12.2: קביעת מערכות יחסים אבולוציוניות
- Page ID
- 208679
מדענים אוספים מידע המאפשר להם ליצור קשרים אבולוציוניים בין אורגניזמים. בדומה לעבודת בילוש, מדענים חייבים להשתמש בראיות כדי לחשוף את העובדות. במקרה של פילוגניה, חקירות אבולוציוניות מתמקדות בשני סוגים של ראיות: מורפולוגיות (צורה ותפקוד) וגנטיות.
שני מדדי דמיון
אורגניזמים החולקים תכונות פיזיות ורצפים גנטיים דומים נוטים להיות קשורים יותר מאלה שלא. תכונות החופפות הן מבחינה מורפולוגית והן מבחינה גנטית מכונות מבנים הומולוגיים; הדמיון נובע מנתיבים אבולוציוניים נפוצים. לדוגמה, כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{1}\), העצמות בכנפי עטלפים וציפורים, זרועות בני אדם ורגל קדמית של סוס הן מבנים הומולוגיים. שימו לב שהמבנה אינו רק עצם אחת, אלא קיבוץ של מספר עצמות המסודרות בצורה דומה בכל אורגניזם למרות שייתכן שמרכיבי המבנה שינו צורה וגודל.
הופעות מטעות
אורגניזמים מסוימים עשויים להיות קשורים מאוד, למרות ששינוי גנטי קל גרם להבדל מורפולוגי גדול כדי לגרום להם להיראות שונים לגמרי. לדוגמה, שימפנזים ובני אדם, שגולגולותיהם \(\PageIndex{2}\) מוצגות באיור דומות מאוד מבחינה גנטית, וחולקות 99 אחוז 1 מהגנים שלהם. עם זאת, שימפנזים ובני אדם מראים הבדלים אנטומיים ניכרים, כולל המידה שבה הלסת בולטת אצל המבוגר והאורכים היחסיים של הידיים והרגליים שלנו.
עם זאת, אורגניזמים שאינם קשורים עשויים להיות קשורים רחוק אך נראים דומים מאוד, בדרך כלל מכיוון שהתפתחו התאמות נפוצות לתנאי סביבה דומים בשניהם. דוגמה לכך היא צורות הגוף היעילות, צורות הסנפירים והנספחים וצורת הזנבות בדגים ולווייתנים, שהם יונקים. מבנים אלה נושאים דמיון שטחי מכיוון שהם הסתגלות לתנועה ולתמרון באותה סביבה - מים. כאשר מאפיין דומה מתרחש על ידי התכנסות אדפטיבית (אבולוציה מתכנסת), ולא בגלל קשר אבולוציוני הדוק, הוא נקרא מבנה אנלוגי. בדוגמה אחרת, חרקים משתמשים בכנפיים כדי לעוף כמו עטלפים וציפורים. אנו קוראים לשניהם כנפיים מכיוון שהם מבצעים את אותה פונקציה ויש להם צורה דומה באופן שטחי, אך המקור העוברי של שתי הכנפיים שונה לחלוטין. ההבדל בהתפתחות, או העוברוגנזה, של הכנפיים בכל מקרה הוא איתות לכך שחרקים ועטלפים או ציפורים אינם חולקים אב קדמון משותף שהיה לו כנף. מבני הכנף, המוצגים באיור \(\PageIndex{3}\) התפתחו באופן עצמאי בשתי השושלות.
תכונות דומות יכולות להיות הומולוגיות או אנלוגיות. תכונות הומולוגיות חולקות נתיב אבולוציוני שהוביל להתפתחות תכונה זו, ותכונות אנלוגיות אינן. מדענים חייבים לקבוע איזה סוג של דמיון תכונה מציגה כדי לפענח את הפילוגניה של האורגניזמים הנחקרים.
