20.2: Kuamua Mahusiano ya Mabadiliko

Last updated
Save as PDF

Page ID: 175319

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

Ujuzi wa Kuendeleza

Linganisha sifa za homologous na zinazofanana
Jadili madhumuni ya cladistics
Eleza upeo wa parsimoni

Wanasayansi wanapaswa kukusanya taarifa sahihi ambayo inawawezesha kufanya uhusiano wa mabadiliko kati ya viumbe. Sawa na kazi ya upelelezi, wanasayansi wanapaswa kutumia ushahidi ili kufunua ukweli. Katika kesi ya phylogeny, uchunguzi wa mabadiliko huzingatia aina mbili za ushahidi: morphologic (fomu na kazi) na maumbile.

Chaguzi mbili kwa Kufanana

Kwa ujumla, viumbe vinavyogawana sifa za kimwili sawa na genomes huwa na uhusiano wa karibu zaidi kuliko zile ambazo hazifanyi. Vipengele vile vinavyoingiliana na maumbile (kwa fomu) na vinasaba hujulikana kama miundo ya homologous; hutokana na kufanana kwa maendeleo ambayo yanatokana na mageuzi. Kwa mfano, mifupa katika mbawa za popo na ndege wana miundo ya homologous (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Picha a inaonyesha ndege katika kukimbia na kuchora sambamba ya mrengo wa ndege. Picha b ni bat katika kukimbia na kuchora sambamba ya mrengo wa bat. Wote mrengo wa ndege na mrengo wa bat hushiriki mifupa ya kawaida, sawa na mifupa katika mikono na vidole vya wanadamu. Hata hivyo, katika mrengo wa bat, mifupa ya kidole ni ndefu na tofauti na huunda kijiko ambacho membrane ya mrengo imetambulishwa. Katika mrengo wa ndege, mifupa ya kidole ni ya muda mfupi na imeunganishwa pamoja mbele ya mrengo. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Bat na ndege mbawa ni miundo homologous, kuonyesha kwamba popo na ndege kushiriki kawaida mabadiliko ya zamani. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Steve Hillebrand, USFWS; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Marekani DOI BLM)

Angalia si tu mfupa mmoja, bali ni kikundi cha mifupa kadhaa iliyopangwa kwa namna hiyo. Kipengele kilicho ngumu zaidi, kuna uwezekano mkubwa wa aina yoyote ya kuingiliana ni kutokana na mabadiliko ya kawaida ya zamani. Fikiria watu wawili kutoka nchi mbalimbali wote wakitengeneza gari na sehemu zote sawa na katika utaratibu sawa bila ujuzi wowote uliopita au wa pamoja. Matokeo hayo yatakuwa yasiyowezekana sana. Hata hivyo, kama watu wawili wote walitengeneza nyundo, itakuwa busara kuhitimisha kwamba wote wanaweza kuwa na wazo la awali bila msaada wa mwingine. Uhusiano huo kati ya utata na historia ya mageuzi ya pamoja ni kweli kwa miundo ya homologous katika viumbe.

Kuonekana kupotosha

Viumbe vingine vinaweza kuwa na uhusiano wa karibu sana, japokuwa mabadiliko madogo ya maumbile yalisababisha tofauti kubwa ya kimaumbile ili kuwafanya waonekane tofauti kabisa. Vilevile, viumbe visivyohusiana vinaweza kuwa na uhusiano wa mbali, lakini huonekana sawa sana. Hii kwa kawaida hutokea kwa sababu viumbe vyote viwili vilikuwa katika marekebisho ya kawaida yaliyobadilika ndani ya hali sawa ya mazingira. Wakati sifa zinazofanana zinatokea kwa sababu ya vikwazo vya mazingira na si kutokana na uhusiano wa karibu wa mabadiliko, huitwa mlinganisho au homoplasy. Kwa mfano, wadudu hutumia mbawa kuruka kama popo na ndege, lakini muundo wa mrengo na asili ya embryonic ni tofauti kabisa. Hizi huitwa miundo inayofanana (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Tabia zinazofanana zinaweza kuwa sawa au sawa. Miundo ya homologous inashiriki asili sawa ya embryonic; viungo vinavyofanana vina kazi sawa. Kwa mfano, mifupa yaliyo mbele ya nyangumi ni sawa na mifupa katika mkono wa mwanadamu. Miundo hii si sawa. Mabawa ya kipepeo na mabawa ya ndege ni sawa lakini sio homologous. Miundo mingine ni sawa na ya homologous: mbawa za ndege na mabawa ya bat ni sawa na sawa. Wanasayansi wanapaswa kuamua aina gani ya kufanana kipengele kinachoonyesha kufafanua phylogeny ya viumbe vinavyojifunza.

