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20.1: 组织地球上的生命

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    培养技能

    • 讨论是否需要一个全面的分类系统
    • 列出分类分类系统的不同级别
    • 描述系统学和分类学与系统发育的关系
    • 讨论系统发育树的组成部分和用途

    用科学术语来说，一个生物体或一组生物的进化史和关系被称为系统发育。 系统发育描述了生物之间的关系，例如它被认为是从哪个生物进化而来的，它与哪个物种的关系最密切等等。 系统发育关系提供有关共同血统的信息，但不一定提供有关生物如何相似或不同的信息。

    系统发育树

    科学家使用一种称为系统发育树的工具来显示生物之间的进化途径和联系。 系统发育树是一种用于反映生物或生物群之间的进化关系的图表。 科学家认为系统发育树是进化历史的假设，因为人们无法回过头来确认拟议的关系。 换句话说，可以构建 “生命之树” 来说明不同生物何时进化，并显示不同生物之间的关系（图\(\PageIndex{1}\)）。

    与分类学分类图不同，系统发育树可以像进化史地图一样阅读。 许多种系发育树的底部只有一个谱系，代表共同的祖先。 科学家称这种树有根，这意味着存在一个单一的祖先谱系（通常从底部或左侧绘制），图中表示的所有生物都与之相关。 请注意，在有根的系统发育树中，细菌、古细菌和真核这三个结构域从一个点分散并分支出来。 这张图中动植物（包括人类）占据的小分支显示了这些群体与其他生物相比是多么新且微不足道。 无根树木没有共同的祖先，但确实显示出物种之间的关系。

    a 部分中的系统发育树已扎根，类似于一棵活树，树干的底部标明了共同的祖先。 两根树枝从树干上形成。 左边的分支通向细菌域。 右边的树枝又分支了，产生了古细菌和真核菌。 每个域中较小的分支表示该域中存在的群组。 B 部分中的系统发育树是无根的。 它不像活树；相反，古细菌、真核和细菌域内的生物群是围成一圈排列的。 线路连接每个域内的群组。 然后，Archaea 和 Eukarya 中的群组连接在一起。 一条来自 Archaea/Eukarya 域的线和另一条来自细菌的线在圆圈的中心相遇。 没有根，因此没有迹象表明哪个域首先出现。
    图\(\PageIndex{1}\)：这两棵系统发育树都显示了生命的三个领域（细菌、古细菌和真核菌）之间的关系，但是（a）有根的树试图识别不同物种何时与共同祖先分歧，而（b）无根树则没有。 （来源 a：埃里克·加巴对作品的修改）

    在有根的树中，分支表示进化关系（图\(\PageIndex{2}\)）。 分裂发生的点称为分支点，代表单个谱系演变为独特的新谱系的地方。 从根系早期进化而仍未分支的谱系被称为基础分类单元。 当两个谱系源于同一个分支点时，它们被称为姐妹分类群。 具有两个以上谱系的分支被称为多切术，用于说明科学家尚未明确确定所有关系的地方。 值得注意的是，尽管姊妹分类群和多切术确实有共同的祖先，但这并不意味着生物群相互分裂或进化。 两个分类群中的生物可能已在特定的分支点分裂，但两个分类群都没有产生另一个分类群。

    插图显示了一棵从根部开始的系统发育树，这表明树上的所有生物都有一个共同的祖先。 生根后不久，树就分枝了。 一根树枝产生单一的基础谱系，另一根树枝产生树上的所有其他生物。 下一个分支在某一点分为四个不同的谱系，这是多切术的一个例子。 最后一个分支产生了两个谱系，以姊妹分类群为例。
    图\(\PageIndex{2}\)：系统发育树的根表明树上的所有生物都由祖先谱系产生。 分支点表示两个谱系的分歧位置。 早期进化但仍未分支的谱系是基础类群。 当两个谱系源自同一个分支点时，它们是姐妹分类群。 具有两个以上谱系的分支是多切术。

    上面的图表可以作为理解进化史的途径。 通过穿越两点之间的进化分支，可以追溯到从生命起源到任何单个物种的路径。 此外，通过从单一物种开始，追溯到树的 “树干”，人们可以发现该物种的祖先，以及谱系共享共同祖先的地方。 此外，这棵树可以用来研究整个生物群体。

    关于系统发育树的结构，需要提及的另一点是，分支点的旋转不会改变信息。 例如，如果旋转分支点而分类单元顺序发生变化，则这不会改变信息，因为每个分类单元从分支点进化是独立于另一个分类单元的。

    生物学研究中的许多学科都有助于理解过去和现在的生活是如何随着时间的推移而演变的；这些学科共同为建立、更新和维护 “生命之树” 做出了贡献。 在称为系统学的科学领域，信息用于根据进化关系对生物进行组织和分类。 数据可以从化石、研究生物体使用的身体部位或分子的结构以及通过DNA分析来收集。 通过合并来自多个来源的数据，科学家可以汇总生物体的系统发育；由于系统发育树是假设，因此随着新生命类型的发现和新信息的学习，它们将继续发生变化。