השוואות מולקולריות
עם התקדמות טכנולוגיית ה-DNA, תחום השיטתיות המולקולרית, המתאר את השימוש במידע ברמה המולקולרית כולל רצף DNA, פרח. ניתוח חדש של תווים מולקולריים לא רק מאשר סיווגים קודמים רבים, אלא גם חושף שגיאות שנעשו בעבר. תווים מולקולריים יכולים לכלול הבדלים ברצף חומצות האמינו של חלבון, הבדלים ברצף הנוקלאוטידים הבודד של גן, או הבדלים בסידורי הגנים. פילוגניות המבוססות על תווים מולקולריים מניחות שככל שהרצפים דומים יותר בשני אורגניזמים, כך הם קשורים יותר. גנים שונים משתנים אבולוציונית בקצבים שונים וזה משפיע על הרמה שבה הם מועילים בזיהוי מערכות יחסים. רצפים המתפתחים במהירות שימושיים לקביעת היחסים בין מינים קרובים. רצפים המתפתחים לאט יותר שימושיים לקביעת היחסים בין מינים קרובים רחוקים. כדי לקבוע את היחסים בין מינים שונים מאוד כמו Eukarya ו- Archaea, הגנים המשמשים חייבים להיות גנים עתיקים מאוד, המתפתחים לאט, הנמצאים בשתי הקבוצות, כמו הגנים ל- RNA ריבוזומלי. השוואת עצים פילוגנטיים באמצעות רצפים שונים ומציאתם דומים עוזרת לבנות אמון במערכות היחסים הנגזרים.
לפעמים שני מקטעי DNA באורגניזמים קרובים רחוקים חולקים באופן אקראי אחוז גבוה של בסיסים באותם מיקומים, מה שגורם לאורגניזמים אלה להיראות קשורים זה לזה כאשר הם לא. לדוגמה, זבוב הפירות חולק 60 אחוז מה-DNA שלו עם בני אדם. 2 במצב זה, אלגוריתמים סטטיסטיים מבוססי מחשב פותחו כדי לסייע בזיהוי הקשרים בפועל, ובסופו של דבר, השימוש המשולב במידע מורפולוגי ומולקולרי יעיל יותר בקביעת פילוגניה.
אבולוציה בפעולה: מדוע פילוגניה חשובה?
בנוסף לשיפור ההבנה שלנו לגבי ההיסטוריה האבולוציונית של מינים, לניתוח הפילוגנטי שלנו כולל יישומים מעשיים רבים. שניים מהיישומים הללו כוללים הבנת האבולוציה והעברת המחלות וקבלת החלטות לגבי מאמצי השימור. מחקר משנת 2010 3 של MRSA (Staphylococcus aureus עמיד למתיצילין), חיידק פתוגני עמיד לאנטיביוטיקה, התחקה אחר מקורו והתפשטותו של הזן במהלך 40 השנים האחרונות. המחקר חשף את התזמון והדפוסים שבהם הזן העמיד עבר מנקודת מוצאו באירופה למרכזי זיהום ואבולוציה בדרום אמריקה, אסיה, צפון אמריקה ואוסטרליה. המחקר העלה כי הכנסת החיידקים לאוכלוסיות חדשות התרחשה מעט מאוד פעמים, אולי רק פעם אחת, ואז התפשטה מאותו מספר מצומצם של פרטים. זאת בניגוד לאפשרות שאנשים רבים נשאו את החיידקים ממקום למקום. תוצאה זו מצביעה על כך שפקידי בריאות הציבור צריכים להתרכז בזיהוי מהיר של אנשי הקשר של אנשים שנדבקו בזן חיידקים חדש כדי לשלוט בהתפשטותו.
