Φυλογενική ερμηνεία, τύποι δέντρων, εφαρμογές

Ένα φυλογενία, στην εξελικτική βιολογία, είναι μια αναπαράσταση της εξελικτικής ιστορίας μιας ομάδας οργανισμών ή ενός είδους, με έμφαση στη γραμμή των απογόνων και τις συγγενικές σχέσεις μεταξύ των ομάδων.

Σήμερα, οι βιολόγοι έχουν χρησιμοποιήσει δεδομένα από κυρίως μορφολογία και συγκριτική ανατομία και από αλληλουχίες γονιδίων για την ανασύσταση χιλιάδων και χιλιάδων δένδρων.

Αυτά τα δέντρα προσπαθούν να περιγράψουν την εξελικτική ιστορία των διαφορετικών ειδών ζώων, φυτών, μικροβίων και άλλων οργανικών όντων που κατοικούν στη γη.

Η αναλογία με το δέντρο της ζωής, χρονολογείται από τον χρόνο του Κάρολου Δαρβίνος. Αυτός ο λαμπρός βρετανός φυσιοδίφης αντανακλά στο αριστούργημα "Η καταγωγή των ειδών"Μια ενιαία εικόνα: ένα" δέντρο "που αντιπροσωπεύει τη διακλάδωση των γραμμών, ξεκινώντας από έναν κοινό πρόγονο.

Ευρετήριο

• 1 Τι είναι η φυλογένεση?
• 2 Τι είναι ένα φυλογενετικό δέντρο?
• 3 Πώς ερμηνεύονται τα φυλογενετικά δένδρα?
• 4 Πώς αναδημιουργούνται οι φυλογενίες?
  • 4.1 Ομόλογοι χαρακτήρες
• 5 Είδη δέντρων
• 6 Politomies
• 7 Εξέλιξη ταξινόμησης
  • 7.1 Μονόφιλες γραμμές
  • 7.2 Παραφυλετικές και πολυφατικές γραμμές
• 8 Εφαρμογές
• 9 Αναφορές

Τι είναι μια φυλογένεση?

Υπό το πρίσμα των βιολογικών επιστημών, ένα από τα πιο εκπληκτικά γεγονότα που συνέβησαν είναι η εξέλιξη. Η εν λόγω αλλαγή των οργανικών μορφών με το πέρασμα του χρόνου, μπορεί να εκπροσωπείται σε ένα φυλογενετικό δέντρο. Ως εκ τούτου, η φυλογένεση εκφράζει την ιστορία των γενεαλογιών και τον τρόπο με τον οποίο άλλαξαν με την πάροδο του χρόνου.

Μια από τις άμεσες επιπτώσεις αυτού του γραφήματος είναι κοινή καταγωγή. Δηλαδή, ότι όλοι οι οργανισμοί που βλέπουμε σήμερα έχουν εμφανιστεί ως απόγονοι με τροποποιήσεις προηγούμενων μορφών. Αυτή η ιδέα ήταν μια από τις πιο σημαντικές στην ιστορία της επιστήμης.

Όλες οι μορφές ζωής που μπορούμε να εκτιμήσουμε σήμερα - από μικροσκοπικά βακτήρια, φυτά και μεγαλύτερα σπονδυλωτά - συνδέονται και αυτή η σχέση αντιπροσωπεύεται στο τεράστιο και περίπλοκο δέντρο της ζωής.

Μέσα στην αναλογία του δέντρου, τα είδη που ζουν σήμερα θα αντιπροσωπεύουν τα φύλλα και οι υπόλοιποι κλάδοι θα είναι η εξελικτική τους ιστορία.

Τι είναι ένα φυλογενετικό δέντρο?

Ένα φυλογενετικό δέντρο είναι μια γραφική αναπαράσταση του εξελικτικού ιστορικού μιας ομάδας οργανισμών. Αυτό το πρότυπο των ιστορικών σχέσεων είναι η φυλογένεση που οι ερευνητές προσπαθούν να εκτιμήσουν.

Τα δέντρα αποτελούνται από κόμβους που συνδέονται με τους "κλάδους". Οι τερματικοί κόμβοι του κάθε κλάδου είναι τα τελικά taxa και αντιπροσωπεύουν τις αλληλουχίες ή τους οργανισμούς για τους οποίους είναι γνωστά τα δεδομένα - αυτά μπορεί να είναι ζωντανά ή εξαφανισμένα είδη.

