12.1: 组织地球上的生命

Last updated
Save as PDF

Page ID: 199034

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

地球上的所有生命都是从共同的祖先进化而来的。生物学家通过构造系统发育树来绘制生物之间的关系。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，如图所示\(\PageIndex{1}\)。请注意，从一个点开始，古细菌、细菌和真核的三个结构域会分开，然后反复分支。这张图中动植物（包括人类）占据的小树枝显示了这些群体与其他群体相比最近起源的时间。

这棵系统发育树表明，生命的三个领域，即细菌、古细菌和真核，都起源于共同的祖先。 — **图\(\PageIndex{1}\)：**在地球生命的进化中，生命的三个领域——古细菌、细菌和真核——从一个点分支。（来源：埃里克·加巴对作品的修改）

图中的系统发育树\(\PageIndex{1}\)说明了进化史的路径。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，向后追溯到任何分支点，可以识别出与之有不同亲密关系的生物。

系统发育是进化史以及一个物种或一组物种之间的关系。以推导它们之间的关系为目的对生物的研究被称为系统学。

生物学研究中的许多学科都有助于理解过去和现在的生命是如何随着时间的推移而演变的，它们共同为建立、更新和维护 “生命之树” 做出了贡献。收集的信息可能包括从化石、形态学研究、身体部位结构或分子结构（例如蛋白质或DNA核苷酸中的氨基酸序列）中收集的数据。通过考虑不同数据集生成的树木，科学家可以汇总物种的系统发育。

科学家继续在地球上发现新的生命物种以及新的角色信息，因此随着新数据的到来，树木会发生变化。

分类级别

分类法（字面意思是 “排列法”）是一门对物种进行命名和分组以构建国际共享分类系统的科学。分类学分类系统（也以其发明者、瑞典博物学家卡尔·林奈的名字命名为林奈系统）使用分层模型。分层系统有多个级别，其中一个级别的每个组包括下一个最低级别的组，因此在最低级别，每个成员都属于一系列嵌套组。一个类比是计算机主磁盘驱动器上的一系列嵌套目录。例如，在最具包容性的分组中，科学家将生物分为三个领域：细菌、古细菌和真核。每个域内都有一个称为王国的第二层。每个域名包含多个王国。在王国中，随后特异性不断提高的类别是：phylum、阶级、秩序、家族、属和物种。

例如，家犬的分类等级如图所示\(\PageIndex{2}\)。每个级别的群组被称为分类单元（复数：分类群）。换句话说，对于狗来说，Carnivora 是阶层的分类单元，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，例如家犬或狼。除物种外，每个分类单元名称均使用大写，属和物种名称用斜体表示。科学家通过生物的属名和物种名称一起称呼生物体，通常称为学名或拉丁名。这种双名制被称为二项式命名法。因此，狼的学名是犬狼疮。最近对家犬和狼的DNA的研究表明，家犬是狼的亚种，而不是它自己的物种，因此它被赋予了一个额外的名称以表明其亚种状态，即 Canis lupus familiaris。

\(\PageIndex{2}\)该图还显示了分类学水平如何向特异性发展。请注意，在域内我们如何发现这只狗的生物种类最为丰富。这些包括未被描绘的植物和其他生物，例如真菌和原生生物。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。在达尔文的进化论发展之前，博物学家有时会使用任意的相似之处对生物进行分类，但自从进化论是在 19 ^世纪提出的，生物学家努力使分类系统反映进化关系。这意味着一个分类单元的所有成员都应该有一个共同的祖先，并且彼此之间的关系比与其他分类单元的成员的关系更为密切。

最近的遗传分析和其他进展发现，一些早期的分类学分类并不能反映实际的进化关系，因此，随着新发现的出现，必须进行更改和更新。最近的一个引人注目的例子是原核生物的分裂，直到1970年代，原核生物都被归类为细菌。它们分为古细菌和细菌是在认识到它们的巨大遗传差异使它们分为生命的三个基本分支中的两个之后才分为古细菌和细菌的。

艺术连接

插图显示了不同物种共享的分类组。展示的所有生物，植物、昆虫、鱼、兔子、猫、狐狸、jack 狼、狼和狗，都在 Eukarya 域中。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、狼和狗都属于犬类。狼和狗的物种名称为 Canis Lupus。狗的亚种命名为 Canis lupus familiaris。 — **图\(\PageIndex{2}\)：**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” 对罗伯特·杜瓦作品的修改；来源 “dog”：“digital_image_fan” /Flickr 对作品的修改）