תחום שימושי שני לניתוח פילוגנטי הוא בשימור. ביולוגים טענו שחשוב להגן על מינים בכל עץ פילוגנטי ולא רק על אלה מענף אחד של העץ. פעולה זו תשמור יותר על השונות שמייצרת האבולוציה. לדוגמה, מאמצי השימור צריכים להתמקד במין יחיד ללא מינים אחים ולא במין אחר שיש לו מקבץ של מיני אחיות קרובים שהתפתחו לאחרונה. אם המין היחיד המובחן מבחינה אבולוציונית ייכחד, כמות לא פרופורציונלית של שונות מהעץ תאבד בהשוואה למין אחד באשכול המינים הקרובים. מחקר שפורסם בשנת 2007 4 הציע המלצות לשימור מיני יונקים ברחבי העולם בהתבסס על מידת ההבדלים האבולוציונית ובסיכון הכחדה. המחקר מצא כי המלצותיהם שונות מסדרי העדיפויות המבוססים על רמת איום ההכחדה על המין. המחקר המליץ להגן על כמה יונקים גדולים מאוימים ומוערכים כמו האורנגאוטנים, הפנדות הענקיות והפחות והפילים האפריקאים והאסייתיים. אבל הם גם גילו שיש להגן על כמה מינים פחות מוכרים על סמך מידת ההבדל האבולוציוני שלהם. אלה כוללים מספר מכרסמים, עטלפים, שרפרפים וקיפודים. בנוסף ישנם כמה מינים בסכנת הכחדה קריטית שלא דורגו כחשובים במיוחד בייחודיות האבולוציונית כולל מינים של עכברי צבאים וגרבילים. בעוד שקריטריונים רבים משפיעים על החלטות השימור, שימור המגוון הפילוגנטי מספק דרך אובייקטיבית להגן על מכלול המגוון שנוצר על ידי האבולוציה.
בניית עצים פילוגנטיים
כיצד בונים מדענים עצים פילוגנטיים? נכון לעכשיו, השיטה המקובלת ביותר לבניית עצים פילוגנטיים היא שיטה הנקראת קלדיסטיקה. שיטה זו ממיינת אורגניזמים לקליידים, קבוצות של אורגניזמים הקשורים זה לזה באופן הדוק ביותר ולאב הקדמון שממנו הם ירדו. לדוגמה, באיור\(\PageIndex{4}\), כל האורגניזמים באזור המוצל התפתחו מאב קדמון יחיד שהיה לו ביצי מי שפיר. כתוצאה מכך, לכל האורגניזמים הללו יש גם ביצי מי שפיר ויוצרים מצעד בודד, הנקרא גם קבוצה מונופילטית. הקלידים חייבים לכלול את מיני האבות ואת כל הצאצאים מנקודת הסתעפות.
חיבור אמנות
אילו בעלי חיים בדמות זו שייכים לקלייד הכולל בעלי חיים עם שיער? מה התפתח ראשון: שיער או ביצית מי השפיר?
קלידים יכולים להשתנות בגודלם בהתאם לאיזו נקודת הסתעפות מופנית. הגורם החשוב הוא שכל האורגניזמים בקלייד או בקבוצה המונופילטית נובעים מנקודה אחת על העץ. ניתן לזכור זאת מכיוון שמונופילטי מתפרק ל"מונו ", כלומר אחד, ו"פילטי", כלומר מערכת יחסים אבולוציונית.
מאפיינים משותפים
קלדיסטיקה נשענת על שלוש הנחות. הראשון הוא שיצורים חיים קשורים במוצא מאב קדמון משותף, שהיא הנחה כללית של אבולוציה. השני הוא שההתגלמות מתרחשת על ידי פיצולים של מין אחד לשניים, לעולם לא יותר משניים בכל פעם, ובעצם בנקודת זמן אחת. זה קצת שנוי במחלוקת, אבל מקובל על רוב הביולוגים כפשט. ההנחה השלישית היא שתכונות משתנות מספיק לאורך זמן כדי להיחשב במצב אחר. ההנחה היא שאפשר לזהות את כיוון השינוי בפועל עבור מדינה. במילים אחרות, אנו מניחים שביצית מי שפיר היא מצב אופי מאוחר יותר מביצים שאינן מי שפיר. זה נקרא הקוטביות של שינוי הדמות. אנו יודעים זאת בהתייחסות לקבוצה מחוץ לקלייד: לדוגמה, לחרקים יש ביצים שאינן מי שפיר; לכן זהו מצב האופי המבוגר או האבות. קלדיסטיקה משווה קבוצות וקבוצות חוץ. קבוצה (לטאה, ארנב ואדם בדוגמה שלנו) היא קבוצת הטקסים המנותחת. קבוצת חוץ (lancelet, lamprey ודגים בדוגמה שלנו) היא מין או קבוצת מינים שהתפצלו לפני השושלת המכילה את הקבוצות המעניינות. על ידי השוואת חברי הקבוצה זה לזה ולחברי הקבוצה החיצונית, אנו יכולים לקבוע אילו מאפיינים הם שינויים אבולוציוניים הקובעים את נקודות הענף של הפילוגניה של הקבוצה.
