12.2: تحديد العلاقات التطورية

يجمع العلماء المعلومات التي 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.

مقياسان للتشابه

تميل الكائنات الحية التي تشترك في سمات فيزيائية وتسلسلات جينية متشابهة إلى أن تكون أكثر ارتباطًا من تلك التي لا تفعل ذلك. يشار إلى الميزات التي تتداخل من الناحية المورفولوجية والجينية باسم الهياكل المتماثلة؛ تنبع أوجه التشابه من مسارات تطورية مشتركة. على سبيل المثال، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\)، فإن العظام الموجودة في أجنحة الخفافيش والطيور، وأذرع البشر، ومقدمة الحصان هي هياكل متماثلة. لاحظ أن الهيكل ليس مجرد عظم واحد، بل هو عبارة عن مجموعة من عدة عظام مرتبة بطريقة مماثلة في كل كائن حي على الرغم من أن عناصر الهيكل قد تغيرت شكلها وحجمها.

الشكل\(\PageIndex{1}\): أجنحة الخفافيش والطيور، ومقدمة الحصان، وزعنفة الحوت، وذراع الإنسان هي هياكل متماثلة، مما يشير إلى أن الخفافيش والطيور والخيول والحيتان والبشر يتشاركون ماضًا تطوريًا مشتركًا. (إضافة صورة: تعديل عمل من قبل ستيف هيليبراند، USFWS؛ الصورة: تعديل العمل من قبل BLM الأمريكية؛ صورة الائتمان ج: تعديل العمل من قبل فيريندرا كانكاريا؛ صورة الائتمان: تعديل العمل من قبل الحكومة الروسية/ويكيميديا كومنز)

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. على سبيل المثال، الشمبانزي والبشر، الذين تظهر جماجمهم في الشكل،\(\PageIndex{2}\) متشابهة جدًا وراثيًا، حيث يتشاركون 99 بالمائة ¹ من جيناتهم. ومع ذلك، يُظهر الشمبانزي والبشر اختلافات تشريحية كبيرة، بما في ذلك درجة بروز الفك عند البالغين والأطوال النسبية لأذرعنا وأرجلنا.

الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) يبرز فك الشمبانزي بدرجة أكبر بكثير من (ب) الفك البشري. (المرجع: تعديل عمل «Pastorius» /ويكيميديا كومنز)

ومع ذلك، قد تكون الكائنات الحية غير ذات الصلة مرتبطة بشكل بعيد ولكنها تبدو متشابهة جدًا، عادةً بسبب تطور التكيفات الشائعة مع الظروف البيئية المماثلة في كليهما. ومن الأمثلة على ذلك أشكال الجسم المبسطة، وأشكال الزعانف والزوائد، وشكل ذيول الأسماك والحيتان، وهي ثدييات. تحمل هذه الهياكل تشابهًا سطحيًا لأنها تكيفات مع الحركة والمناورة في نفس البيئة - الماء. عندما تحدث خاصية متشابهة عن طريق التقارب التكيفي (التطور المتقارب)، وليس بسبب علاقة تطورية وثيقة، فإنها تسمى بنية مماثلة. في مثال آخر، تستخدم الحشرات الأجنحة للطيران مثل الخفافيش والطيور. نسميهما كلا الجناحين لأنهما يؤديان نفس الوظيفة ولهما شكل مشابه سطحيًا، لكن الأصل الجنيني للجناحين مختلف تمامًا. إن الاختلاف في تطور أو تطور الأجنحة في كل حالة هو إشارة إلى أن الحشرات والخفافيش أو الطيور لا تشترك في سلف مشترك له جناح. \(\PageIndex{3}\)تطورت هياكل الأجنحة، الموضحة في الشكل، بشكل مستقل في السلالتين.

يمكن أن تكون السمات المماثلة إما متماثلة أو مماثلة. تشترك السمات المتماثلة في مسار تطوري أدى إلى تطور تلك السمة، والصفات المماثلة لا تفعل ذلك. يجب على العلماء تحديد نوع التشابه الذي تظهره الميزة لفك شفرة سلالة الكائنات الحية التي تتم دراستها.