Picha a inaonyesha bat mrengo, picha b inaonyesha ndege mrengo, na picha c inaonyesha mrengo honeybee, na wote watatu ni sawa katika sura ya jumla. Hata hivyo, mrengo wa ndege na mrengo wa bat wote hufanywa kutoka mifupa ya homologous ambayo ni sawa na kuonekana. Mrengo wa nyuki hufanywa kwa nyenzo nyembamba, za membranous badala ya mfupa. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mrengo (c) wa nyuki ya asali ni sawa na sura ya mrengo wa ndege (b) na (a) bat mrengo, na hutumikia kazi sawa. Hata hivyo, mrengo wa honeybee haujumuishi mifupa na ina muundo tofauti na asili ya embryonic. Aina hizi za mrengo (wadudu dhidi ya popo na ndege) zinaonyesha miundo mfanano-sawa ambayo haishiriki historia ya mabadiliko. (mikopo a: muundo wa kazi na Steve Hillebrand, USFWS; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Marekani DOI BLM; mikopo c: muundo wa kazi na Jon Sullivan)

Masi kulinganisha

Pamoja na maendeleo ya teknolojia ya DNA, eneo la mifumo ya Masi, ambayo inaelezea matumizi ya habari juu ya kiwango cha Masi ikiwa ni pamoja na uchambuzi wa DNA, imezaa. Programu mpya za kompyuta sio tu kuthibitisha viumbe vingi vya awali, lakini pia hufunua makosa yaliyofanywa hapo awali. Kama ilivyo na tabia za kimwili, hata mlolongo wa DNA unaweza kuwa gumu kusoma wakati mwingine. Kwa hali fulani, viumbe viwili vinavyohusiana kwa karibu sana vinaweza kuonekana visivyohusiana kama mabadiliko yalitokea yaliyosababisha mabadiliko katika kanuni za maumbile. Kuingiza au kufuta mutation ingeweza kusonga kila msingi wa nucleotide juu ya sehemu moja, na kusababisha codes mbili zinazofanana kuonekana zisizohusiana.

Wakati mwingine makundi mawili ya msimbo wa DNA katika viumbe vilivyohusiana mbali hushiriki nasibu asilimia kubwa ya besi katika maeneo yale yale, na kusababisha viumbe hivi kuonekana kwa karibu kuhusiana wakati hawako. Kwa hali hizi zote mbili, teknolojia za kompyuta zimeandaliwa ili kusaidia kutambua mahusiano halisi, na, hatimaye, matumizi ya pamoja ya habari zote mbili za kimaumbile na za Masi ni bora zaidi katika kuamua phylogeny.

Evolution Connection: Kwa nini Phylogeny Matter?

Wanabiolojia wa mabadiliko wanaweza kuorodhesha sababu nyingi kwa nini kuelewa phylogeny ni muhimu kwa maisha ya kila siku katika jamii ya binadamu. Kwa botanists, phylogeny hufanya kama mwongozo wa kugundua mimea mpya ambayo inaweza kutumika kuwafaidika watu. Fikiria njia zote ambazo binadamu hutumia mimea-chakula, dawa, na mavazi ni mifano michache. Ikiwa mmea una kiwanja ambacho ni bora katika kutibu kansa, wanasayansi wanaweza kutaka kuchunguza wote wa jamaa wa mmea huo kwa madawa mengine muhimu.

Timu ya utafiti nchini China ilibainisha sehemu ya DNA iliyofikiriwa kuwa ya kawaida kwa mimea ya dawa katika familia Fabaceae (familia ya legume) na kazi ya kutambua aina gani zilikuwa na sehemu hii (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Baada ya kupima spishi za mimea katika familia hii, timu ilipata alama ya DNA (eneo linalojulikana kwenye kromosomu iliyowawezesha kutambua spishi) zilizopo. Kisha, kwa kutumia DNA kufunua mahusiano ya phylogenetic, timu inaweza kutambua kama mmea mpya uliogunduliwa ulikuwa katika familia hii na kutathmini mali zake za dawa.

