Ақпарат

11.2: Эволюциялық байланыстарды анықтау – Биология

11.2: Эволюциялық байланыстарды анықтау – Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ғалымдар организмдер арасында эволюциялық байланыстар жасауға мүмкіндік беретін ақпаратты жинайды. Филогенез жағдайында эволюциялық зерттеулер дәлелдемелердің екі түріне назар аударады: морфологиялық (форма және функция) және генетикалық.

Ұқсастықтың екі өлшемі

Физикалық белгілері ұқсас организмдер және генетикалық тізбектер, әдетте, жоққа қарағанда тығыз байланысты. Морфологиялық жағынан да, генетикалық жағынан да қабаттасатын белгілер гомологиялық құрылымдарға жатады; ұқсастықтар жалпы эволюциялық жолдардан туындайды. Мысалы, 12.2.1-суретте көрсетілгендей, жарқанаттар мен құстардың қанатындағы, адамның қолындағы, жылқының алдыңғы аяғындағы сүйектер гомологиялық құрылымдар. Байқаңыз, бұл құрылым жай ғана сүйек емес, құрылымның элементтері пішіні мен өлшемін өзгерткен болса да, әр ағзада ұқсас түрде орналасқан бірнеше сүйектер тобы.

Жаңылыстыратын көріністер

Кейбір организмдер өте тығыз байланысты болуы мүмкін, дегенмен шамалы генетикалық өзгеріс олардың мүлдем басқаша көрінуі үшін үлкен морфологиялық айырмашылықты тудырды. Мысалы, 12.2.2-суретте бас сүйектері көрсетілген шимпанзелер мен адамдар генетикалық жағынан өте ұқсас, 99 пайызды құрайды.1 олардың гендерінен. Дегенмен, шимпанзелер мен адамдар айтарлықтай анатомиялық айырмашылықтарды көрсетеді, соның ішінде ересек адамда жақтың шығу дәрежесі және қолдарымыз бен аяқтарымыздың салыстырмалы ұзындығы.

Дегенмен, туыс емес организмдер бір-бірінен алыс туысқан болуы мүмкін, бірақ олар өте ұқсас болып көрінуі мүмкін, әдетте қоршаған ортаның ұқсас жағдайларына бейімделу екеуінде де дамыды. Мысал ретінде сүтқоректілер болып табылатын балықтар мен киттердің ықшамдалған дене пішіндерін, қанаттар мен қосымшалардың пішіндерін және құйрықтардың пішінін келтіруге болады. Бұл құрылымдардың үстірт ұқсастығы бар, өйткені олар бір ортада - суда қозғалуға және маневр жасауға бейімделген. Ұқсас сипаттама тығыз эволюциялық қатынасқа байланысты емес, адаптивті конвергенция (конвергентті эволюция) арқылы пайда болса, оны аналогтық құрылым деп атайды. Басқа мысалда, жәндіктер жарқанаттар мен құстар сияқты ұшу үшін қанаттарын пайдаланады. Біз оларды екі қанат деп атаймыз, өйткені олар бірдей қызмет атқарады және үстірт ұқсас пішінге ие, бірақ екі қанаттың эмбриональды шығу тегі мүлдем басқа. Әр жағдайда қанаттардың дамуындағы немесе эмбриогенезіндегі айырмашылық жәндіктер мен жарқанаттардың немесе құстардың қанаты бар ортақ ата-бабалары жоқ екендігінің белгісі. 12.2.3-суретте көрсетілген қанат құрылымдары екі линияда дербес дамыды.

Ұқсас белгілер гомологиялық немесе ұқсас болуы мүмкін. Гомологиялық белгілер осы белгінің дамуына әкелген эволюциялық жолды бөліседі, ал аналогтық белгілер жоқ. Ғалымдар зерттелетін организмдердің филогенезін ашу үшін белгінің қандай ұқсастық түрін көрсететінін анықтауы керек.

12.2.3-сурет: Бал арасының қанаты пішіні жағынан құс қанаты мен жарқанат қанатына ұқсайды және бірдей қызмет атқарады (ұшады). Құс пен жарқанат қанаттары гомологтық құрылымдар. Дегенмен, бал арасының қанатының құрылымы (ол сүйек эндоскелеті емес, хитинді экзоскелеттен жасалған) және эмбриональды шығу тегі басқа. Ара мен құс немесе жарқанат қанаттарының түрлері эволюциялық тарихпен бөліспейтін ұқсас құрылымдарды көрсетеді. (суретті несиелеу: АҚШ-тың BLM жұмысын өзгерту; б кредиті: Стив Хиллебрандтың жұмысын өзгерту, USFWS; c кредиті: Джон Салливанның жұмысын өзгерту)

ӘРЕКЕТТІ КОНЦЕПЦИЯ

Бұл веб-сайтта сыртқы көріністердің организмдердің филогенетикалық қарым-қатынастарын түсінуде жаңылыстыруға болатынын көрсететін бірнеше мысалдар бар.

