Skip to main content
Global

20.2: تحديد العلاقات التطورية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    195981

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • قارن السمات المتماثلة والمماثلة
    • ناقش الغرض من التصنيفات
    • وصف الحد الأقصى للبارسيمون

    يجب على العلماء جمع معلومات دقيقة تسمح لهم بإجراء اتصالات تطورية بين الكائنات الحية. على غرار العمل البوليسي، يجب على العلماء استخدام الأدلة لكشف الحقائق. في حالة علم السلالات، تركز التحقيقات التطورية على نوعين من الأدلة: المورفولوجية (الشكل والوظيفة) والجينية.

    خياران للتشابه

    بشكل عام، تميل الكائنات الحية التي تشترك في سمات فيزيائية وجينومات متشابهة إلى أن تكون أكثر ارتباطًا من تلك التي لا تفعل ذلك. يشار إلى هذه الميزات التي تتداخل من الناحية المورفولوجية (في الشكل) والجينية باسم الهياكل المتماثلة؛ فهي تنبع من أوجه التشابه التنموية القائمة على التطور. على سبيل المثال، تحتوي العظام في أجنحة الخفافيش والطيور على هياكل متماثلة (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    تُظهر الصورة a طائرًا أثناء الطيران مع رسم مماثل لجناح طائر. الصورة b عبارة عن خفاش أثناء الطيران مع رسم مماثل لجناح الخفاش. يشترك كل من جناح الطيور وجناح الخفافيش في عظام مشتركة تشبه العظام في أذرع وأصابع البشر. ومع ذلك، في جناح الخفافيش، تكون عظام الأصابع طويلة ومنفصلة وتشكل سقالة يمتد عليها غشاء الجناح. في جناح الطيور، تكون عظام الأصابع قصيرة ويتم دمجها معًا في مقدمة الجناح.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): أجنحة الخفافيش والطيور عبارة عن هياكل متماثلة، مما يشير إلى أن الخفافيش والطيور تشترك في ماض تطوري مشترك. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل ستيف هيلبراند، USFWS؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل DOI BLM الأمريكية)

    لاحظ أنها ليست مجرد عظمة واحدة، بل هي عبارة عن مجموعة من عدة عظام مرتبة بطريقة مماثلة. كلما كانت الميزة أكثر تعقيدًا، زاد احتمال حدوث أي نوع من التداخل بسبب الماضي التطوري المشترك. تخيل شخصين من بلدان مختلفة يخترعان سيارة بجميع الأجزاء نفسها وبنفس الترتيب تمامًا دون أي معرفة سابقة أو مشتركة. ستكون هذه النتيجة غير محتملة للغاية. ومع ذلك، إذا اخترع شخصان مطرقة، فسيكون من المعقول استنتاج أنه يمكن لكليهما الحصول على الفكرة الأصلية دون مساعدة الآخر. تنطبق نفس العلاقة بين التعقيد والتاريخ التطوري المشترك على الهياكل المتماثلة في الكائنات الحية.

    المظاهر المضللة

    قد ترتبط بعض الكائنات الحية ارتباطًا وثيقًا، على الرغم من أن التغيير الجيني الطفيف تسبب في اختلاف مورفولوجي كبير لجعلها تبدو مختلفة تمامًا. وبالمثل، قد تكون الكائنات الحية غير ذات الصلة مرتبطة بشكل بعيد، ولكنها تبدو متشابهة إلى حد كبير. يحدث هذا عادةً لأن كلا الكائنات الحية كانت في تكيفات مشتركة تطورت في ظروف بيئية مماثلة. عندما تحدث خصائص مماثلة بسبب القيود البيئية وليس بسبب علاقة تطورية وثيقة، يطلق عليها اسم القياس أو التجانس. على سبيل المثال، تستخدم الحشرات الأجنحة للطيران مثل الخفافيش والطيور، لكن هيكل الجناح والأصل الجنيني مختلفان تمامًا. وتسمى هذه الهياكل المماثلة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    يمكن أن تكون السمات المماثلة إما متماثلة أو مماثلة. تشترك الهياكل المتماثلة في أصل جنيني مماثل؛ والأعضاء المماثلة لها وظيفة مماثلة. على سبيل المثال، تتشابه العظام الموجودة في الزعنفة الأمامية للحوت مع عظام الذراع البشرية. هذه الهياكل ليست مماثلة. أجنحة الفراشة وأجنحة الطيور متشابهة ولكنها ليست متماثلة. بعض الهياكل متشابهة ومتجانسة على حد سواء: أجنحة الطيور وأجنحة الخفافيش متماثلة ومتشابهة. يجب على العلماء تحديد نوع التشابه الذي تظهره الميزة لفك شفرة سلالة الكائنات الحية التي تتم دراستها.