Mfano unaonyesha mmea wa Dalbergia sissoo, ambao ni mfupi na maganda na majani yaliyoumbwa na teardrop. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): *Dalbergia sissoo (D. sissoo)* ni katika Fabaceae, au familia legume. Wanasayansi waligundua kwamba *D. sissoo* anashiriki alama ya DNA na spishi ndani ya familia Fabaceae ambazo zina mali ya antifungal. Baadaye, *D. sissoo* ilionyeshwa kuwa na shughuli za fungicidal, kusaidia wazo kwamba alama za DNA zinaweza kutumiwa kuchunguza mimea yenye uwezo wa dawa.

Kujenga Miti Phylogenetic

Wanasayansi hujengaje miti ya phylogenetic? Baada ya sifa za homologous na zinazofanana zinapangwa, mara nyingi wanasayansi huandaa sifa za homologous kwa kutumia mfumo unaoitwa cladistics. Mfumo huu hutenganisha viumbe ndani ya clades: makundi ya viumbe yaliyotoka kutoka kwa babu moja. Kwa mfano, katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), viumbe vyote katika mkoa wa machungwa vilibadilishwa kutoka kwa babu moja aliyekuwa na mayai ya amniotic. Kwa hiyo, viumbe hivi vyote pia vina mayai ya amniotic na hufanya clade moja, pia huitwa kundi la monophyletic. Clades lazima iwe pamoja na wazao wote kutoka hatua ya tawi.

Sanaa Connection

Mfano unaonyesha kambi ya Vertebrata yenye umbo la V, ambayo inajumuisha lancelets, lampreys, samaki, mijusi, sungura, na wanadamu. Lancelets ni kwenye ncha ya kushoto ya V, na wanadamu wako kwenye ncha ya kulia. Mistari minne zaidi hutolewa sambamba na mstari wa lancelet; kila moja ya mistari hii huanza zaidi juu ya mkono wa kulia wa V kuliko ijayo. Mwishoni mwa kila mstari, kutoka kushoto kwenda kulia, ni lampreys, samaki, mijusi, na sungura. Mijusi, sungura, na binadamu wako katika clade Amniota, ambayo huunda V ndogo iliyojaa kona ya juu ya mkono wa kulia wa clade ya Vertebrata yenye umbo la V. — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mijusi, sungura, na wanadamu wote hutoka kutoka kwa babu wa kawaida aliyekuwa na yai ya amniotic. Hivyo, mijusi, sungura, na wanadamu wote ni wa Amniota ya clade. Vertebrata ni clade kubwa ambayo pia inajumuisha samaki na lamprey.

Ni wanyama gani katika takwimu hii ni wa clade ambayo inajumuisha wanyama wenye nywele? Ambayo ilibadilika kwanza, nywele au yai ya amniotic?

Clades inaweza kutofautiana kwa ukubwa kulingana na kile tawi uhakika ni kuwa inatazamwa. Sababu muhimu ni kwamba viumbe vyote katika kundi la clade au monophyletic hutoka kwenye sehemu moja juu ya mti. Hii inaweza kukumbukwa kwa sababu monophyletic huvunja ndani ya “mono,” maana yake ni moja, na “phyletic,” maana ya uhusiano wa mabadiliko. Kielelezo\(\PageIndex{5}\) kinaonyesha mifano mbalimbali ya clades. Angalia jinsi kila clade linatokana na hatua moja, ambapo makundi yasiyo ya clade yanaonyesha matawi ambayo hayashiriki hatua moja.