Молекулалық салыстыру

ДНҚ технологиясының дамуымен ДНҚ секвенциясын қоса алғанда, молекулалық деңгейде ақпаратты пайдалануды сипаттайтын молекулалық систематика саласы гүлденді. Молекулалық белгілердің жаңа талдауы көптеген бұрынғы жіктеулерді растап қана қоймай, бұрын жіберілген қателерді де ашады. Молекулалық белгілер белоктың аминқышқылдарының тізбегіндегі айырмашылықтарды, геннің жеке нуклеотидтер тізбегіндегі айырмашылықтарды немесе гендердің орналасуындағы айырмашылықтарды қамтуы мүмкін. Молекулалық белгілерге негізделген филогениялар екі ағзадағы реттілік неғұрлым ұқсас болса, соғұрлым олар бір-бірімен тығыз байланысты деп есептейді. Әртүрлі гендер эволюциялық түрде әртүрлі жылдамдықпен өзгереді және бұл олардың қарым-қатынастарды анықтауда пайдалы деңгейіне әсер етеді. Жылдам дамып келе жатқан тізбектер жақын түрлер арасындағы қарым-қатынастарды анықтау үшін пайдалы. Баяу дамып келе жатқан тізбектер алыс туыстас түрлер арасындағы қарым-қатынастарды анықтау үшін пайдалы. Эукария мен Архей сияқты өте әр түрлі түрлер арасындағы қарым-қатынасты анықтау үшін қолданылатын гендер рибосомалық РНҚ гендері сияқты екі топта да бар өте көне, баяу дамып келе жатқан гендер болуы керек. Филогенетикалық ағаштарды әртүрлі тізбектерді пайдаланып салыстыру және олардың ұқсастығын табу болжамды қатынастарға сенімділікті арттыруға көмектеседі.

Кейде алыс туысқан организмдердегі ДНҚ-ның екі сегменті бір жерлерде негіздердің жоғары пайызын кездейсоқ бөліседі, бұл организмдердің бір-бірімен тығыз байланысты болып көрінуіне себеп болады, олар болмаса. Мысалы, жеміс шыбыны ДНҚ-ның 60 пайызын адамдармен бөліседі.2 Бұл жағдайда нақты байланыстарды анықтауға көмектесетін компьютерлік статистикалық алгоритмдер әзірленді, сайып келгенде, морфологиялық және молекулалық ақпаратты біріктіріп пайдалану филогенезді анықтауда тиімдірек болады.

ӘРЕКЕТТЕГИ ЭВОЛЮЦИЯ: Филогенез неліктен маңызды?

Түрлердің эволюциялық тарихы туралы түсінігімізді кеңейтумен қатар, филогенетикалық талдаудың көптеген практикалық қолданбалары бар. Осы қолданбалардың екеуі аурудың эволюциясы мен берілуін түсінуді және табиғатты қорғау шаралары туралы шешім қабылдауды қамтиды. 2010 жылғы зерттеу3MRSA (метициллинге төзімді Staphylococcus aureus), антибиотикке төзімді патогенді бактерия соңғы 40 жыл ішінде штаммның шығу тегі мен таралуын бақылаған. Зерттеу төзімді штамның Еуропадағы шығу нүктесінен Оңтүстік Америкадағы, Азиядағы, Солтүстік Америкадағы және Австралиядағы инфекция және эволюция орталықтарына ауысу уақыты мен заңдылықтарын ашты. Зерттеу бактериялардың жаңа популяцияларға енуі өте аз, мүмкін тек бір рет болғанын, содан кейін осы шектеулі адамдардан таралатынын көрсетті. Бұл көптеген адамдардың бактерияларды бір жерден екінші жерге тасымалдау мүмкіндігінен айырмашылығы. Бұл нәтиже денсаулық сақтау қызметкерлері оның таралуын бақылау үшін бактериялардың жаңа штаммын жұқтырған адамдардың контактілерін жылдам анықтауға шоғырлануы керек екенін көрсетеді.

Филогенетикалық талдаудың екінші пайдалы саласы - сақтау. Биологтар ағаштың бір бұтағынан емес, бүкіл филогенетикалық ағаштағы түрлерді қорғау маңызды деп санайды. Мұны істеу эволюция нәтижесінде пайда болған вариацияның көбірек бөлігін сақтайды. Мысалы, табиғатты қорғау күш-жігерін жақында ғана дамыған жақын туыстық түрлердің кластері бар басқа түрге емес, бауырлас түрі жоқ бір түрге бағыттау керек. Егер эволюциялық тұрғыдан ерекшеленген жалғыз түр жойылып кетсе, бір-бірімен тығыз байланысты түрлер кластеріндегі бір түрмен салыстырғанда ағаштағы вариацияның пропорционалды емес мөлшері жоғалады. 2007 жылы жарияланған зерттеу4 Сүтқоректілердің түрлерінің эволюциялық айырмашылығына және жойылу қаупіне байланысты бүкіл әлемде сақталуы бойынша ұсыныстар жасады. Зерттеу олардың ұсыныстары түрдің жойылу қаупінің деңгейіне негізделген басымдықтардан ерекшеленетінін анықтады. Зерттеуде орангутандар, алып және кіші пандалар, африкалық және азиялық пілдер сияқты кейбір қауіп төнген және құнды ірі сүтқоректілерді қорғау ұсынылды. Бірақ олар сондай-ақ кейбір әлдеқайда аз белгілі түрлердің эволюциялық айырмашылығына қарай қорғалуы керек екенін анықтады. Оларға бірқатар кеміргіштер, жарғанаттар, бұталар мен кірпілер жатады. Сонымен қатар, бұғы тышқандары мен қарақұйрықтардың түрлерін қоса алғанда, эволюциялық ерекшелікте аса маңызды бағаланбаған, жойылып кету қаупі төнген кейбір түрлер бар. Көптеген критерийлер табиғатты қорғау шешімдеріне әсер еткенімен, филогенетикалық әртүрлілікті сақтау эволюция нәтижесінде пайда болған әртүрліліктің толық ауқымын қорғаудың объективті жолын қамтамасыз етеді.