    تُظهر الصورة أ جناحًا للخفاش، وتظهر الصورة ب جناحًا للطيور، وتظهر الصورة ج جناحًا لنحل العسل، وكل الثلاثة متشابهة في الشكل العام. ومع ذلك، فإن كل من جناح الطيور وجناح الخفافيش مصنوعان من عظام متماثلة متشابهة في المظهر. يتكون جناح نحل العسل من مادة رقيقة وغشائية بدلاً من العظام.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يشبه الجناح (ج) لنحل العسل في شكله جناح الطائر (ب) و (أ) جناح الخفافيش، ويؤدي نفس الوظيفة. ومع ذلك، فإن جناح نحل العسل لا يتكون من عظام وله بنية مختلفة وأصل جنيني مختلف تمامًا. توضح أنواع الأجنحة هذه (الحشرات مقابل الخفافيش والطيور) تشابهًا - هياكل متشابهة لا تشترك في تاريخ تطوري. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل ستيف هيلبراند، USFWS؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل DOI BLM الأمريكية؛ الائتمان ج: تعديل العمل من قبل جون سوليفان)

    مقارنات جزيئية

    مع تقدم تقنية الحمض النووي، ازدهرت منطقة النظاميات الجزيئية، التي تصف استخدام المعلومات على المستوى الجزيئي بما في ذلك تحليل الحمض النووي. لا تؤكد برامج الكمبيوتر الجديدة العديد من الكائنات المصنفة سابقًا فحسب، بل تكشف أيضًا عن الأخطاء التي تم ارتكابها مسبقًا. كما هو الحال مع الخصائص الفيزيائية، حتى تسلسل الحمض النووي يمكن أن يكون صعبًا للقراءة في بعض الحالات. في بعض الحالات، يمكن أن يظهر كائنان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا بعدم الارتباط إذا حدثت طفرة تسببت في تحول في الشفرة الجينية. قد تؤدي طفرة الإدخال أو الحذف إلى نقل كل قاعدة من قواعد النيوكليوتيد في مكان واحد، مما يتسبب في ظهور رمزين متشابهين غير مرتبطين.

    في بعض الأحيان يتشارك قطاعان من كود الحمض النووي في الكائنات ذات الصلة البعيدة بشكل عشوائي نسبة عالية من القواعد في نفس المواقع، مما يتسبب في ظهور هذه الكائنات الحية ذات الصلة الوثيقة عندما لا تكون كذلك. في كلتا الحالتين، تم تطوير تقنيات الكمبيوتر للمساعدة في تحديد العلاقات الفعلية، وفي النهاية، يعد الاستخدام المزدوج لكل من المعلومات المورفولوجية والجزيئية أكثر فعالية في تحديد السلالات.

    اتصال التطور: لماذا يعتبر علم الأنساب مهمًا؟

    يمكن لعلماء الأحياء التطورية سرد العديد من الأسباب التي تجعل فهم علم السلالات مهمًا للحياة اليومية في المجتمع البشري. بالنسبة لعلماء النبات، يعمل علم السلالات كدليل لاكتشاف نباتات جديدة يمكن استخدامها لإفادة الناس. فكر في جميع الطرق التي يستخدم بها البشر النباتات - الغذاء والدواء والملابس هي بعض الأمثلة. إذا كان النبات يحتوي على مركب فعال في علاج السرطان، فقد يرغب العلماء في فحص جميع أقارب هذا النبات بحثًا عن أدوية مفيدة أخرى.

    حدد فريق بحثي في الصين شريحة من الحمض النووي يعتقد أنها شائعة في بعض النباتات الطبية في عائلة Fabaceae (عائلة البقوليات) وعمل على تحديد الأنواع التي تحتوي على هذا الجزء (الشكل\(\PageIndex{3}\)). بعد اختبار الأنواع النباتية في هذه العائلة، وجد الفريق علامة الحمض النووي (موقع معروف على الكروموسوم الذي مكنهم من التعرف على الأنواع) الموجودة. بعد ذلك، باستخدام الحمض النووي للكشف عن علاقات النشوء والتطور، تمكن الفريق من تحديد ما إذا كان النبات المكتشف حديثًا موجودًا في هذه العائلة وتقييم خصائصه الطبية المحتملة.

