FYLOGENÉZA: INTERPRETÁCIA, DRUHY STROMOV, APLIKÁCIE - BIOLÓGIE - 2025

Fylogenetický v evolučnej biológii, je reprezentácia evolučná histórii skupiny organizmov alebo druhu, s dôrazom na líniu zostupu a príbuzenské vzťahy medzi jednotlivými skupinami.

Biológovia dnes používajú údaje predovšetkým z porovnávacej morfológie a anatómie az génových sekvencií na rekonštrukciu tisícov na tisíce stromov.

Zdroj: Wilson JEM Costa, prostredníctvom Wikimedia Commons

Tieto stromy sa snažia opísať vývojovú históriu rôznych druhov zvierat, rastlín, mikróbov a iných organických bytostí, ktoré obývajú Zem.

Analógia so stromom života pochádza z obdobia Karola Darwina. Tento geniálny britský prírodovedec zachytáva v majstrovskom diele „Pôvod druhov“ jediný obraz: „strom“, ktorý predstavuje rozvetvenie línií, počínajúc spoločným predkom.

Čo je fylogénia?

Vo svetle biologických vied je jednou z najúžasnejších udalostí, ktorá sa udiala, evolúcia. Uvedená zmena organických foriem v priebehu času môže byť zastúpená vo fylogenetickom strome. Preto fylogenéza vyjadruje históriu rodových línií a to, ako sa v priebehu času menili.

Jedným z priamych dôsledkov tohto grafu je spoločný pôvod. To znamená, že všetky organizmy, ktoré dnes vidíme, sa objavili ako potomkovia s úpravami minulých foriem. Táto myšlienka bola jednou z najvýznamnejších v histórii vedy.

Všetky formy života, ktoré dnes dokážeme oceniť - od mikroskopických baktérií po rastliny a najväčšie stavovce - sú spojené a tento vzťah je zastúpený v obrovskom a zložitom strome života.

V analógii stromu budú druhy, ktoré dnes žijú, predstavovať listy a zvyšok vetiev bude ich evolučnou históriou.

Čo je fylogenetický strom?

Znázornená je zjednodušená fylogénia Metazoa. Pre niektoré skupiny je schematické znázornenie niektorých typov očí, ktoré môžu predstavovať: pohár, kamera so vstupným otvorom pre svetlo, kamera s objektívom, kompozitná kompozícia a zložená superpozíciou. Laura bibiana, z Wikimedia Commons

Fylogenetický strom je grafickým znázornením evolučnej histórie skupiny organizmov. Tento model historických vzťahov je fylogénia, ktorú sa vedci snažia odhadnúť.

Stromy pozostávajú z uzlov, ktoré spájajú „vetvy“. Koncové uzly každej vetvy sú terminálnymi taxónmi a predstavujú sekvencie alebo organizmy, pre ktoré sú známe údaje - môžu to byť živé alebo vyhynuté druhy.

Vnútorné uzly predstavujú hypotetických predkov, zatiaľ čo predok nájdený v koreňovom strome stromu predstavuje predchodcu všetkých sekvencií znázornených v grafe.

Ako sa interpretujú fylogenetické stromy?

Existuje mnoho spôsobov, ako reprezentovať fylogenetický strom. Z tohto dôvodu je dôležité vedieť, ako rozpoznať, či tieto rozdiely, ktoré sa pozorujú medzi dvoma stromami, sú spôsobené rozdielnymi topológiami - to znamená, skutočnými rozdielmi zodpovedajúcimi dvoma hláskovaniam - alebo sú jednoducho rozdielmi súvisiacimi so štýlom zobrazenia.

Napríklad poradie, v ktorom sa štítky objavujú na vrchu, sa môže líšiť bez toho, aby sa menil význam grafického znázornenia, všeobecne názov druhu, rodu, rodiny, medzi inými kategóriami.

K tomu dochádza preto, že stromy sa podobajú mobilu, kde sa vetvy môžu otáčať bez toho, aby sa menil vzťah reprezentovaného druhu.