Филогенетикалық ағаштарды салу

Ғалымдар филогенетикалық ағаштарды қалай жасайды? Қазіргі уақытта филогенетикалық ағаштарды құрудың ең танымал әдісі - кладистика деп аталатын әдіс. Бұл әдіс организмдерді кластарға, бір-бірімен ең тығыз байланысты организмдер топтарына және олар шыққан атаға сұрыптайды. Мысалы, 12.2.4-суретте көлеңкелі аймақтағы барлық организмдер амниотикалық жұмыртқалары бар бір атадан пайда болған. Демек, бұл организмдердің барлығында да амниотикалық жұмыртқалар бар және монофилетикалық топ деп аталатын бір класты құрайды. Кладтар тектік түрлерді және тармақтан алынған барлық ұрпақтарды қамтуы керек.

ӨНЕР БАЙЛАНЫСЫ

Кесірткелер, қояндар және адамдар амниотикалық жұмыртқа пайда болған ортақ атадан шыққан. Осылайша, кесірткелер, қояндар және адамдар Амниота класына жатады. Омыртқалылар - бұл балықтар мен шамшырақтардан тұратын үлкенірек топ.

Бұл суреттегі жануарлардың қайсысы жүні бар жануарларды қамтитын тұқымдасқа жатады? Қайсысы бірінші болып дамыды: шаш немесе амниотикалық жұмыртқа?

Түйіндер қай тармақ нүктесіне сілтеме жасалатынына байланысты өлшемдері әртүрлі болуы мүмкін. Маңызды фактор - класты немесе монофилетикалық топтағы барлық организмдер ағаштың бір нүктесінен туындайды. Мұны есте сақтауға болады, өйткені монофилетикалық «моно», яғни бір және «филетикалық» эволюциялық қатынасқа ыдырайды.

Ортақ сипаттамалар

Кладистика үш болжамға сүйенеді. Біріншісі, тірі организмдердің ортақ атадан шығу тегі бойынша туысқандығы, бұл эволюцияның жалпы болжамы. Екіншісі, түрлену бір түрдің екіге бөлінуі арқылы жүреді, бір уақытта екіден көп емес және негізінен бір уақытта. Бұл біршама даулы, бірақ биологтардың көпшілігі үшін жеңілдету ретінде қолайлы. Үшінші болжам - бұл белгілер уақыт өте келе басқа күйде болуы үшін жеткілікті түрде өзгереді. Сондай-ақ, күй үшін өзгерістердің нақты бағытын анықтауға болады деп болжанады. Басқаша айтқанда, амниотикалық жұмыртқа амниотикалық емес жұмыртқаларға қарағанда кеш сипаттағы күй деп есептейміз. Бұл кейіпкердің өзгеруінің полярлығы деп аталады. Біз мұны кладтан тыс топқа сілтеме жасау арқылы білеміз: мысалы, жәндіктердің амниотикалық емес жұмыртқалары бар; сондықтан бұл ескі немесе ата-баба сипатының күйі. Кладистика ішкі және сыртқы топтарды салыстырады. Ішкі топ (біздің мысалдағы кесіртке, қоян және адам) - талданатын таксондар тобы. Сыртқы топ (біздің мысалдағы ланцлет, шамшырақ және балық) - қызығушылық тобын (топтарын) қамтитын тектен бұрын бөлінген түр немесе түрлер тобы. Ішкі топ мүшелерін бір-бірімен және сыртқы топ мүшелерімен салыстыра отырып, ішкі топ филогенезінің тармақтық нүктелерін анықтайтын эволюциялық модификациялар қандай сипаттамалар екенін анықтай аламыз.

Егер белгі топ мүшелерінің барлығында табылса, ол ортақ тектік сипат болып табылады, өйткені саптың әрбір мүшесінің шығуы кезінде қасиет өзгермеген. Бұл белгілер кладты біріктіретіндіктен қызықты болып көрінгенімен, кладистикада олар топ мүшелерінің қарым-қатынасын анықтауға тырысқанда пайдалы емес деп саналады, өйткені әрбір мүше бірдей. Керісінше, 12.2.4-суреттегі амниотикалық жұмыртқаның сипаттамасын қарастырыңыз. Бұл белгі тек кейбір ағзаларда болады, ал барларға ортақ туынды сипат деп аталады, өйткені бұл белгі шығу кезінде белгілі бір уақытта өзгерді. Бұл кейіпкер бізге топ мүшелері арасындағы қарым-қатынас туралы айтады; ол бізге кесірткелердің, қояндардың және адамдардың балықтармен, шамшырақтармен және ланцлеттермен салыстырғанда осы организмдердің кез келгеніне қарағанда жақынырақ топтасатынын айтады.

«Ата-баба» және «туынды» таңбалардың кейде шатастыратын аспектісі - бұл терминдер салыстырмалы. Қолданылатын диаграммаға және салыстырылатын организмдерге байланысты бірдей белгі тектік немесе алынған болуы мүмкін. Ғалымдар бұл терминдерді филогенетикалық ағаштарды салу кезінде қабаттарды ажырату кезінде пайдалы деп санайды, бірақ олардың мағынасы контекстке байланысты екенін есте ұстаған жөн.

Дұрыс қарым-қатынастарды таңдау

Кейіпкерлер деректерінен филогенетикалық ағашты немесе кладограмманы құру әдетте компьютерге жүктелетін монументалды міндет болып табылады. Компьютер барлық кластар туынды таңбалардың бірдей тізімін бөлісетіндей ағаш салады. Бірақ қабылданатын басқа шешімдер бар, мысалы, класта түрдің болуы бір кластан басқа барлық ортақ туынды таңбалармен қолдау көрсетсе ше? Бір қорытынды: бұл белгі ата-бабада дамып, кейін сол бір түрде қайта өзгерді. Сондай-ақ, екі қатарда пайда болатын таңба күйі сол сыныптарда тәуелсіз дамыған деп болжауға тиіс. Бұл сәйкессіздіктер таңба деректерінен алынған ағаштарда жиі кездеседі және қай ағаш таксондар арасындағы нақты қатынастарды неғұрлым жақын көрсететіні туралы шешім қабылдау процесін қиындатады.