الشكل\(\PageIndex{3}\): يشبه جناح نحلة العسل في الشكل جناح الطيور وجناح الخفافيش ويؤدي نفس الوظيفة (الطيران). أجنحة الطيور والخفافيش هي هياكل متماثلة. ومع ذلك، فإن جناح نحل العسل له هيكل مختلف (فهو مصنوع من هيكل خارجي كيتيني، وليس هيكل عظمي) وأصل جنيني. توضح أنواع أجنحة النحل والطيور أو الخفافيش تشابهًا - هياكل مماثلة لا تشترك في التاريخ التطوري. (إضافة صورة: تعديل العمل من قبل BLM الأمريكية؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل ستيف هيلبراند، USFWS؛ 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 تسلسل الحمض النووي. لا يؤكد التحليل الجديد للحروف الجزيئية العديد من التصنيفات السابقة فحسب، بل يكشف أيضًا عن الأخطاء التي تم ارتكابها سابقًا. يمكن أن تشمل الخصائص الجزيئية الاختلافات في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين، أو الاختلافات في تسلسل النيوكليوتيد الفردي للجين، أو الاختلافات في ترتيبات الجينات. تفترض السلالات القائمة على الأحرف الجزيئية أنه كلما كانت التسلسلات أكثر تشابهًا في كائنين، زاد ارتباطهما ارتباطًا وثيقًا. تتغير الجينات المختلفة تطوريًا بمعدلات مختلفة وهذا يؤثر على المستوى الذي تكون فيه مفيدة في تحديد العلاقات. تعد التسلسلات سريعة التطور مفيدة لتحديد العلاقات بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة. تعد التسلسلات التي تتطور ببطء أكثر مفيدة لتحديد العلاقات بين الأنواع ذات الصلة البعيدة. لتحديد العلاقات بين الأنواع المختلفة جدًا مثل Eukarya و Archaea، يجب أن تكون الجينات المستخدمة قديمة جدًا وتتطور ببطء وتوجد في كلتا المجموعتين، مثل جينات الحمض النووي الريبي الريبوزي. تساعد مقارنة أشجار النشوء والتطور باستخدام تسلسلات مختلفة والعثور عليها متشابهة على بناء الثقة في العلاقات المستنبطة.

في بعض الأحيان يتشارك قطاعان من 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. على سبيل المثال، تتشارك ذبابة الفاكهة 60 بالمائة من حمضها النووي مع البشر. ² في هذه الحالة، تم تطوير خوارزميات إحصائية قائمة على الكمبيوتر للمساعدة في تحديد العلاقات الفعلية، وفي النهاية، يعد الاستخدام المزدوج لكل من المعلومات المورفولوجية والجزيئية أكثر فعالية في تحديد السلالات.

التطور في العمل: لماذا يعتبر علم الأنساب مهمًا؟

بالإضافة إلى تعزيز فهمنا للتاريخ التطوري للأنواع، فإن تحليلنا الوراثي المتضمن له العديد من التطبيقات العملية. يتضمن اثنان من هذه التطبيقات فهم تطور المرض وانتقاله واتخاذ القرارات بشأن جهود الحفظ. قامت دراسة رقم ³ أجريت عام 2010 على MRSA (المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين)، وهي بكتيريا مسببة للأمراض مقاومة للمضادات الحيوية، بتتبع أصل السلالة وانتشارها على مدار الأربعين عامًا الماضية. كشفت الدراسة عن توقيت وأنماط انتقال السلالة المقاومة من نقطة نشأتها في أوروبا إلى مراكز العدوى والتطور في أمريكا الجنوبية وآسيا وأمريكا الشمالية وأستراليا. أشارت الدراسة إلى أن إدخال البكتيريا إلى مجموعات جديدة حدث مرات قليلة جدًا، ربما مرة واحدة فقط، ثم انتشر من هذا العدد المحدود من الأفراد. هذا على النقيض من احتمال أن العديد من الأفراد قد نقلوا البكتيريا من مكان إلى آخر. تشير هذه النتيجة إلى أنه يجب على مسؤولي الصحة العامة التركيز على التعرف بسرعة على جهات الاتصال للأفراد المصابين بسلالة جديدة من البكتيريا للسيطرة على انتشارها.