Sanaa Connection

Mifano inaonyesha mti wa phylogenetic unaojumuisha aina za eukaryotic. Mstari wa kati unawakilisha shina la mti. Kutoka shina hili, makundi mbalimbali ya tawi. Ili kutoka chini, hizi ni diplomonads, microsporidia, trichomonads, flagellates, entamoebae, molds slime, na ciliates. Juu ya mti, wanyama, fungi na mimea wote hutawi kutoka hatua moja na wamevuliwa kuonyesha kuwa wao ni katika clade moja. Flagellates ni juu ya tawi peke yao, na pia huunda clade yao wenyewe na ni kivuli kuonyesha hili. Katika picha nyingine, Flagellates na ciliates ni kivuli kuonyesha kwamba wao tawi kutoka pointi tofauti juu ya mti na si kuchukuliwa clades. Vivyo hivyo, kikundi cha wanyama na mimea lakini si fungi hakitachukuliwa kuwa kambi, ambacho hakiwezi kuwatenga tawi linalotokea katika hatua sawa na nyingine. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Viumbe vyote ndani ya shina la clade kutoka sehemu moja kwenye mti. Clade inaweza kuwa na makundi mengi, kama ilivyo kwa wanyama, fungi na mimea, au kikundi kimoja, kama ilivyo katika flagellates. Vikundi vinavyotofautiana kwenye hatua tofauti ya tawi, au ambazo hazijumuishi makundi yote katika hatua moja ya tawi, hazizingatiwi kuwa clades.

Je, ni clade kubwa zaidi katika mchoro huu?

Tabia zilizoshirikiwa

Viumbe hubadilika kutoka kwa mababu wa kawaida na kisha hutofautiana. Wanasayansi hutumia maneno “ukoo na urekebishaji” kwa sababu ingawa viumbe vinavyohusiana vina sifa nyingi sawa na nambari za maumbile, mabadiliko hutokea. Mfano huu unarudia mara kwa mara kama mtu anavyopitia mti wa phylogenetic wa uzima:

Mabadiliko katika maumbile ya kiumbe husababisha tabia mpya ambayo inakuwa imeenea katika kikundi.
Viumbe wengi hutoka kutoka hatua hii na kuwa na sifa hii.
Tofauti mpya zinaendelea kutokea: baadhi ni adaptive na kuendelea, na kusababisha sifa mpya.
Kwa sifa mpya, hatua mpya ya tawi imedhamiriwa (kurudi hatua ya 1 na kurudia).

Ikiwa tabia inapatikana katika babu wa kikundi, inachukuliwa kuwa tabia ya mababu ya pamoja kwa sababu viumbe vyote katika taxon au clade vina sifa hiyo. The vertebrate katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) ni tabia ya pamoja ya mababu. Sasa fikiria tabia ya yai ya amniotic katika takwimu sawa. Tu baadhi ya viumbe katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) na tabia hii, na kwa wale ambao kufanya, inaitwa pamoja inayotokana tabia kwa sababu tabia hii inayotokana wakati fulani lakini haina ni pamoja na wote wa mababu katika mti.

Kipengele cha kushangaza kwa wahusika wa pamoja na wahusika wanaotokana na pamoja ni ukweli kwamba maneno haya ni jamaa. Tabia hiyo inaweza kuchukuliwa moja au nyingine kulingana na mchoro fulani unaotumiwa. Kurudi kwenye Kielelezo\(\PageIndex{5}\), kumbuka kuwa yai ya amniotic ni tabia ya mababu ya pamoja ya Amniota clade, wakati akiwa na nywele ni tabia inayotokana na pamoja kwa viumbe fulani katika kundi hili. Maneno haya husaidia wanasayansi kutofautisha kati ya clades katika ujenzi wa miti ya phylogenetic.

Kuchagua Mahusiano ya Haki

Fikiria kuwa mtu anayehusika na kuandaa vitu vyote katika duka la idara vizuri-kazi kubwa. Kuandaa mahusiano ya mabadiliko ya maisha yote duniani inathibitisha vigumu zaidi: wanasayansi wanapaswa kupiga vitalu vingi vya muda na kufanya kazi na habari kutoka kwa viumbe vya muda mrefu. Kujaribu kufafanua uhusiano sahihi, hasa kutokana na kuwepo kwa homologies na analogies, hufanya kazi ya kujenga mti sahihi wa maisha vigumu sana. Kuongeza kwamba maendeleo ya teknolojia ya DNA, ambayo sasa inatoa kiasi kikubwa cha utaratibu wa maumbile ya kutumika na kuchambuliwa. Taksonomia ni nidhamu ya kujitegemea: viumbe vingi vina uhusiano zaidi ya moja kwa kila mmoja, hivyo kila taxonomist ataamua utaratibu wa uhusiano.