Ең жақсы ағашты таңдаудың орасан зор міндетіне көмектесу үшін ғалымдар көбінесе максималды парсимония деп аталатын тұжырымдаманы пайдаланады, бұл оқиғалар ең қарапайым, ең айқын жолмен болғанын білдіреді. Бұл «ең жақсы» ағаш таңбаны өзгертудің ең аз саны, тәуелсіз таңба өзгерістерінің ең аз саны және бүкіл ағашта таңба өзгерістерінің ең аз саны екенін білдіреді. Компьютерлік бағдарламалар ең қарапайым эволюциялық жолдары бар ағаштардың аз санын табу үшін барлық ықтимал ағаштарды іздейді. Ағзалар тобындағы барлық гомологиялық белгілерден бастап, ғалымдар бұл белгілердің ең айқын және қарапайым болып табылатын эволюциялық оқиғалардың ретін анықтай алады.

ӘРЕКЕТТІ КОНЦЕПЦИЯ

Практика Парсимония: Филогенетикалық ағаштарды жасау үшін максималды парсимония қалай қолданылатынын білу үшін осы веб-сайтқа өтіңіз (екінші бетке өтуді ұмытпаңыз).

Бұл құралдар мен тұжырымдамалар ғалымдар Жердегі тіршіліктің эволюциялық тарихын ашу міндетін шешу үшін қолданатын стратегиялардың бірнешеуі ғана. Жақында жаңа технологиялар күтпеген қарым-қатынастары бар таңғаларлық жаңалықтарды ашты, мысалы, саңырауқұлақтар өсімдіктерге қарағанда, адамдар саңырауқұлақтармен тығыз байланысты. Сенгісіз естіледі ме? ДНҚ тізбегі туралы ақпарат өскен сайын, ғалымдар жер бетіндегі барлық тіршіліктің эволюциялық тарихын картаға түсіруге жақындай түседі.

Бөлімнің қысқаша мазмұны

Филогенетикалық ағаштарды құру үшін ғалымдар организмдер арасында эволюциялық байланыстар жасауға мүмкіндік беретін кейіпкерлер туралы ақпаратты жинауы керек. Морфологиялық және молекулалық деректерді пайдалана отырып, ғалымдар гомологиялық сипаттамалар мен гендерді анықтау үшін жұмыс істейді. Организмдер арасындағы ұқсастықтар ортақ эволюциялық тарихтан (гомологиялардан) немесе бөлек эволюциялық жолдардан (аналогиялардан) туындауы мүмкін. Гомологиялық ақпарат анықталғаннан кейін ғалымдар эволюциялық уақыт кестесін анықтау құралы ретінде осы оқиғаларды ұйымдастыру үшін кладистиканы пайдаланады. Ғалымдар оқиғалардың ең ықтимал реті, мүмкін, ең қарапайым ең қысқа жол екенін көрсететін максималды парсимония тұжырымдамасын қолданады. Эволюциялық оқиғалар үшін бұл дәлелдермен сәйкес келетін негізгі алшақтықтардың ең аз саны бар жол болар еді.

12.2.3-сурет Бұл суретте қандай жануарлар жүні бар жануарларды қамтитын тұқымдасқа жатады? Қайсысы бірінші болып дамыды: шаш немесе амниотикалық жұмыртқа?

Қояндар мен адамдар жүні бар жануарларды қамтитын класқа жатады. Амниотикалық жұмыртқа шаштан бұрын пайда болды, өйткені Амниота тұқымы жүні бар жануарларды қамтитын тұқымға қарағанда ертерек таралады.

Көп таңдау

Аналогия туралы қай тұжырым дұрыс?

A. Олар тек қателер ретінде пайда болады.
B. Олар гомологтық белгілермен синоним.
C. Олар қоршаған ортаның ұқсас қысымдарына жауап беру арқылы алынған.
D. Олар мутацияның бір түрі болып табылады.

C

Кладистика үшін қандай қасиет маңызды?

A. ортақ туынды белгілер
B. ортақ ата-баба қасиеттері
C. ұқсас белгілер
D. парсимониялық қасиеттер

А

Бір кластың бөлігі болып табылатын организмдер туралы не айтуға болады?

A. Олардың барлығы бірдей негізгі сипаттамаларға ие.
B. Олар ортақ атадан тараған.
C. Олардың барлығы бір ағашта.
D. Олардың филогенездері бірдей.

Б

Кладистиканың қандай болжамы қате айтылған?

A. Тірі заттар бір атадан тараған.
B. Түрі бір, екі немесе үш жаңа түр тудыруы мүмкін.
C. Белгілер бір күйден екінші күйге ауысады.
D. Таңба күйінің өзгеруінің полярлығын анықтауға болады.

Б

Монофилдік топ - __________.

A. филогенетикалық ағаш
B. ортақ туынды қасиет
C. кейіпкер күйі
D. clade

D

Еркін жауап

Дельфиндер мен балықтардың дене пішіндері ұқсас. Бұл қасиет гомологтық немесе аналогтық қасиет болуы мүмкін бе?

Дельфиндер сүтқоректілер, ал балықтар емес, яғни олардың эволюциялық жолдары (филогенезі) біршама бөлек. Дельфиндер судағы өмір салтына оралғаннан кейін ұқсас дене жоспарына бейімделген болуы мүмкін, сондықтан бұл қасиет ұқсас болуы мүмкін.

Максималды парсимонияны сипаттаңыз.