المجال الثاني من الفائدة لتحليل النشوء والتطور هو الحفظ. جادل علماء الأحياء بأنه من المهم حماية الأنواع في جميع أنحاء شجرة النشوء والتطور بدلاً من تلك الموجودة في فرع واحد من الشجرة فقط. سيؤدي القيام بذلك إلى الحفاظ على المزيد من الاختلاف الناتج عن التطور. على سبيل المثال، يجب أن تركز جهود الحفظ على نوع واحد بدون أنواع شقيقة بدلاً من الأنواع الأخرى التي لديها مجموعة من الأنواع الشقيقة التي تطورت مؤخرًا. إذا انقرضت الأنواع الفردية المتميزة تطوريًا، فستفقد كمية غير متناسبة من الاختلاف عن الشجرة مقارنة بنوع واحد في مجموعة الأنواع ذات الصلة الوثيقة. قدمت دراسة نُشرت في عام 2007 (⁴) توصيات للحفاظ على أنواع الثدييات في جميع أنحاء العالم بناءً على مدى تميزها تطوريًا وتعرضها لخطر الانقراض. وجدت الدراسة أن توصياتهم تختلف عن الأولويات القائمة ببساطة على مستوى خطر الانقراض لهذا النوع. أوصت الدراسة بحماية بعض الثدييات الكبيرة المهددة والقيمة مثل إنسان الغاب والباندا العملاقة والصغيرة والفيلة الأفريقية والآسيوية. لكنهم وجدوا أيضًا أنه يجب حماية بعض الأنواع الأقل شهرة بناءً على مدى تميزها التطوري. وتشمل هذه الأنواع عددًا من القوارض والخفافيش والزبابة والقنافذ. بالإضافة إلى ذلك، هناك بعض الأنواع المهددة بالانقراض والتي لم يتم تصنيفها على أنها مهمة جدًا في التميز التطوري بما في ذلك أنواع فئران الغزلان والجربوع. في حين أن العديد من المعايير تؤثر على قرارات الحفظ، فإن الحفاظ على التنوع الوراثي يوفر طريقة موضوعية لحماية النطاق الكامل للتنوع الناتج عن التطور.

بناء أشجار النشوء والتطور

كيف يقوم العلماء ببناء أشجار النشوء والتطور؟ في الوقت الحاضر، الطريقة الأكثر قبولًا لبناء أشجار النشوء والتطور هي طريقة تسمى علم التصنيف. تصنف هذه الطريقة الكائنات الحية إلى مجموعات ومجموعات من الكائنات الحية الأكثر ارتباطًا ببعضها البعض والسلف الذي تنحدر منه. على سبيل المثال، في الشكل\(\PageIndex{4}\)، تطورت جميع الكائنات الحية في المنطقة المظللة 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 تشمل الكتل الأنواع الأسلاف وجميع الأحفاد من نقطة فرعية.

آرت كونيكشن

الشكل\(\PageIndex{4}\): تنحدر السحالي والأرانب والبشر جميعًا من سلف مشترك تطورت فيه البويضة الأمنيوسية. 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.