Οι εσωτερικοί κόμβοι αντιπροσωπεύουν υποθετικούς προγόνους, ενώ ο πρόγονος που βρέθηκε στη ρίζα του δέντρου αντιπροσωπεύει τον πρόγονο όλων των ακολουθιών που παριστάνονται στο γράφημα.

Πώς ερμηνεύονται τα φυλογενετικά δένδρα?

Υπάρχουν πολλοί τρόποι να αναπαρασταθεί ένα φυλογενετικό δέντρο. Επομένως, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε αν αυτές οι διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ δύο δέντρων οφείλονται σε διαφορετικές τοπολογίες - δηλαδή σε πραγματικές διαφορές που αντιστοιχούν σε δύο γραφήματα - ή απλά είναι διαφορές που σχετίζονται με το στυλ εκπροσώπησης.

Για παράδειγμα, η σειρά με την οποία οι ετικέτες εμφανίζονται στην κορυφή μπορεί να ποικίλει, χωρίς να αλλάζει η έννοια της γραφικής παράστασης, συνήθως το όνομα του είδους, το γένος, η οικογένεια, μεταξύ άλλων κατηγοριών.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα δέντρα μοιάζουν με ένα κινητό, όπου τα κλαδιά μπορούν να περιστρέφονται χωρίς να αλλάζουν τη σχέση των αντιπροσωπευόμενων ειδών.

Υπό αυτή την έννοια, δεν έχει σημασία πόσες φορές τροποποιείται η σειρά ή περιστρέφονται τα αντικείμενα που «κρέμονται», καθώς δεν αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται - και αυτό είναι το σημαντικό πράγμα.

Πώς ανασυντίθενται οι φυλογενίες?

Τα φυλογένια είναι υποθέσεις που διατυπώνονται βάσει έμμεσων στοιχείων. Η διάλυση μιας φυλογένεσης μοιάζει με το έργο ενός ερευνητή στην επίλυση ενός εγκλήματος ακολουθώντας τα ίχνη της σκηνής του εγκλήματος.

Οι βιολόγοι συχνά υποστηρίζουν τις φυλογενίες τους χρησιμοποιώντας γνώσεις από διάφορους κλάδους, όπως η παλαιοντολογία, η συγκριτική ανατομία, η συγκριτική εμβρυολογία και η μοριακή βιολογία.

Το αρχείο απολιθωμάτων, αν και ελλιπές, παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για τους χρόνους απόκλισης των ομάδων ειδών.

Με το πέρασμα του χρόνου, η μοριακή βιολογία έχει ξεπεράσει όλα τα αναφερθέντα πεδία, και τα περισσότερα φυλογενώματα προέρχονται από μοριακά δεδομένα..

Ο στόχος της ανακατασκευής ενός φυλογενετικού δένδρου συνεπάγεται μια σειρά σημαντικών μειονεκτημάτων. Υπάρχουν περίπου 1,8 εκατομμύρια ονομαζόμενα είδη και πολλά άλλα χωρίς να περιγράφονται.

Και, αν και ένας σημαντικός αριθμός επιστημόνων προσπαθούν καθημερινά να ξαναφτιάξουν σχέσεις μεταξύ ειδών, δεν έχουμε ακόμα ένα πλήρες δέντρο.

Ομόλογοι χαρακτήρες

Όταν οι βιολόγοι επιθυμούν να περιγράψουν τις ομοιότητες μεταξύ δύο δομών ή διαδικασιών, μπορούν να το κάνουν με όρους κοινών προγόνων (ομολογιών), αναλογιών (λειτουργίας) ή ομοψαλίας (μορφολογική ομοιότητα)..

Για να αναδημιουργηθεί μια φυλογένεση, χρησιμοποιούνται μόνο ομόλογοι χαρακτήρες. Η ομολογία είναι μια βασική ιδέα στην εξέλιξη και στην ανασύσταση των σχέσεων μεταξύ των ειδών, αφού μόνο αντανακλά επαρκώς την κοινή προέλευση των οργανισμών.

Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να συμπεράνουμε τη φυλογενία τριών ομάδων: πτηνών, νυχτερίδων και ανθρώπων. Για να επιτύχουμε τον στόχο μας, αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε τα άνω άκρα ως χαρακτηριστικό που μας βοηθά να διακρίνουμε το πρότυπο των σχέσεων.