Максималды парсимония оқиғалардың ең қарапайым, ең айқын жолмен болғанын болжайды және эволюция жолы қолдағы дәлелдермен сәйкес келетін ең аз маңызды оқиғаларды қамтуы мүмкін.

Биолог кейіпкердің өзгеру полярлығын қалай анықтайды?

Биолог филогенезі дамып жатқан топтан тыс организмдегі кейіпкердің күйіне қарайды. Мінездің өзгеруінің полярлығы сыртқы топтағы кейіпкердің күйінен екінші күйге дейін.

Сілтемелер

  1. 1 Гиббонс, А. (2012, 13 маусым). Қазір ғылым. news.sciencemag.org/scienceno...sequenced.html сайтынан алынды
  2. 2 Салыстырмалы геномдық талдау туралы мәліметтер. (2002, желтоқсан). http://www.genome.gov/10005835 сайтынан алынды
  3. 3 Харрис, С.Р. т.б. 2010. MRSA эволюциясы ауруханада берілу және континентаралық таралу кезінде. Ғылым 327:469–474.
  4. 4 Исаак Н.Дж., Турвей С.Т., Коллен Б, Уотерман С, Бейли Джей (2007) EDGE сүтқоректілері: қауіп пен филогенезге негізделген сақтау басымдықтары. PLoS ONE 2(3): e296. doi:10.1371/journal.pone.0000296

Глоссарий

ұқсас құрылым
ортақ атадан шыққанына байланысты емес, конвергентті эволюцияға байланысты ұқсас көрінетін екі таксонда кездесетін кейіпкер
клад
ортақ туынды таңбалар жиынтығы бар таксондар тобы, оның ішінде тектік түр мен оның барлық ұрпақтары
кладистика
организмдерді жіктеу үшін қолданылатын негізгі критерий ретінде ортақ ұрпақты пайдалана отырып, филогенезді сипаттау үшін гомологиялық белгілерді ұйымдастыру үшін қолданылатын әдіс
максималды парсимония
ең аз қадамдармен қарапайым, ең айқын әдісті қолдану
молекулалық систематика
филогенетикалық байланыстарды анықтау үшін молекулалық дәлелдемелерді қолдану әдістері
монофилиялық топ
(сонымен қатар, клад) бір атадан тарайтын организмдер
ортақ ата-баба сипаты
филогенетикалық тармақтағы белгілі бір класқа ортақ болатын кейіпкер

Ұқсастықтардың екі нұсқасы

Жалпы алғанда, ұқсас физикалық белгілері мен геномдары бар организмдер ұқсас еместерге қарағанда жақынырақ. Морфологиялық жағынан да (формасы жағынан) да, генетикалық жағынан да қабаттасатын мұндай белгілерді гомологиялық құрылымдарға жатқызамыз. Олар эволюцияға негізделген даму ұқсастықтарынан туындайды. Мысалы, жарқанат пен құс қанатындағы сүйектер гомологтық құрылымдарға ие (сурет).

Жарқанаттар мен құстардың қанаттары гомологиялық құрылымдар болып табылады, бұл жарқанаттар мен құстардың жалпы эволюциялық өткенін бөлісетінін көрсетеді. (а кредиті: Стив Хиллебранд жасаған жұмысты өзгерту, USFWS кредиті b: жұмысты АҚШ DOI BLM арқылы өзгерту)

Назар аударыңыз, бұл жай ғана бір сүйек емес, ұқсас түрде орналасқан бірнеше сүйектер тобы. Мүмкіндік неғұрлым күрделі болса, соғұрлым кез келген қабаттасу жалпы эволюциялық өткенге байланысты болуы мүмкін. Елестетіп көріңізші, әртүрлі елдерден келген екі адам бұрынғы немесе ортақ білімі жоқ, бөлшектері бірдей және дәл сол тәртіпте көлік ойлап тапты. Бұл нәтиже өте мүмкін емес болар еді. Алайда, егер екі адам екеуі де балғаны ойлап тапқан болса, екеуі де бір-бірінің көмегінсіз бастапқы идеяға ие болуы мүмкін деген негізді қорытынды жасауға болады. Күрделілік пен ортақ эволюциялық тарих арасындағы бірдей қатынас организмдердегі гомологиялық құрылымдарға қатысты.


Эволюциялық қатынастарды анықтау

Ғалымдар организмдер арасында эволюциялық байланыстар жасауға мүмкіндік беретін нақты ақпаратты жинауы керек. Детективтік жұмыс сияқты ғалымдар фактілерді ашу үшін дәлелдемелерді пайдалануы керек. Филогенез жағдайында эволюциялық зерттеулер дәлелдемелердің екі түріне назар аударады: морфологиялық (форма және функция) және генетикалық.

Ұқсастықтардың екі нұсқасы

Жалпы алғанда, ұқсас физикалық белгілері мен геномдары ортақ организмдер, әдетте, ұқсас еместерге қарағанда тығыз байланысты. Екеуін де үйлестіретін мұндай ерекшеліктер морфологиялық (формада) және генетикалық деп аталады гомологиялық құрылымдар олар эволюцияға негізделген даму ұқсастықтарынан туындайды. Мысалы, жарқанаттар мен құстардың қанатындағы сүйектер гомологиялық құрылымдарға ие (1-сурет).