    系统发育树的局限性

    可以很容易地假设关系更密切的生物看起来更相似，尽管情况经常如此，但并非总是如此。 如果两个密切相关的谱系在千差万别的环境中或在重大新改编演变之后进化而来，那么这两个群体看起来可能比其他关系不那么密切的群体有更大的不同。 例如，图中的系统发育树\(\PageIndex{3}\)显示蜥蜴和兔子都有羊膜卵，而青蛙没有；但是蜥蜴和青蛙看起来比蜥蜴和兔子更相似。

    梯状的系统发育树从左边的树干开始。 树干旁边的一个问题是问椎柱是否存在。 如果答案是否定的，则树枝向下通向柳叶刀。 如果答案是肯定的，则树枝向上引出另一个问题：铰链下巴存在吗？ 如果答案是否定的，则树枝向下通向七鳃鳗处。 如果答案是肯定的，则树枝向上引出另一个问题：双腿存在吗？ 如果答案是否定的，则树枝向下通向鱼。 如果答案是肯定的，则树枝向上引出另一个问题：鸡蛋有羊膜吗？ 如果答案是否定的，则树枝向下通向青蛙。 如果答案是肯定的，则树枝向上引出另一个问题：头发存在吗？ 如果答案是否定的，则树枝向下通向蜥蜴。 如果答案是肯定的，则树枝向上通向兔子。
    图\(\PageIndex{3}\)：这种阶梯状的脊椎动物种系发育树植根于缺乏椎柱的生物。 在每个分支点，具有不同特征的生物根据它们共同的特征被分为不同的群体。

    系统发育树的另一个方面是，除非另有说明，否则树枝不考虑时间长度，只考虑进化顺序。 换句话说，除非在图中指定，否则分支的长度通常并不意味着经过的时间越长，也不意味着经过的时间越短。 例如，在图中\(\PageIndex{3}\)，这棵树没有表明羊膜卵和毛发的进化之间经过了多长时间。 这棵树所显示的是事情发生的顺序。 再次使用 Figure\(\PageIndex{3}\)，这棵树显示最古老的特征是椎柱，其次是铰链下巴，依此类推。 请记住，任何种系发育树都是更大整体的一部分，就像一棵真正的树一样，它在新树枝发育后不会只朝一个方向生长。 因此，对于图中的生物来说\(\PageIndex{3}\)，仅仅因为椎柱进化并不意味着无脊椎动物的进化停止，它只意味着形成了新的分支。 此外，关系不密切但在相似条件下进化的群体在表型上可能比与近亲更相似。

    链接到学习

    前往这个网站查看互动练习，这些练习可以让你探索物种之间的进化关系。

    分类级别

    分类法（字面意思是 “安排法”）是一门对生物进行分类的科学，目的是构建国际共享的分类系统，将每个生物分为越来越具有包容性的分组。 想想杂货店是如何组织的。 一个大型空间分为农产品、乳制品和肉类等部门。 然后每个部门进一步划分为过道，然后将每个过道分为类别和品牌，最后是单一产品。 这种从大到小、更具体的类别的组织被称为分层系统。

    分类学分类系统（也以其发明者、瑞典植物学家、动物学家和医生卡尔·林奈的名字命名为林奈系统）使用分层模型。 从起源点开始，这些群体变得更加具体，直到一个分支作为单一物种结束。 例如，在所有生命的共同起点之后，科学家将生物分为三大类，称为结构域：细菌、古细菌和真核。 每个域中都有第二个类别，称为王国。 继王国之后，特异性不断提高的后续类别是：phylum、阶级、秩序、家族、属和物种（图\(\PageIndex{4}\)）。

    插图显示了一只狗的分类，它属于 Eukarya、Kingdom Animalia、phylum Chordata、哺乳动物类、顺序食肉动物、犬科、犬属、犬狼疮物种，亚种是 Canis lupus familiaris。
    图\(\PageIndex{4}\)：分类学分类系统使用分层模型将活生物体组织成越来越具体的类别。 普通狗 Canis lupus familiaris 是犬狼疮的一个亚种，其中还包括狼和野狗。 （来源 “狗”：Janneke Vreugdenhil 对作品的修改）