Δεδομένου ότι τα πτηνά και οι νυχτερίδες έχουν δομές τροποποιημένες για πτήση, θα μπορούσαμε να καταλήξουμε εσφαλμένα στο συμπέρασμα ότι οι νυχτερίδες και τα πουλιά συνδέονται περισσότερο με τους νυχτερίδες στους ανθρώπους. Γιατί καταλήξαμε σε λάθος συμπέρασμα; Επειδή έχουμε χρησιμοποιήσει έναν ανάλογο και μη ομόλογο χαρακτήρα.

Για να βρω τη σωστή σχέση, θα πρέπει να αναζητήσω έναν ομόλογο χαρακτήρα, όπως την παρουσία μαλλιών, μαστικών αδένων και τριών μικρών οστών στο μέσο αυτί - για να αναφέρω μόνο μερικούς. Ωστόσο, οι ομολογίες δεν είναι εύκολο να διαγνωστούν.

Είδη δέντρων

Όχι όλα τα δέντρα είναι τα ίδια, υπάρχουν διαφορετικές γραφικές παραστάσεις και καθένας καταφέρνει να ενσωματώσει κάποια ιδιόμορφα χαρακτηριστικά της εξέλιξης της ομάδας.

Τα πιο βασικά δέντρα είναι τα cladograms. Αυτά τα γραφήματα δείχνουν τις σχέσεις από την άποψη της κοινής καταγωγής (σύμφωνα με τους πιο πρόσφατους κοινούς προγόνους).

Τα δέντρα προσθέτων περιέχουν πρόσθετες πληροφορίες και αντιπροσωπεύονται στο μήκος των κλάδων.

Οι αριθμοί που σχετίζονται με κάθε κλάδο αντιστοιχούν σε κάποια ιδιότητα στην ακολουθία - όπως είναι η ποσότητα της εξελικτικής αλλαγής που έχουν βιώσει οι οργανισμοί. Εκτός από τα "δέντρα προσθέτων", είναι επίσης γνωστά ως μετρικά δένδρα ή φυλογράμματα.

Τα υπερμετρικά δέντρα, που ονομάζονται και μηδενικά, αποτελούν μια ιδιαίτερη περίπτωση προσθέτων δέντρων, όπου οι άκρες του δέντρου είναι ίσες από τη ρίζα στο δέντρο.

Αυτές οι δύο τελευταίες παραλλαγές έχουν όλα τα δεδομένα που μπορούμε να βρούμε σε ένα cladogram, και επιπλέον πληροφορίες. Επομένως, δεν είναι αμοιβαία αποκλειστικά, αν όχι συμπληρωματικά.

Politomies

Πολλές φορές, οι κόμβοι των δέντρων δεν έχουν επιλυθεί πλήρως. Οπτικά, λέγεται ότι υπάρχει μια πολιτική, όταν ένας νέος αφήνει περισσότερα από τρία κλαδιά (υπάρχει ένας μόνο πρόγονος για περισσότερους από δύο άμεσους απογόνους). Όταν ένα δέντρο δεν έχει πολυτομές, λέγεται ότι είναι απόλυτα επιλυμένο.

Υπάρχουν δύο τύποι πολυτομών. Οι πρώτοι είναι οι "σκληροί" πολιτικοί. Αυτά είναι εγγενή στην ομάδα μελέτης και δείχνουν ότι οι απόγονοι εξελίχθηκαν ταυτόχρονα. Εναλλακτικά, οι "μαλακοί" πολυτόμοι υποδεικνύουν ανεπίλυτες σχέσεις που προκαλούνται από δεδομένα αφ 'εαυτού.

Εξελικτική ταξινόμηση

Μονοφυλετικές καταβολές

Οι εξελικτικοί βιολόγοι επιδιώκουν να βρουν μια ταξινόμηση που να συμμορφώνεται με το πρότυπο διακλάδωσης της φυλογενετικής ιστορίας των ομάδων. Σε αυτή τη διαδικασία έχει αναπτυχθεί μια σειρά από όρους που χρησιμοποιούνται ευρέως στην εξελικτική βιολογία: μονοφυσυτικά, παραφυλετικά και πολυφατικά.

Μια ταξινομική ή μονοφυσική γραμμή είναι αυτή που περιλαμβάνει ένα κεντρικό είδος, το οποίο αντιπροσωπεύεται στον κόμβο, και όλους τους απογόνους του, αλλά όχι άλλα είδη. Αυτή η ομαδοποίηση ονομάζεται clade.