אם נמצא מאפיין בכל חברי הקבוצה, הוא א דמות אבות משותפתכי לא חל שינוי בתכונה במהלך הירידה של כל אחד מחברי הקלייד. למרות שתכונות אלה נראות מעניינות מכיוון שהן מאחדות את הקלאד, בקלדיסטיקה הן נחשבות לא מועילות כאשר אנו מנסים לקבוע את מערכות היחסים של חברי הקלאד מכיוון שכל חבר זהה. לעומת זאת, שקול את ביצית השפיר האופיינית לאיור\(\PageIndex{4}\). רק לחלק מהאורגניזמים יש תכונה זו, ולאלה שכן, היא נקראת אופי נגזר משותף מכיוון שתכונה זו השתנתה בשלב כלשהו במהלך הירידה. דמות זו אכן מספרת לנו על מערכות היחסים בין חברי הקלאד; זה אומר לנו שלטאות, ארנבות ובני אדם מתקבצים זה בזה יותר מכל אחד מהאורגניזמים הללו עם דגים, מנורות ושרוכים.
היבט מבלבל לפעמים של דמויות "אבות" ו"נגזרות "הוא שמונחים אלה הם יחסיים. אותה תכונה יכולה להיות אבות או נגזרת בהתאם לתרשים המשמש ולאורגניזמים המשווים. מדענים מוצאים מונחים אלה שימושיים כאשר מבחינים בין קלידים במהלך בניית עצים פילוגנטיים, אך חשוב לזכור שמשמעותם תלויה בהקשר.
בחירת היחסים הנכונים
בניית עץ פילוגנטי, או קלדוגרמה, מנתוני התווים היא משימה מונומנטלית שנשארת בדרך כלל למחשב. המחשב מצייר עץ כך שכל המצעדים חולקים את אותה רשימה של תווים נגזרים. אבל יש החלטות אחרות שצריך לקבל, למשל, מה אם נוכחות מין בקלייד נתמכת על ידי כל הדמויות הנגזרות המשותפות עבור אותו קלייד מלבד אחת? מסקנה אחת היא שהתכונה התפתחה אצל האב הקדמון, אך לאחר מכן השתנתה באותו מין אחד. כמו כן, יש להניח שמצב אופי המופיע בשני מצעדים התפתח באופן עצמאי באותם קלידים. חוסר עקביות אלה נפוץ בעצים שנלקחו מנתוני אופי ומסבכים את תהליך קבלת ההחלטות לגבי איזה עץ מייצג באופן הדוק ביותר את היחסים האמיתיים בין הטקסים.
כדי לסייע במשימה האדירה של בחירת העץ הטוב ביותר, מדענים משתמשים לעתים קרובות במושג הנקרא חסינות מקסימאלית, מה שאומר שאירועים התרחשו בצורה הפשוטה והברורה ביותר. המשמעות היא שהעץ "הטוב ביותר" הוא זה עם המספר המועט ביותר של היפוכי תווים, המספר המועט ביותר של שינויי תווים עצמאיים והמספר המועט ביותר של שינויי תווים ברחבי העץ. תוכנות מחשב מחפשות בכל העצים האפשריים כדי למצוא את מספר העצים הקטן עם המסלולים האבולוציוניים הפשוטים ביותר. החל מכל התכונות ההומולוגיות בקבוצת אורגניזמים, מדענים יכולים לקבוע את סדר האירועים האבולוציוניים שבהם התרחשו התכונות שהוא הברור והפשוט ביותר.
מושג בפעולה
תרגול חסינות: היכנס לאתר זה כדי ללמוד כיצד משתמשים בכפיון מקסימלי ליצירת עצים פילוגנטיים (הקפד להמשיך לדף השני).