    يُظهر الرسم التوضيحي نبات Dalbergia sissoo، وهو قصير بقرون وأوراق على شكل دمعة.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): تنتمي دالبرجيا سيسو (D. sissoo) إلى عائلة فاباسيا، أو فصيلة البقوليات. وجد العلماء أن D. sissoo تشترك في علامة الحمض النووي مع الأنواع داخل عائلة Fabaceae التي لها خصائص مضادة للفطريات. بعد ذلك، تبين أن D. sissoo له نشاط مبيد للفطريات، مما يدعم فكرة أنه يمكن استخدام علامات الحمض النووي لفحص النباتات ذات الخصائص الطبية المحتملة.

    بناء أشجار النشوء والتطور

    كيف يقوم العلماء ببناء أشجار النشوء والتطور؟ بعد فرز الصفات المتماثلة والمماثلة، غالبًا ما ينظم العلماء السمات المتماثلة باستخدام نظام يسمى التصنيف. يصنف هذا النظام الكائنات الحية إلى مجموعات: مجموعات من الكائنات الحية التي تنحدر من سلف واحد. على سبيل المثال، في الشكل\(\PageIndex{4}\)، تطورت جميع الكائنات الحية في المنطقة البرتقالية من سلف واحد كان لديه بويضات سلوية. وبالتالي، فإن كل هذه الكائنات الحية تحتوي أيضًا على بويضات سلوي وتصنع كليدًا واحدًا، يُطلق عليه أيضًا مجموعة أحادية النواة. يجب أن تتضمن Clades جميع الأحفاد من نقطة الفرع.

    آرت كونيكشن

    يُظهر الرسم التوضيحي كليد فيرتيبراتا على شكل حرف V، والذي يتضمن الأربطة واللامبريات والأسماك والسحالي والأرانب والبشر. توجد اللانسيليتس في الطرف الأيسر من حرف V، والبشر في الطرف الأيمن. يتم رسم أربعة خطوط أخرى بالتوازي مع خط lancelet؛ يبدأ كل من هذه الخطوط في أعلى الذراع اليمنى من V أكثر من التالي. في نهاية كل سطر، من اليسار إلى اليمين، توجد حيوانات الحملان والأسماك والسحالي والأرانب. توجد السحالي والأرانب والبشر في الكليد Amniota، الذي يشكل حرف V صغيرًا متداخلًا في الزاوية اليمنى العليا من كتلة Vertebrata على شكل حرف V.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): تنحدر السحالي والأرانب والبشر جميعًا من سلف مشترك كان لديه بويضة سلوي. وهكذا، تنتمي السحالي والأرانب والبشر جميعًا إلى Clade Amniota. Vertebrata عبارة عن كتلة أكبر تضم أيضًا الأسماك واللامبري.

    أي الحيوانات في هذا الشكل تنتمي إلى كليد يتضمن حيوانات ذات شعر؟ أيهما تطور أولاً، الشعر أم البويضة الأمنيوسية؟

    يمكن أن تختلف الكتل في الحجم اعتمادًا على نقطة الفرع التي يتم الرجوع إليها. العامل المهم هو أن جميع الكائنات الحية في مجموعة الكليد أو المجموعة أحادية النواة تنبع من نقطة واحدة على الشجرة. يمكن تذكر ذلك لأن أحادي النمط ينقسم إلى «أحادي»، بمعنى واحد، و «نباتي»، يعني علاقة تطورية. \(\PageIndex{5}\)يوضح الشكل أمثلة مختلفة من الكتل. لاحظ كيف تأتي كل فئة من نقطة واحدة، بينما تعرض المجموعات غير المصنفة فروعًا لا تشترك في نقطة واحدة.

    آرت كونيكشن

    تُظهر الرسوم التوضيحية شجرة النشوء والتطور التي تتضمن أنواعًا حقيقية النواة. يمثل الخط المركزي جذع الشجرة. من هذا الجذع، تتفرع مجموعات مختلفة. بالترتيب من الأسفل، هذه هي الدبلوموناد والميكروسبوريديا والتريكوموناد والسوط والإنتامويبا وعفن السلايم والسيليتات. في الجزء العلوي من الشجرة، تتفرع الحيوانات والفطريات والنباتات من نفس النقطة ويتم تظليلها لإظهار أنها تنتمي إلى نفس الكليد. توجد السوط على فرع من تلقاء نفسها، وتشكل أيضًا الكسوة الخاصة بها ويتم تظليلها لإظهار ذلك. في صورة أخرى، يتم تظليل السوط والزنبيات لإظهار أنها تتفرع من نقاط مختلفة على الشجرة ولا تعتبر كتل. وبالمثل، لن يتم اعتبار مجموعة من الحيوانات والنباتات ولكن ليس الفطريات من الكليد، والذي لا يمكن استبعاد فرع نشأ في نفس النقطة مثل الأنواع الأخرى.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): جميع الكائنات الحية داخل الكليد تنبع من نقطة واحدة على الشجرة. قد يحتوي الكليد على مجموعات متعددة، كما هو الحال في الحيوانات والفطريات والنباتات، أو مجموعة واحدة، كما هو الحال في السوط. لا تعتبر المجموعات التي تتباعد عند نقطة فرع مختلفة، أو التي لا تتضمن كل المجموعات في نقطة فرع واحدة، مجموعات.