1-сурет: Жарқанаттар мен құстардың қанаттары гомологиялық құрылымдар болып табылады, бұл жарқанаттар мен құстардың жалпы эволюциялық өткенін бөлісетінін көрсетеді. (а кредиті: Стив Хиллебранд жасаған жұмысты өзгерту, USFWS кредиті b: жұмысты АҚШ DOI BLM арқылы өзгерту. OpenStax ұсынған “гомологиялық құрылымдар” CC BY 4.0 бойынша лицензияланған)

Назар аударыңыз, бұл жай ғана бір сүйек емес, ұқсас түрде орналасқан бірнеше сүйектер тобы. Мүмкіндік неғұрлым күрделі болса, соғұрлым кез келген қабаттасу жалпы эволюциялық өткенге байланысты болуы мүмкін. Елестетіп көріңізші, әртүрлі елдерден келген екі адам бұрынғы немесе ортақ білімі жоқ, бөлшектері бірдей және дәл сол тәртіпте көлік ойлап тапты. Бұл нәтиже өте мүмкін емес болар еді. Алайда, егер екі адам екеуі де балғаны ойлап тапқан болса, екеуі де бір-бірінің көмегінсіз бастапқы идеяға ие болуы мүмкін деген қорытындыға келу орынды болар еді. Күрделілік пен ортақ эволюциялық тарих арасындағы бірдей қатынас организмдердегі гомологиялық құрылымдарға қатысты.

Жаңылыстыратын көріністер

Кейбір организмдер өте тығыз байланысты болуы мүмкін, дегенмен шамалы генетикалық өзгеріс олардың мүлдем басқаша көрінуі үшін үлкен морфологиялық айырмашылықты тудырды. Сол сияқты, туыссыз организмдер де алыс туысқан болуы мүмкін, бірақ өте ұқсас болып көрінеді. Бұл әдетте екі организмнің де қоршаған ортаның ұқсас жағдайларында дамыған ортақ бейімделуінде болғандығынан болады. Ұқсас сипаттамалар тығыз эволюциялық байланысқа байланысты емес, қоршаған ортаның шектеулеріне байланысты пайда болса, ол ан деп аталады ұқсастық немесе гомоплазия. Мысалы, жәндіктер жарқанаттар мен құстар сияқты қанаттарын пайдаланады, бірақ қанатының құрылымы мен эмбриональды шығу тегі мүлдем басқа. Бұлар деп аталады ұқсас құрылымдар (2-сурет).

Ұқсас белгілер гомологтық немесе аналогтық болуы мүмкін. Гомологиялық құрылымдардың эмбриондық шығу тегі ұқсас ұқсас органдардың қызметі ұқсас. Мысалы, киттің алдыңғы жүзбегіндегі сүйектер адамның қолындағы сүйектерге ұқсас. Бұл құрылымдар ұқсас емес. Көбелектің қанаттары мен құстың қанаттары ұқсас, бірақ гомолог емес. Кейбір құрылымдар аналогты да, гомологты да болады: құстың қанаттары мен жарқанаттың қанаттары бір мезгілде гомологтық және ұқсас. Ғалымдар зерттелетін ағзалардың филогенезін ашу үшін белгінің қандай ұқсастық түрін көрсететінін анықтауы керек.

2-сурет: Бал арасының (c) қанаты пішіні бойынша (b) құс қанатына және (а) жарғанат қанатына ұқсас және ол бірдей қызмет атқарады. Дегенмен, бал арасының қанаты сүйектерден тұрмайды және оның құрылымы мен эмбриональды шығу тегі айтарлықтай ерекшеленеді. Бұл қанат түрлері (жарқанат пен құсқа қарсы жәндіктер) эволюциялық тарихпен бөліспейтін ұқсас құрылымдарды көрсетеді. (а кредиті: Стив Хиллебранд жасаған жұмысты өзгерту, USFWS кредиті b: жұмысты АҚШ DOI BLM кредиті бойынша өзгерту c: Джон Салливанның жұмысты өзгертуі. OpenStax ұсынған “аналогия” CC BY 4.0 бойынша лицензияланған)

Молекулалық салыстыру

ДНҚ технологиясының дамуымен ДНҚ талдауын қоса алғанда, молекулалық деңгейде ақпаратты пайдалануды сипаттайтын молекулалық систематика саласы гүлденді. Жаңа компьютерлік бағдарламалар көптеген бұрын жіктелген ағзаларды растап қана қоймайды, сонымен қатар бұрын жіберілген қателерді де ашады. Физикалық сипаттамалар сияқты, кейбір жағдайларда тіпті ДНҚ тізбегін оқу қиын болуы мүмкін. Кейбір жағдайларда, генетикалық кодтың өзгеруіне әкелетін мутация орын алса, бір-бірімен өте жақын екі ағза байланыссыз болып көрінуі мүмкін. Енгізу немесе жою мутациясы әрбір нуклеотидтік негізді бір орынға жылжытады, бұл екі ұқсас кодтың байланыссыз болып көрінуіне әкеледі.

Кейде алыс туыстас организмдердегі ДНҚ кодының екі сегменті кездейсоқ бір жерде негіздердің жоғары пайызын бөліседі, бұл организмдердің бір-бірімен тығыз байланысты болып көрінуіне себепші болады. Осы екі жағдай үшін де нақты байланыстарды анықтауға көмектесетін компьютерлік технологиялар әзірленді және, сайып келгенде, морфологиялық және молекулалық ақпаратты біріктіріп пайдалану филогенезді анықтауда тиімдірек.

Филогенез неліктен маңызды?

Эволюциялық биологтар филогенезді түсінудің адам қоғамындағы күнделікті өмір үшін маңызды болуының көптеген себептерін тізімдей алады. Ботаниктер үшін филогения адамдарға пайда әкелетін жаңа өсімдіктерді ашуға нұсқаулық ретінде әрекет етеді. Адамдардың өсімдіктерді қалай қолданатынын ойлап көріңіз: тамақ, дәрі-дәрмек және киім-кешек бірнеше мысалдар. Өсімдіктің құрамында қатерлі ісік ауруын емдеуде тиімді қосылыс болса, ғалымдар сол өсімдіктің барлық туыстарын басқа пайдалы препараттарға тексергісі келуі мүмкін.