الخصائص المشتركة

يعتمد التصنيف على ثلاثة افتراضات. الأول هو أن الكائنات الحية مرتبطة بالنسب من سلف مشترك، وهو افتراض عام للتطور. والثاني هو أن الانتواع يحدث عن طريق تقسيم نوع واحد إلى نوعين، وليس أكثر من نوعين في كل مرة، وبشكل أساسي في وقت واحد. هذا أمر مثير للجدل إلى حد ما، ولكنه مقبول لمعظم علماء الأحياء كتبسيط. الافتراض الثالث هو أن السمات تتغير بدرجة كافية بمرور الوقت حتى يتم اعتبارها في حالة مختلفة. من المفترض أيضًا أنه يمكن للمرء تحديد الاتجاه الفعلي للتغيير للدولة. بمعنى آخر، نفترض أن البويضة الأمنيوسية هي حالة شخصية لاحقة عن البويضات غير السلوي. وهذا ما يسمى قطبية تغيير الحرف. نحن نعرف ذلك بالإشارة إلى مجموعة خارج الكليد: على سبيل المثال، تحتوي الحشرات على بويضات غير سلوي؛ لذلك، هذه هي حالة الشخصية القديمة أو الأجداد. تقارن التصنيفات داخل المجموعات والمجموعات الخارجية. المجموعة الداخلية (السحلية والأرنب والإنسان في مثالنا) هي مجموعة الأصناف التي يتم تحليلها. المجموعة الخارجية (اللانسيليت واللامبري والأسماك في مثالنا) هي نوع أو مجموعة من الأنواع التي تباعدت قبل السلالة التي تحتوي على المجموعة (المجموعات) ذات الاهتمام. من خلال مقارنة أعضاء المجموعة ببعضهم البعض وبأعضاء المجموعة الخارجية، يمكننا تحديد الخصائص التي تعتبر تعديلات تطورية تحدد نقاط الفروع في سلالة المجموعة.

إذا تم العثور على خاصية في جميع أعضاء المجموعة، فهي شخصية أسلاف مشتركة لأنه لم يحدث أي تغيير في السمة أثناء نزول كل عضو من أعضاء الكليد. على الرغم من أن هذه السمات تبدو مثيرة للاهتمام لأنها توحد الكليد، إلا أنها تعتبر في علم التصنيف غير مفيدة عندما نحاول تحديد علاقات أعضاء الكليد لأن كل عضو هو نفسه. في المقابل، ضع في اعتبارك خاصية البويضة الأمنيوسية في الشكل\(\PageIndex{4}\). تمتلك بعض الكائنات الحية فقط هذه السمة، وبالنسبة لأولئك الذين يمتلكونها، يطلق عليها اسم الشخصية المشتقة المشتركة لأن هذه السمة تغيرت في مرحلة ما أثناء الهبوط. تخبرنا هذه الشخصية عن العلاقات بين أعضاء الكليد؛ فهي تخبرنا أن السحالي والأرانب والبشر يتجمعون معًا بشكل وثيق أكثر من أي من هذه الكائنات الحية مع الأسماك واللامبريز واللانسيليتس.

من الجوانب المربكة أحيانًا للشخصيات «الأسلاف» و «المشتقة» أن هذه المصطلحات نسبية. يمكن أن تكون نفس السمة إما قديمة أو مشتقة اعتمادًا على الرسم التخطيطي المستخدم والكائنات الحية التي تتم مقارنتها. يجد العلماء هذه المصطلحات مفيدة عند التمييز بين الكتل أثناء بناء أشجار النشوء والتطور، ولكن من المهم أن نتذكر أن معناها يعتمد على السياق.

اختيار العلاقات الصحيحة

يعد إنشاء شجرة النشوء والتطور، أو cladogram، من بيانات الشخصية مهمة ضخمة تُترك عادةً للكمبيوتر. يقوم الكمبيوتر برسم شجرة بحيث تشترك جميع الكتل في نفس قائمة الأحرف المشتقة. ولكن هناك قرارات أخرى يجب اتخاذها، على سبيل المثال، ماذا لو كان وجود الأنواع في الكليد مدعومًا بجميع الأحرف المشتقة المشتركة لهذا الكليد باستثناء واحدة؟ أحد الاستنتاجات هو أن السمة تطورت في الأسلاف، ولكن بعد ذلك تغيرت مرة أخرى في ذلك النوع الواحد. كما يجب افتراض أن حالة الشخصية التي تظهر في مجموعتين قد تطورت بشكل مستقل في تلك المجموعات. هذه التناقضات شائعة في الأشجار المستمدة من بيانات الشخصيات وتعقد عملية صنع القرار بشأن الشجرة التي تمثل العلاقات الحقيقية بين الأصناف عن كثب.