    ما أكبر كتلة في هذا المخطط؟

    الخصائص المشتركة

    تتطور الكائنات الحية من أسلاف مشتركين ثم تتنوع. يستخدم العلماء عبارة «النسب مع التعديل» لأنه على الرغم من أن الكائنات الحية ذات الصلة لها العديد من نفس الخصائص والرموز الجينية، إلا أن التغييرات تحدث. يتكرر هذا النمط مرارًا وتكرارًا عندما يمر المرء عبر شجرة النشوء والتطور:

    1. يؤدي التغيير في التركيب الجيني للكائن الحي إلى سمة جديدة تصبح سائدة في المجموعة.
    2. تنحدر العديد من الكائنات الحية من هذه النقطة ولديها هذه السمة.
    3. تستمر الاختلافات الجديدة في الظهور: بعضها يتكيف ويستمر، مما يؤدي إلى سمات جديدة.
    4. باستخدام السمات الجديدة، يتم تحديد نقطة فرع جديدة (ارجع إلى الخطوة 1 وكرر ذلك).

    إذا تم العثور على خاصية في سلف المجموعة، فإنها تعتبر شخصية أسلاف مشتركة لأن جميع الكائنات الحية في التاكسون أو الكليد لها هذه السمة. \(\PageIndex{4}\)تعتبر الفقاريات في الشكل شخصية أسلاف مشتركة. الآن فكر في خاصية البويضة الأمنيوسية في نفس الشكل. بعض الكائنات الحية في الشكل فقط هي التي\(\PageIndex{4}\) تمتلك هذه السمة، وبالنسبة لأولئك الذين يمتلكونها، تُسمى الشخصية المشتقة المشتركة لأن هذه السمة مشتقة في مرحلة ما ولكنها لا تشمل جميع الأسلاف في الشجرة.

    الجانب الصعب للشخصيات الأسلاف المشتركة والمشتقات المشتركة هو حقيقة أن هذه المصطلحات نسبية. يمكن اعتبار نفس السمة واحدة أو أخرى اعتمادًا على الرسم التخطيطي المحدد المستخدم. بالعودة إلى الشكل\(\PageIndex{5}\)، لاحظ أن البويضة الأمنيوتية هي شخصية أسلاف مشتركة لكليد Amniota، في حين أن امتلاك الشعر هو شخصية مشتقة مشتركة لبعض الكائنات الحية في هذه المجموعة. تساعد هذه المصطلحات العلماء على التمييز بين الكتل في بناء أشجار النشوء والتطور.

    اختيار العلاقات الصحيحة

    تخيل أنك الشخص المسؤول عن تنظيم جميع العناصر في متجر متعدد الأقسام بشكل صحيح - وهي مهمة شاقة. ثبت أن تنظيم العلاقات التطورية لجميع أشكال الحياة على الأرض أكثر صعوبة: يجب على العلماء تجاوز فترات زمنية هائلة والعمل مع المعلومات من الكائنات الحية المنقرضة منذ فترة طويلة. إن محاولة فك شفرة الروابط المناسبة، خاصة بالنظر إلى وجود التماثلات والتشبيهات، تجعل مهمة بناء شجرة حياة دقيقة صعبة للغاية. أضف إلى ذلك تقدم تقنية الحمض النووي، والتي توفر الآن كميات كبيرة من التسلسلات الجينية لاستخدامها وتحليلها. التصنيف هو تخصص شخصي: العديد من الكائنات الحية لها أكثر من اتصال ببعضها البعض، لذلك سيقرر كل عالم تصنيف ترتيب الاتصالات.