Қытайдағы зерттеу тобы Fabaceae (бұршақ тұқымдасы) тұқымдасының кейбір дәрілік өсімдіктеріне ортақ деп есептелетін ДНҚ сегментін анықтады және бұл сегменттің қай түрге жататынын анықтау үшін жұмыс істеді (3-сурет). Осы отбасындағы өсімдік түрлерін сынағаннан кейін топ ДНҚ маркерін (түрді анықтауға мүмкіндік беретін хромосомадағы белгілі орын) тапты. Содан кейін, филогенетикалық қарым-қатынастарды ашу үшін ДНҚ-ны пайдалана отырып, топ жаңадан табылған өсімдіктің осы отбасында бар-жоғын анықтап, оның әлеуетті емдік қасиеттерін бағалай алды.

3-сурет: Далбергия Сису (D. sissoo) Fabaceae немесе бұршақ тұқымдасына жатады. Мұны ғалымдар анықтады Д. Сису саңырауқұлақтарға қарсы қасиеттері бар Fabaceae тұқымдасының түрлерімен ДНҚ маркерін бөліседі. Кейіннен, Д. Сису фунгицидтік белсенділікке ие екендігі көрсетілді, бұл ДНҚ маркерлерін әлеуетті дәрілік қасиеттері бар өсімдіктерді скрининг үшін пайдалануға болады деген идеяны қолдайды. (несие: “Далбергия Сису” OpenStax CC BY 4.0 бойынша лицензияланған)

Филогенетикалық ағаштарды салу

Ғалымдар филогенетикалық ағаштарды қалай жасайды? Гомологтық және аналогтық белгілер сұрыпталғаннан кейін ғалымдар гомологтық белгілерді жиі деп аталатын жүйе арқылы ұйымдастырады. кладистика. Бұл жүйе ағзаларды сұрыптайды қабаттар: бір атадан тараған организмдер топтары. Мысалы, 4-суретте сарғыш аймақтағы барлық организмдер амниотикалық жұмыртқалары бар бір атадан пайда болған. Демек, бұл организмдердің барлығында да амниотикалық жұмыртқалар бар және олар бір жынысты құрайды, олар да деп аталады. монофилиялық топ. Кладтар тармақтан алынған барлық ұрпақтарды қамтуы керек.

4-сурет: кесірткелер, қояндар және адамдар амниотикалық жұмыртқасы бар ортақ атадан шыққан. Осылайша, кесірткелер, қояндар және адамдар Амниота класына жатады. Омыртқалылар - бұл балықтар мен шамшырақтардан тұратын үлкенірек топ. (Несие: OpenStax ұсынған ”монофилетикалық топтар” CC BY 4.0 бойынша лицензияланған)

Бұл суреттегі жануарлардың қайсысы жүні бар жануарларды қамтитын тұқымдасқа жатады? Қайсысы бірінші болып дамыды: шаш па әлде амниотикалық жұмыртқа ма?

Түйіндер қай тармақ нүктесіне сілтеме жасалатынына байланысты өлшемдері әртүрлі болуы мүмкін. Маңызды фактор - класты немесе монофилетикалық топтағы барлық организмдер ағаштың бір нүктесінен туындайды. Мұны есте сақтауға болады, өйткені монофилетикалық «моно», яғни бір және «филетикалық» эволюциялық қатынасқа ыдырайды. 5-суретте кладтардың әртүрлі мысалдары көрсетілген. Әрбір кладтың бір нүктеден шыққанына назар аударыңыз, ал жабынды емес топтар бір нүктені бөліспейтін тармақтарды көрсетеді.

5-сурет: Тұқымдағы барлық организмдер ағаштың бір нүктесінен шығады. Класта жануарлардың, саңырауқұлақтардың және өсімдіктердегідей бірнеше топты немесе жілік тәрізділердегідей бір топты қамтуы мүмкін. Басқа тармақ нүктесінде алшақтайтын немесе бір тармақтағы барлық топтарды қамтымайтын топтар тармақтар болып саналмайды. (Несие: OpenStax ұсынған “clades” CC BY 4.0 бойынша лицензияланған)

Бір атадан тараған барлық ағзаларды қамтымайтын топтар әртүрлі атауларға ие. А парафилетикалық топқа ең соңғы ортақ ата кіреді, бірақ оның барлық ұрпақтары емес 6-сурет. А полифилиялық топқа бірнеше атадан тараған туыстықсыз организмдер жатады.

6-сурет: монофилетикалық, полифилетикалық және парафилетикалық топтардың көрнекі көрінісі. (Несие: 1999, Аддисон Уэсли Лонгман)

Ортақ сипаттамалар

Ағзалар ортақ ата-бабалардан дамып, кейін әртараптанады. Ғалымдар «өзгеріспен шығу» деген тіркесті пайдаланады, өйткені туыстас ағзалардың көптеген сипаттамалары мен генетикалық кодтары бірдей болса да, өзгерістер орын алады. Бұл үлгі өмірдің филогенетикалық ағашынан өткенде қайта-қайта қайталанады:

  1. Ағзаның генетикалық құрылымының өзгеруі топта кең таралған жаңа белгіге әкеледі.
  2. Көптеген организмдер осы нүктеден шығады және осы белгіге ие.
  3. Жаңа вариациялар пайда болуды жалғастыруда: кейбіреулері бейімделгіш және тұрақты, жаңа қасиеттерге әкеледі.
  4. Жаңа белгілермен жаңа тармақ анықталады (1-қадамға оралып, қайталаңыз).