Μονοφυλακτικές γραμμές καθορίζονται σε κάθε επίπεδο της ταξινομικής ιεραρχίας. Για παράδειγμα, η οικογένεια Felidae, μια γενεαλογία που περιέχει αιλουροειδή (συμπεριλαμβανομένων των κατοικίδιων γατών), θεωρείται μονοφατική..

Ομοίως, η Animalia είναι επίσης μια μονοφυλετική ταξινομική κατηγορία. Όπως βλέπουμε ότι η οικογένεια Felidae βρίσκεται μέσα στο Animalia, έτσι ώστε οι μονοφολικές ομάδες να μπορούν να ενωθούν.

Παραφυλετικές και πολυφατικές γραμμές

Ωστόσο, δεν είναι όλοι οι βιολόγοι που μοιράζονται την ιδέα της κλασσικής ταξινόμησης. Σε περιπτώσεις όπου τα δεδομένα δεν είναι πλήρη ή απλά για λόγους ευκολίας, ορισμένα taxa ονομάζονται που περιλαμβάνουν είδη διαφορετικών clades ή υψηλότερα taxa που δεν μοιράζονται έναν πιο πρόσφατο κοινό πρόγονο.

Έτσι, μια πολυφατική ταξινομική ομάδα ορίζεται ως μια ομάδα που περιλαμβάνει οργανισμούς διαφορετικών clades, και αυτές δεν μοιράζονται έναν κοινό πρόγονο. Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να ορίσουμε μια ομάδα ομοιοθερμικών, θα περιλαμβάνει πτηνά και θηλαστικά.

Αντίθετα, μια παραφυλετική ομάδα δεν περιέχει όλους τους απογόνους του πιο πρόσφατου κοινού προγόνου. Με άλλα λόγια, αποκλείστε οποιοδήποτε από τα μέλη της ομάδας. Το πιο χρησιμοποιούμενο παράδειγμα είναι τα ερπετά, αυτή η ομάδα δεν περιέχει όλους τους απογόνους του πιο πρόσφατου κοινού προγόνου: πουλιά.

Εφαρμογές

Εκτός από τη συμβολή στο δύσκολο έργο της διαφώτισης του δέντρου της ζωής, οι φυλογενίες έχουν επίσης κάποιες αρκετά σημαντικές εφαρμογές.

Στον τομέα της ιατρικής, οι φυλογενίες χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ποσοστών προέλευσης και μετάδοσης λοιμωδών νοσημάτων, όπως το AIDS, το δάγκειο και η γρίπη.

Χρησιμοποιούνται επίσης στον κλάδο της βιολογίας διατήρησης. Η γνώση της φυλογένεση των απειλούμενων ειδών είναι ουσιαστικής σημασίας για την παρακολούθηση των προτύπων και τη υβριδισμό των ισόπεδων διαβάσεων και ενδογαμία μεταξύ των ατόμων.

Αναφορές

1. Baum, D.A., Smith, S.D. & Donovan, S.S (2005). Η πρόκληση για το δέντρο. Επιστήμη, 310(5750), 979-980.
2. Curtis, Η., & Barnes, Ν. S. (1994). Πρόσκληση στη βιολογία. Macmillan.
3. Hall, Β. Κ. (Ed.). (2012). Ομολογία: Η ιεραρχική βάση της συγκριτικής βιολογίας. Academic Press.
4. Hickman, C.Ρ., Roberts, L.S., Larson, Α., Ober, W.C., & Garrison, C. (2001). Ολοκληρωμένες αρχές της ζωολογίας. McGraw-Hill.
5. Hinchliff, CE, Smith, Α.Ε., Allman, JF, Burleigh, JG, Chaudhary, R., Coghill, LM, Crandall, ΚΑ, Deng, J., Drew, ΒΤ, Γαζής, R., Gude, Κ, Hibbett, DS, Katz, LA, Laughinghouse, HD, McTavish, EJ, Midford, ΡΕ, Owen, CL, Ree, RH, Rees, JA, Soltis, DE, Williams, Τ, ... Cranston, ΚΑ (2015). Σύνθεση της φυλογενίας και της ταξονομίας σε ένα ολοκληρωμένο δέντρο της ζωής. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής, 112(41), 12764-9.
6. Kardong, Κ. V. (2006). Σπονδυλωτά: συγκριτική ανατομία, λειτουργία, εξέλιξη. McGraw-Hill.
7. Page, R. D., & Holmes, Ε. C. (2009). Μοριακή εξέλιξη: μια φυλογενετική προσέγγιση. John Wiley & Sons.