للمساعدة في المهمة الهائلة المتمثلة في اختيار أفضل شجرة، غالبًا ما يستخدم العلماء مفهومًا يسمى الحد الأقصى للبارسيموني، مما يعني أن الأحداث حدثت بأبسط الطرق وأكثرها وضوحًا. هذا يعني أن الشجرة «الأفضل» هي تلك التي تحتوي على أقل عدد من انعكاسات الأحرف، وأقل عدد من تغييرات الأحرف المستقلة، وأقل عدد من تغييرات الأحرف في جميع أنحاء الشجرة. تبحث برامج الكمبيوتر في جميع الأشجار الممكنة للعثور على عدد صغير من الأشجار بأبسط المسارات التطورية. بدءًا من جميع السمات المتماثلة في مجموعة من الكائنات الحية، يمكن للعلماء تحديد ترتيب الأحداث التطورية التي حدثت فيها تلك السمات الأكثر وضوحًا وبساطة.

مفهوم في العمل

ممارسة Parsimony: انتقل إلى هذا الموقع لمعرفة كيفية استخدام الحد الأقصى من البارسيمون لإنشاء أشجار النشوء والتطور (تأكد من المتابعة إلى الصفحة الثانية).

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 القسم

لبناء أشجار النشوء والتطور، يجب على العلماء جمع معلومات شخصية تسمح لهم بإجراء روابط 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). بعد تحديد المعلومات المتجانسة، يستخدم العلماء علم التصنيف لتنظيم هذه الأحداث كوسيلة لتحديد جدول زمني تطوري. يطبق العلماء مفهوم الحد الأقصى للتقشف، الذي ينص على أن الترتيب المحتمل للأحداث هو على الأرجح أبسط مسار أقصر. بالنسبة للأحداث التطورية، سيكون هذا هو المسار الذي يحتوي على أقل عدد من الاختلافات الرئيسية المرتبطة بالأدلة.

اتصالات فنية

الشكل\(\PageIndex{3}\): 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 الأمينوتا تتفرع في وقت أبكر من الكليد الذي يشمل الحيوانات ذات الشعر.

الحواشي

1. 1 جيبونز، أ. (2012، 13 يونيو). العلم الآن. تم الاسترجاع من news.sciencemag.org/scienceno sequenced.html
2. (2) خلفية عن التحليل الجيني المقارن. (2002، ديسمبر). تم الاسترجاع من http://www.genome.gov/10005835
3. 3 هاريس، إس آر وآخرون 2010. تطور MRSA أثناء الانتقال إلى المستشفى والانتشار العابر للقارات. العلوم 327:469-474.
4. 4 إسحاق نيوجيرسي، تورفي إس تي، كولين بي، ووترمان سي، بيلي جي (2007) ثدييات على الحافة: أولويات الحفظ على أساس التهديد والتطور. رقم واحد (23): e296. قم بما يلي: 10.1371/journal.pone.0000296

مسرد المصطلحات

هيكل مماثل

شخصية موجودة في صنفين متشابهين بسبب التطور المتقارب، وليس بسبب النسب من سلف مشترك

كلايد

مجموعة من الأصناف بنفس مجموعة الأحرف المشتقة المشتركة، بما في ذلك الأنواع الأسلاف وجميع أحفادها

تصنيف

طريقة تستخدم لتنظيم السمات المتماثلة لوصف السلالات باستخدام السلالة الشائعة كمعيار أساسي يستخدم لتصنيف الكائنات الحية

الحد الأقصى للرشونة

تطبيق الطريقة الأبسط والأكثر وضوحًا بأقل عدد من الخطوات

النظاميات الجزيئية

طرق استخدام الأدلة الجزيئية لتحديد علاقات النشوء

مجموعة أحادية

(أيضًا، clade) الكائنات الحية التي تشترك في سلف واحد

شخصية أسلاف مشتركة

شخصية في فرع النشوء والتطور تشترك فيه فئة معينة

شخصية مشتقة مشتركة

شخصية على شجرة النشوء والتطور لا تشترك فيها سوى فئة معينة من الكائنات الحية

المساهمون والصفات

• Template:ContribOpenStaxConcepts