Ili kusaidia katika kazi kubwa ya kuelezea phylogenies kwa usahihi, wanasayansi mara nyingi hutumia dhana inayoitwa upeo wa parsimoni, ambayo ina maana kwamba matukio yalitokea kwa njia rahisi, dhahiri zaidi. Kwa mfano, kama kundi la watu waliingia hifadhi ya misitu kwenda hiking, kulingana na kanuni ya upeo wa parsimoni, mtu anaweza kutabiri kwamba watu wengi wangeweza kuongezeka kwenye njia zilizoanzishwa badala ya kuunda mpya.

Kwa wanasayansi kufafanua njia za mabadiliko, wazo moja hutumiwa: njia ya mageuzi pengine inajumuisha matukio machache zaidi ambayo yanahusiana na ushahidi uliopo. Kuanzia na sifa zote za homologous katika kikundi cha viumbe, wanasayansi wanatafuta utaratibu wa wazi zaidi na rahisi wa matukio ya mabadiliko ambayo yalisababisha tukio la sifa hizo.

Vifaa hivi na dhana ni chache tu ya mikakati wanasayansi hutumia kukabiliana na kazi ya kufunua historia ya mabadiliko ya maisha duniani. Hivi karibuni, teknolojia mpya zimefunua uvumbuzi wa kushangaza na mahusiano yasiyotarajiwa, kama vile ukweli kwamba watu wanaonekana kuwa karibu zaidi na fungi kuliko fungi ni kwa mimea. Sauti isiyo ya kawaida? Kama taarifa kuhusu utaratibu wa DNA inakua, wanasayansi watakuwa karibu na ramani ya historia ya mabadiliko ya maisha yote duniani.

Muhtasari

Ili kujenga miti ya phylogenetic, wanasayansi wanapaswa kukusanya taarifa sahihi ambayo inawawezesha kufanya uhusiano wa mabadiliko kati ya viumbe. Kutumia data ya morphologic na Masi, wanasayansi wanafanya kazi kutambua sifa na jeni za homologous. Kufanana kati ya viumbehai kunaweza kutokana ama kutoka historia ya mabadiliko ya pamoja (homologies) au kutoka njia tofauti za mageuzi (analogies). Teknolojia mpya zinaweza kutumika kusaidia kutofautisha homologies kutoka kwa analogies. Baada ya taarifa ya homologous kutambuliwa, wanasayansi hutumia cladistics kuandaa matukio haya kama njia ya kuamua ratiba ya mabadiliko. Wanasayansi wanatumia dhana ya upeo wa kiwango cha juu, ambayo inasema kwamba utaratibu wa matukio huenda ulifanyika kwa njia ya wazi zaidi na rahisi na kiasi kidogo cha hatua. Kwa matukio ya mabadiliko, hii itakuwa njia na idadi ndogo ya tofauti kubwa zinazohusiana na ushahidi.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ni wanyama gani katika takwimu hii ni wa clade inayojumuisha wanyama wenye nywele? Ambayo ilibadilika kwanza, nywele au yai ya amniotic?

Jibu: Sungura na wanadamu ni katika clade inayojumuisha wanyama wenye nywele. Yai ya amniotic ilibadilika kabla ya nywele kwa sababu clade ya Amniota ni kubwa kuliko clade inayowazunguka wanyama wenye nywele.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Je, ni clade kubwa zaidi katika mchoro huu?

Jibu: Clade kubwa zaidi inajumuisha mti mzima.

faharasa

mlinganisho: (pia, homoplasy) tabia ambayo ni sawa kati ya viumbe na mageuzi ya kubadilika, si kutokana na njia sawa ya mabadiliko

cladistics: mfumo kutumika kuandaa sifa homologous kuelezea phylogenies

upeo wa parsimoni: kutumia njia rahisi, dhahiri zaidi na idadi ndogo ya hatua

mfumo wa molekuli: mbinu kwa kutumia ushahidi Masi kutambua mahusiano phylogenetic

kundi la monophyletic: (pia, clade) viumbe kwamba kushiriki babu moja

tabia ya mababu ya pamoja: inaelezea tabia juu ya mti wa phylogenetic ambao unashirikiwa na viumbe vyote kwenye mti

tabia ya pamoja inayotokana: inaelezea tabia juu ya mti wa phylogenetic ambao unashirikiwa tu na clade fulani ya viumbe