana z ilością zmian ewolucyjnych.

Wreszcie mamy drzewa ultrametryczne lub dendogramy, w których wszystkie wierzchołki drzew znajdują się w tej samej odległości (co nie ma miejsca w filogramie, gdzie wierzchołek może wydawać się niższy lub wyższy niż jego partner). Długość gałęzi jest związana z czasem ewolucyjnym.

Wybór drzewa jest bezpośrednio związany z pytaniem ewolucyjnym, na które chcemy odpowiedzieć. Na przykład, jeśli interesują nas tylko relacje między osobami, do badania wystarczy kladogram.

Najczęstsze błędy podczas czytania drzew filogenetycznych

Chociaż drzewa filogenetyczne są często szeroko stosowanymi wykresami w biologii ewolucyjnej (i biologii ogólnej), wielu studentów i profesjonalistów błędnie interpretuje przesłanie, które te pozornie proste wykresy mają przekazać czytelnikowi.

Nie ma tułowia

Pierwszym błędem jest czytanie ich z boku, zakładając, że ewolucja oznacza postęp. Jeśli dobrze zrozumiemy proces ewolucyjny, nie ma powodu, aby sądzić, że gatunki przodków są po lewej stronie, a bardziej zaawansowane po prawej.

Chociaż botaniczna analogia drzewa jest bardzo przydatna, przychodzi moment, w którym nie jest już tak dokładna. Istnieje kluczowa struktura drzewa, której nie ma w drzewie: pień. W drzewach filogenetycznych nie znajdujemy żadnych głównych gałęzi.

W szczególności niektórzy ludzie mogą uważać człowieka za ostateczny „cel” ewolucji i dlatego gatunek Homo sapiens powinien zawsze znajdować się jako istota ostateczna.

Jednak pogląd ten nie jest zgodny z zasadami ewolucji. Jeśli zrozumiemy, że drzewa filogenetyczne są elementami ruchomymi, możemy umieścić Homo w dowolnej końcowej pozycji drzewa, ponieważ ta cecha nie ma znaczenia w reprezentacji.

Węzły mogą się obracać

Ważną cechą drzew filogenetycznych, którą musimy zrozumieć, jest to, że reprezentują one niestatyczne wykresy.

W nich wszystkie te gałęzie mogą się obracać - tak samo jak telefon komórkowy. Nie mamy na myśli tego, że możemy dowolnie przesuwać gałęzie, ponieważ niektóre ruchy wymagałyby zmiany wzoru lub topologii drzewa. To, co możemy obracać, to węzły.

Aby zinterpretować przesłanie drzewa, nie możemy skupiać się na końcach gałęzi, musimy skupić się na punktach gałęzi, które są najważniejszym aspektem wykresu.

Ponadto musimy pamiętać, że istnieje kilka sposobów narysowania drzewa. Często zależy to od stylu książki czy czasopisma, a zmiany kształtu i położenia gałęzi nie wpływają na informacje, które chcą nam przekazać.

Nie możemy wydedukować istnienia obecnych przodków lub „starych” gatunków

Kiedy mamy zamiar odnosić się do obecnych gatunków, nie powinniśmy nadawać im rodowych konotacji. Na przykład, kiedy myślimy o związkach między szympansami a ludźmi, możemy źle zrozumieć, że szympansy są przodkami naszej linii.

Jednak wspólnym przodkiem szympansów i ludzi nie był żaden z nich. Myślenie, że szympans jest przodkiem, byłoby równoznaczne z założeniem, że jego ewolucja zatrzymała się po rozdzieleniu się obu linii.

Kierując się tą samą logiką tych idei, drzewo filogenetyczne nie mówi nam, czy są też młode gatunki. Ponieważ częstotliwości alleliczne stale się zmieniają, a wraz z upływem czasu zmieniają się nowe postacie, trudno jest określić wiek gatunku, a na pewno drzewo nie daje nam takich informacji.

„Zmiana częstości alleli w czasie” to sposób, w jaki genetyka populacji definiuje ewolucję.

Są niezmienne

Patrząc na drzewo filogenetyczne, musimy zrozumieć, że ten wykres jest po prostu hipotezą wygenerowaną na podstawie konkretnych dowodów. Może się zdarzyć, że jeśli dodamy więcej znaków do drzewa, zmodyfikuje ono swoją topologię.

Kluczowe znaczenie ma wiedza naukowców w zakresie doboru najlepszych postaci do wyjaśnienia powiązań między tymi organizmami. Ponadto istnieją bardzo potężne narzędzia statystyczne, które pozwalają badaczom ocenić drzewa i wybrać najbardziej prawdopodobne.

Przykłady

Trzy domeny życia: Archaea, Bacteria i Eukarya

W 1977 roku badacz Carl Woese zaproponował podzielenie organizmów żywych na trzy domeny: Archaea, Bacteria i Eukarya. Ten nowy system klasyfikacji (wcześniej istniały tylko dwie kategorie, Eukaryota i Prokaryota) był oparty na markerze molekularnym rybosomalnego RNA.

Bakterie i eukarionty to szeroko znane organizmy. Archaea są często mylone z bakteriami. Jednak różnią się one znacznie strukturą składników komórkowych.

Dlatego, chociaż są to mikroskopijne organizmy, takie jak bakterie, członkowie domeny Archaea są bliżej spokrewnieni z eukariotami - ponieważ mają bliższego wspólnego przodka.

Źródło: opracowane przez Marianę Gelambi.

Filogeneza naczelnych

W biologii ewolucyjnej jednym z najbardziej kontrowersyjnych tematów jest ewolucja człowieka. Dla przeciwników tej teorii ewolucja rozpoczynająca się od małpopodobnego przodka, która dała początek współczesnemu człowiekowi, nie jest logiczna.

Kluczową koncepcją jest zrozumienie, że nie wyewoluowaliśmy z obecnych małp człekokształtnych, ale raczej mamy z nimi wspólnego przodka. Na drzewie małp człekokształtnych i ludzi wyróżnia się, że to, co znamy jako „małpa”, nie jest ważną grupą monofiletyczną, ponieważ wyklucza ludzi.

Źródło: opracowane przez Marianę Gelambi.

Filogeneza cetartiodactyla (Cetartiodactyla)

Mówiąc ewolucyjnie, walenie reprezentowały grupę kręgowców, których związki z innymi ssakami nie były zbyt jasne. Pod względem morfologicznym wieloryby, delfiny i inni członkowie w niewielkim stopniu przypominają inne ssaki.

Obecnie dzięki badaniom różnych cech morfologicznych i molekularnych można stwierdzić, że siostrzaną grupę dużych waleni tworzą parzystokopytne - kopytne o równych kopytach.

Źródło: opracowane przez Marianę Gelambi.

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. Kardong, KV (2006). Kręgowce: anatomia porównawcza, funkcja, ewolucja. McGraw-Hill.
6. Kliman, RM (2016). Encyklopedia biologii ewolucyjnej. Academic Press.
7. Losos, JB (2013). Przewodnik po ewolucji Princeton. Princeton University Press.
8. Page, RD i Holmes, EC (2009). Ewolucja molekularna: podejście filogenetyczne. John Wiley & Sons.
9. Rice, SA (2009). Encyklopedia ewolucji. Infobase Publishing.
10. Starr, C., Evers, C. i Starr, L. (2010). Biologia: pojęcia i zastosowania bez fizjologii. Cengage Learning.