    للمساعدة في المهمة الهائلة المتمثلة في وصف السلالات بدقة، يستخدم العلماء غالبًا مفهومًا يسمى الحد الأقصى للبارسيمون، مما يعني أن الأحداث حدثت بأبسط الطرق وأكثرها وضوحًا. على سبيل المثال، إذا دخلت مجموعة من الأشخاص محمية الغابات لممارسة رياضة المشي لمسافات طويلة، استنادًا إلى مبدأ الحد الأقصى من البارسيمين، يمكن للمرء أن يتنبأ بأن معظم الناس سوف يتنزهون على مسارات ثابتة بدلاً من إنشاء مسارات جديدة.

    بالنسبة للعلماء الذين يقومون بفك رموز المسارات التطورية، يتم استخدام نفس الفكرة: ربما يتضمن مسار التطور أقل عدد من الأحداث الرئيسية التي تتزامن مع الأدلة الموجودة. بدءًا من جميع السمات المتماثلة في مجموعة من الكائنات الحية، يبحث العلماء عن الترتيب الأكثر وضوحًا وبساطة للأحداث التطورية التي أدت إلى حدوث تلك السمات.

    هذه الأدوات والمفاهيم ليست سوى عدد قليل من الاستراتيجيات التي يستخدمها العلماء لمعالجة مهمة الكشف عن التاريخ التطوري للحياة على الأرض. في الآونة الأخيرة، كشفت التقنيات الحديثة عن اكتشافات مفاجئة ذات علاقات غير متوقعة، مثل حقيقة أن الناس يبدون أكثر ارتباطًا بالفطريات من الفطريات بالنباتات. صوت لا يصدق؟ مع نمو المعلومات حول تسلسلات الحمض النووي، سيقترب العلماء من رسم خريطة التاريخ التطوري لجميع أشكال الحياة على الأرض.

    ملخص

    لبناء أشجار النشوء والتطور، يجب على العلماء جمع معلومات دقيقة تسمح لهم بإجراء اتصالات تطورية بين الكائنات الحية. باستخدام البيانات المورفولوجية والجزيئية، يعمل العلماء على تحديد الخصائص والجينات المتماثلة. يمكن أن تنبع أوجه التشابه بين الكائنات الحية إما من التاريخ التطوري المشترك (التماثلات) أو من مسارات تطورية منفصلة (المقارنات). يمكن استخدام التقنيات الحديثة للمساعدة في تمييز التماثلات عن المقارنات. بعد تحديد المعلومات المتجانسة، يستخدم العلماء علم التصنيف لتنظيم هذه الأحداث كوسيلة لتحديد جدول زمني تطوري. يطبق العلماء مفهوم الحد الأقصى للبارسيمون، والذي ينص على أن ترتيب الأحداث ربما حدث بالطريقة الأكثر وضوحًا وبساطة بأقل قدر من الخطوات. بالنسبة للأحداث التطورية، سيكون هذا هو المسار الذي يحتوي على أقل عدد من الاختلافات الرئيسية المرتبطة بالأدلة.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{4}\): أي الحيوانات في هذا الشكل تنتمي إلى كليد يتضمن حيوانات ذات شعر؟ أيهما تطور أولاً، الشعر أم البويضة الأمنيوسية؟

    إجابة

    تنتمي الأرانب والبشر إلى الكليد الذي يشمل الحيوانات ذات الشعر. تطورت البويضة الأمنيوتية قبل الشعر لأن كتلة Amniota أكبر من الكليد الذي يشمل الحيوانات ذات الشعر.

    الشكل\(\PageIndex{5}\): ما أكبر كتلة في هذا المخطط؟

    إجابة

    أكبر كتلة تشمل الشجرة بأكملها.

    مسرد المصطلحات

    تشابه جزئي
    خاصية (أيضًا المثلية) التي تتشابه بين الكائنات الحية بالتطور المتقارب، وليس بسبب نفس المسار التطوري
    تصنيف
    نظام يستخدم لتنظيم الصفات المتجانسة لوصف السلالات
    الحد الأقصى للرشونة
    تطبيق الطريقة الأبسط والأكثر وضوحًا بأقل عدد من الخطوات
    النظاميات الجزيئية
    تقنية باستخدام الأدلة الجزيئية لتحديد علاقات النشوء والتطور
    مجموعة أحادية
    (أيضًا، clade) الكائنات الحية التي تشترك في سلف واحد
    شخصية أسلاف مشتركة
    يصف خاصية على شجرة النشوء والتطور التي تشترك فيها جميع الكائنات الحية على الشجرة
    شخصية مشتقة مشتركة
    يصف خاصية على شجرة النشوء والتطور التي لا تشترك فيها سوى فئة معينة من الكائنات الحية