在哪些关卡中，猫和狗被认为属于同一个群体？

概念在行动

代表网址的二维码

访问此网站以了解有关分类学的更多信息。

分类和系统发育

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关系。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。嵌套在更具包容性的组中的群组的分层分类反映在图表中。科学家认为系统发育树是进化过去的假设，因为人们无法穿越时空来确认拟议的关系。

与分类学分类不同，系统发育树可以像进化史地图一样阅读，如图所示\(\PageIndex{3}\)。共同特征用于构造种系发育树。树中出现分裂的点称为分支点，代表单个谱系演变为不同的新谱系的地方。许多种系发育树的底部有一个分支点，代表树中所有树枝的共同祖先。科学家称这种树是扎根的，这意味着在系统发育树的底部有一个单一的祖先分类单元，图中表示的所有生物都来自该分类单元。当两个谱系源于同一个分支点时，它们被称为姐妹分类群，例如两种猩猩。由两个以上组组成的分支点说明了科学家尚未明确确定关系的情况。通往大猩猩亚种的三个分支就是一个例子；它们的确切关系尚不清楚。值得注意的是，姐妹分类群共享一个祖先，这并不意味着一个分类单元是从另一个分类单元进化而来的。分支点或分裂代表过去存在但已不存在的共同祖先。人类不是从黑猩猩进化而来的（黑猩猩也不是从人类进化而来的），尽管它们是我们最亲近的活着亲属。科学家认为，人类和黑猩猩都是从一个共同的祖先进化而来的，科学家们认为，这个祖先生活在六百万年前，看上去与现代黑猩猩和现代人类都不一样。

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。树生根后不久，树就会分枝。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。下一个分支分为四个不同的谱系，例如 polytomy。最后一个分支产生了两个谱系，以姊妹分类群为例。 — **图\(\PageIndex{3}\)：**系统发育树已扎根，显示了不同的生物（在本例中为活猿的物种和亚种）是如何从共同祖先进化而来的。

系统发育树结构中的分支点和分支也意味着进化变化。有时，重要的字符变化是在分支或分支点上识别出来的。例如，在图中\(\PageIndex{4}\)，产生来自青蛙谱系的哺乳动物和爬行动物谱系的分支点显示了羊膜卵角色的起源。此外，哺乳动物、爬行动物、两栖动物和下巴鱼的共同祖先也指出了产生有腿的生物的分支点。

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，则树枝向上引向另一个问题，是否存在铰链下巴？如果答案是否定的，则树枝向下通向 lampreys。 — **图\(\PageIndex{4}\)：**这棵系统发育树的根源是缺少脊柱的生物。在每个分支点，具有不同特征的生物被分成不同的群体。

系统发育树的局限性

很容易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截然不同的环境下进化而来，或者在重大新改编演变之后进化，那么它们看起来可能大不相同，甚至比其他关系不那么密切的群体更是如此。例如，图中的系统发育树\(\PageIndex{4}\)显示蜥蜴和兔子都有羊膜卵，而火蜥蜴（在青蛙谱系中）没有；但从表面上看，蜥蜴和火蜥蜴看起来比蜥蜴和兔子更相似。

系统发育树的另一个方面是，除非另有说明，否则树枝不显示时间长度，它们只显示进化事件的时间顺序。换句话说，除非在图中指定，否则长分支不一定意味着经过更长的时间，短的分支也不意味着经过的时间更少。例如，在图中\(\PageIndex{4}\)，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\(\PageIndex{4}\)，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，与真正的树类似，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\(\PageIndex{4}\)，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，看起来彼此之间可能比与近亲更相似。

章节摘要

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。每种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，分类学分类系统有望反映进化关系。

艺术联系

图\(\PageIndex{2}\)：在哪些关卡中，猫和狗被认为属于同一个群体？

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

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: 系统发育树上的一个点，其中单个谱系分裂成不同的新谱系

班级: 分类学分类系统中属于 phylum 的类别，包括顺序

域: 分类系统中最高级别的类别，包括其下的所有分类分类；它是最具包容性的分类单元

家庭: 分类学分类系统中按顺序排列的类别，包括属

属: 分类学分类系统中属于家族的类别，包括物种；学名的第一部分

王国: 分类学分类系统中属于域的类别，包括 phyla

订购: 分类学分类系统中属于类别的类别，包括家族

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: 分类学分类系统中属于王国范围的类别，包括类别

扎根于: 描述了一棵具有单一祖先谱系的系统发育树，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

物种: 最具体的分类类别

系统学: 确定生物进化关系的科学

类群: 分类分类系统中的单一级别

分类学: 对生物进行分类的科学

贡献者

Template:ContribOpenStaxConcepts