Белгі топтың арғы атасынан табылса, ол а деп саналады ортақ ата-баба сипаты өйткені таксондағы немесе кластағы барлық организмдер осындай қасиетке ие. 4-суреттегі омыртқалы жануар ортақ тектік кейіпкер. Енді сол суреттегі амниотикалық жұмыртқаның сипаттамасын қарастырыңыз. 4-суреттегі кейбір организмдерде ғана бұл белгі бар, ал барларға ол а деп аталады ортақ туынды кейіпкер өйткені бұл қасиет белгілі бір уақытта пайда болды, бірақ ағаштағы барлық ата-бабаларды қамтымайды.

Ортақ тектік және ортақ туынды кейіпкерлердің күрделі аспектісі - бұл терминдердің салыстырмалы болуы. Қолданылатын нақты диаграммаға байланысты бірдей белгіні бір немесе басқа деп санауға болады. 4-суретке қайта оралсақ, амниотикалық жұмыртқа амниота класы үшін ортақ тектік сипат, ал шаштың болуы осы топтағы кейбір ағзалар үшін ортақ туынды сипат екенін ескеріңіз. Бұл терминдер ғалымдарға филогенетикалық ағаштардың құрылысындағы қабаттарды ажыратуға көмектеседі.

Дұрыс қарым-қатынастарды таңдау

Дүкендегі барлық заттарды дұрыс ұйымдастыруға жауапты адам болуды елестетіп көріңіз - бұл өте қиын міндет. Жер бетіндегі барлық тіршіліктің эволюциялық қатынастарын ұйымдастыру әлдеқайда қиынырақ: ғалымдар үлкен уақыт блоктарын қамтуы керек және бұрыннан жойылып кеткен организмдерден алынған ақпаратпен жұмыс істеуі керек. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that the advancement of DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences to be used and analyzed. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use a concept called maximum parsimony, which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to go hiking, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most of the people would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

These tools and concepts are only a few of the strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Түйіндеме

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Newer technologies can be used to help distinguish homologies from analogies. After homologous information is identified, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. Scientists apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.


102 Determining Evolutionary Relationships

Осы бөлімнің соңында сіз келесі әрекеттерді орындай аласыз:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. Similar to detective work, scientists must use evidence to uncover the facts. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). Осы отбасындағы өсімдік түрлерін сынағаннан кейін топ ДНҚ маркерін (түрді анықтауға мүмкіндік беретін хромосомадағы белгілі орын) тапты. Содан кейін, филогенетикалық қарым-қатынастарды ашу үшін ДНҚ-ны пайдалана отырып, топ жаңадан табылған өсімдіктің осы отбасында бар-жоғын анықтап, оның әлеуетті емдік қасиеттерін бағалай алды.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Бөлімнің қысқаша мазмұны

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

Көрнекі байланыс сұрақтары

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

Қайталау сұрақтары

Which statement about analogies is correct?

  1. They occur only as errors.
  2. They are synonymous with homologous traits.
  3. They are derived by similar environmental constraints.
  4. They are a form of mutation.

What do scientists use to apply cladistics?

What is true about organisms that are a part of the same clade?

  1. They all share the same basic characteristics.
  2. They evolved from a shared ancestor.
  3. They usually fall into the same classification taxa.
  4. They have identical phylogenies.

Why do scientists apply the concept of maximum parsimony?

  1. to decipher accurate phylogenies
  2. to eliminate analogous traits
  3. to identify mutations in DNA codes
  4. to locate homoplasies

Сыни тұрғыдан ойлауға арналған сұрақтар

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

Глоссарий


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After the homologous and analogous traits are sorted, scientists often organize the homologous traits using a system called cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in [Figure 4], all of the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, all of these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, also called a monophyletic group . Clades must include all of the descendants from a branch point.

Өнер байланысы

Figure 4: Lizards, rabbits, and humans all descend from a common ancestor that had an amniotic egg. Thus, lizards, rabbits, and humans all belong to the clade Amniota. Vertebrata is a larger clade that also includes fish and lamprey.

Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point is being referenced. The important factor is that all of the organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. This can be remembered because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. [Figure 5] shows various examples of clades. Notice how each clade comes from a single point, whereas the non-clade groups show branches that do not share a single point.

Өнер байланысы

Figure 5: All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not considered clades.

What is the largest clade in this diagram?


Өнер байланысы

All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not clades.

What is the largest clade in this diagram?


Биология 171

Осы бөлімнің соңында сіз келесі әрекеттерді орындай аласыз:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. Similar to detective work, scientists must use evidence to uncover the facts. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). Осы отбасындағы өсімдік түрлерін сынағаннан кейін топ ДНҚ маркерін (түрді анықтауға мүмкіндік беретін хромосомадағы белгілі орын) тапты. Содан кейін, филогенетикалық қарым-қатынастарды ашу үшін ДНҚ-ны пайдалана отырып, топ жаңадан табылған өсімдіктің осы отбасында бар-жоғын анықтап, оның әлеуетті емдік қасиеттерін бағалай алды.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Бөлімнің қысқаша мазмұны

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

Өнер байланыстары

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

Еркін жауап

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

Глоссарий


Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism's genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in Figure is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in Figure have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to Figure, note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Оқуға сілтеме

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.


Еркін жауап

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and therefore this trait is probably analogous.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

How does a biologist determine the polarity of a character change?

The biologist looks at the state of the character in an outgroup, an organism that is outside the clade for which the phylogeny is being developed. The polarity of the character change is from the state of the character in the outgroup to the second state.


Бейнені қараңыз: Видео-сабақ немесе бейне-сабақ түсіру өте оңай. Қашықтықтан оқыту технологиясы. Экраннан видео жазу (Ақпан 2023).