כלים ומושגים אלה הם רק חלק מהאסטרטגיות בהן משתמשים המדענים כדי להתמודד עם המשימה לחשוף את ההיסטוריה האבולוציונית של החיים על פני כדור הארץ. לאחרונה, טכנולוגיות חדשות יותר חשפו תגליות מפתיעות עם מערכות יחסים בלתי צפויות, כמו העובדה שנראה שאנשים קשורים יותר לפטריות מאשר פטריות לצמחים. נשמע לא יאומן? ככל שהמידע על רצפי DNA יגדל, המדענים יתקרבו למיפוי ההיסטוריה האבולוציונית של כל החיים על פני כדור הארץ.
סיכום המדור
כדי לבנות עצים פילוגנטיים, על המדענים לאסוף מידע אופי המאפשר להם ליצור קשרים אבולוציוניים בין אורגניזמים. באמצעות נתונים מורפולוגיים ומולקולריים, מדענים פועלים לזיהוי מאפיינים וגנים הומולוגיים. קווי דמיון בין אורגניזמים יכולים לנבוע מהיסטוריה אבולוציונית משותפת (הומולוגיות) או מנתיבים אבולוציוניים נפרדים (אנלוגיות). לאחר זיהוי מידע הומולוגי, מדענים משתמשים בקלדיסטיקה כדי לארגן אירועים אלה כאמצעי לקביעת ציר זמן אבולוציוני. מדענים מיישמים את הרעיון של חסינות מקסימלית, הקובע כי סדר האירועים הסביר ביותר הוא כנראה הדרך הקצרה ביותר. עבור אירועים אבולוציוניים, זה יהיה הנתיב עם המספר הנמוך ביותר של הבדלים עיקריים המתואמים עם הראיות.
חיבורי אמנות
איור\(\PageIndex{3}\): אילו בעלי חיים בדמות זו שייכים לקלייד הכולל בעלי חיים עם שיער? מה התפתח ראשון: שיער או ביצית מי השפיר?
- תשובה
-
ארנבים ובני אדם שייכים לקלייד הכולל בעלי חיים עם שיער. ביצית השפיר התפתחה לפני השיער, מכיוון שקליד אמניוטה מסתעף מוקדם יותר מהקלייד המקיף בעלי חיים בשיער.
הערות שוליים
- 1 גיבונס, א '(2012, 13 ביוני). מדע עכשיו הוחזר מתוך חדשות.sciencemag.org/מדע... sequenced.html
- 2 רקע על ניתוח גנומי השוואתי. (2002, דצמבר). הוחזר מ http://www.genome.gov/10005835
- 3 האריס, ס.ר ואח '2010. אבולוציה של MRSA במהלך העברת בית חולים והתפשטות בין יבשתית. מדע 327:469 —474.
- 4 אייזק ניו ג'רזי, טורווי ST, קולן ב ', ווטרמן C, ביילי JE (2007) יונקים ב- EDGE: סדרי עדיפויות לשימור המבוססים על איום ופילוגניה. פלוס אחד 2 (3): e296. דוי:10.1371/יומן. פון.0000296
רשימת מילים
- מבנה אנלוגי
- דמות שנמצאת בשתי מוניות שנראית דומה בגלל אבולוציה מתכנסת, לא בגלל מוצא מאב קדמון משותף
- קלייד
- קבוצת טקסים עם אותה קבוצה של דמויות נגזרות משותפות, כולל מין אבות וכל צאצאיו
- קלדיסטיקה
- שיטה המשמשת לארגון תכונות הומולוגיות לתיאור פילוגניות תוך שימוש בצאצא משותף כקריטריון העיקרי המשמש לסיווג אורגניזמים
- חסינות מקסימלית
- יישום הדרך הפשוטה והברורה ביותר עם מספר הצעדים הנמוך ביותר
- שיטתיות מולקולרית
- שיטות השימוש בראיות מולקולריות לזיהוי קשרים פילוגנטיים
- קבוצה מונופילטית
- (גם, קלייד) אורגניזמים החולקים אב קדמון יחיד
- אופי אבות משותף
- דמות על ענף פילוגנטי המשותף לקלייד מסוים
- אופי נגזר משותף
- דמות על עץ פילוגנטי המשותפת רק לקלייד מסוים של אורגניזמים