    动物王国起源于 Eukarya 域。 对于普通狗，分类等级将如图所示\(\PageIndex{4}\)。 因此，从技术上讲，生物体的全名有八个术语。 对于狗来说，它是：Eukarya、Animalia、Chordata、Mammalia、Carnivora、C anidae、Canis 和狼疮。 请注意，除物种外，每个名称均使用大写，属和物种名称使用斜体。 科学家通常仅按其属和种来称呼生物体，即其两个字的学名，即所谓的二项式命名法。 因此，这只狗的学名是犬狼疮。 每个级别的名称也称为分类单元。 换句话说，狗是按顺序排列的 Carnivora。 Carnivora 是阶级分类单元的名称；Canidae 是家族层面的分类单元，依此类推。 生物也有人们通常使用的通用名称，在本例中为狗。 请注意，这只狗还是一个亚种：Canis lupus familiaris 中的 “familiaris”。 亚种是能够交配和繁殖活后代的同一物种的成员，但由于地理或行为隔离或其他因素，它们被视为单独的亚种。

    该图\(\PageIndex{5}\)显示了水平如何向其他生物的特异性发展。 注意狗是如何与包括植物和蝴蝶在内的各种生物共享一个域的。 在每个子层面上，生物都变得更加相似，因为它们之间的关系更为密切。 历史上，科学家使用特征对生物进行分类，但随着DNA技术的发展，已经确定了更精确的系统发育。

    艺术连接

    插图显示了不同物种共享的分类组。 所有显示的生物都在 Eukarya 域中：植物、昆虫、鱼、兔子、猫、狐狸、jack 狼、狼和狗。 其中，昆虫、鱼、兔子、猫、狐狸、jack 狼、狼和狗都在 Animalia 王国中。 在 Animalia 王国中，鱼、兔子、猫、狐狸、jack 狼、狼和狗都在 phylum Chordata 中。 兔子、猫、狐狸、jack 狼、狼和狗属于哺乳动物类。 猫、狐狸、jack 狼、狼和狗按照 Carnivora 的顺序排列。 狐狸、jack 狼、狼和狗都在 Canidae 家族中。 Jack 狼、狼和狗属于犬属。 狼和狗，物种名称为 Canis lupus。 狗的亚种命名为 Canis lupus familiaris。
    图\(\PageIndex{5}\)：在分类学分类系统的每个子级别，生物都变得更加相似。 狗和狼是同一个物种，因为它们可以繁殖和产生可行的后代，但它们差异很大，可以归类为不同的亚种。 （来源 “plant”：修改 “berduchwal” /Flickr 的作品；来源 “昆虫”：乔恩·沙利文对作品的修改；来源 “鱼”：克里斯蒂安·梅尔菲勒对作品的修改；来源 “兔子”：乔纳森·利德贝克对作品的修改；来源 “fox”：修改核动力源凯文·巴切尔的作品；来源 “jackal”：修改美国地质调查局 NBII Thomas A. Hermann 的作品；来源 “狼”：修改罗伯特·杜瓦的作品；来源 “dog”：“digital_image_fan” /Flickr 对作品的修改）

    在什么级别上，猫和狗被认为属于同一个群体？

    最近的遗传分析和其他进展发现，一些早期的系统发育分类与过去的进化不一致；因此，随着新发现的出现，必须进行更改和更新。 回想一下，系统发育树是假设，随着数据的可用而修改。 此外，从历史上看，分类主要侧重于按共同特征对生物进行分组，并不一定从进化的角度说明各个群体之间的关系。 例如，尽管河马比鲸鱼更像猪，但河马可能是鲸鱼最亲近的活亲属。

    摘要

    科学家不断获得有助于了解地球生命进化史的新信息。 每组生物都经历了自己的进化之旅，称为系统发育。 每个生物都与其他生物有着共同的关联性，根据形态学和遗传证据，科学家们试图绘制地球上所有生命的进化路径。 从历史上看，生物被组织成分类系统。 但是，如今，许多科学家建造了系统发育树来说明进化关系。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{5}\)：猫和狗在什么级别上被视为同一个群体？

    回答

    猫和狗属于同一个群体，分为五个级别：两者都属于 Eukarya、Animalia 王国、phylum Chordata、Mammalia 和 Carnivora 等级。

    词汇表

    基础类群
    与根祖没有显著差异的系统发育树上的分支
    二项式命名法
    生物体由两部分组成的学名系统，包括属名和物种名称
    分支点
    系统发育树上的节点，其中单个谱系分裂成不同的新谱系
    班级
    分类分类系统中 phylum 的划分
    家庭
    分类分类系统中的顺序划分
    属
    分类学分类系统中的家族划分；二项式学名的第一部分
    王国
    分类分类系统中的域划分
    订购
    分类分类系统中的分类划分
    种系发育树
    图表用于反映生物或生物群之间的进化关系
    系统发育
    一个生物体或一组生物的进化史和关系
    phylum
    （复数：phyla）分类分类系统中的王国划分
    多切术
    具有两个以上群组或分类群的系统发育树上的分支
    扎根于
    系统发育树上的单一祖先谱系，图中表示的所有生物都与之相关
    姐妹分类群
    两个谱系从同一个分支点分开
    系统学
    基于进化关系对生物进行组织和分类的领域
    类群
    （复数：分类群）分类系统中的单级
    分类学
    生物分类科学