V tomto zmysle nezáleží na tom, koľkokrát sa zmení poradie alebo keď sa objekty, ktoré visia, sú otočené, pretože to nemení spôsob, akým sú spojené - a to je dôležitá vec.

Ako sa obnovujú fylogénie?

Fylogenézy sú hypotézy, ktoré sú formulované na základe nepriamych dôkazov. Vysvetlenie fylogénie je podobné práci vyšetrovateľa, ktorý rieši trestný čin sledovaním stopy z miesta činu.

Biológovia často predpokladajú svoje fylogénie pomocou poznatkov z rôznych odvetví, ako sú paleontológia, porovnávacia anatómia, porovnávacia embryológia a molekulárna biológia.

Fosílne záznamy, aj keď neúplné, poskytujú cenné informácie o časoch divergencie skupín druhov.

Postupom času molekulárna biológia prerástla všetky uvedené oblasti a väčšina fylogenéz sa odvodila z molekulárnych údajov.

Cieľom prestavby fylogenetického stromu je množstvo hlavných nedostatkov. Existuje približne 1,8 milióna pomenovaných druhov a mnoho ďalších bez toho, aby boli opísané.

A hoci sa veľké množstvo vedcov snaží každý deň rekonštruovať vzťahy medzi druhmi, stále neexistuje žiadny úplný strom.

Homologické znaky

Ak chcú biológovia opísať podobnosti medzi dvoma štruktúrami alebo procesmi, môžu tak urobiť z hľadiska spoločného pôvodu (homológie), analógií (funkcie) alebo homoplazie (morfologická podobnosť).

Na rekonštrukciu fylogénie sa používajú výlučne homologické znaky. Homológia je kľúčovým pojmom vo vývoji a obnovení vzťahov medzi druhmi, pretože iba primerane odráža spoločný pôvod organizmov.

Predpokladajme, že chceme odvodiť fylogenézu troch skupín: vtákov, netopierov a ľudí. Aby sme dosiahli náš cieľ, rozhodli sme sa použiť horné končatiny ako charakteristiku, ktorá nám pomáha rozoznať vzorec vzťahov.

Keďže vtáky a netopiere majú modifikované letové štruktúry, mohli by sme chybne dospieť k záveru, že netopiere a vtáky sú viac vzájomne prepojené ako netopiere s ľuďmi. Prečo sme dospeli k nesprávnemu záveru? Pretože sme použili analogický a nehomologický charakter.

Aby som našiel správny vzťah, musím hľadať homológnu postavu, ako je prítomnosť vlasov, mliečnych žliaz a troch malých kostí v strednom uchu - aby som vymenoval aspoň niektoré. Homológiu však nie je ľahké diagnostikovať.

Druhy stromov

Nie všetky stromy sú rovnaké, existujú rôzne grafické znázornenia a každý z nich dokáže zahrnúť zvláštnu charakteristiku vývoja skupiny.

Medzi najzákladnejšie stromy patria kladogramy. Tieto grafy zobrazujú vzťahy v zmysle spoločného predka (podľa najnovších bežných predkov).

Aditívne stromy obsahujú ďalšie informácie a sú zastúpené v dĺžke vetiev.

Čísla spojené s každou vetvou zodpovedajú určitému atribútu v sekvencii - ako je množstvo evolučnej zmeny, ktorú prešli organizmy. Okrem „prídavných stromov“ sú známe aj ako metrické stromy alebo fylogramy.

Ultrametrické stromy, tiež nazývané dendogramy, sú zvláštnym prípadom aditívnych stromov, kde sú konce stromu rovnako vzdialené od koreňa k stromu.

Tieto posledné dve varianty obsahujú všetky údaje, ktoré môžeme nájsť v kladive, a ďalšie informácie. Z tohto dôvodu nie sú výlučné, ak nie komplementárne.

Politomias

Uzly stromov nie sú mnohokrát úplne vyriešené. Z vizuálneho hľadiska sa hovorí, že ide o polytómiu, keď z novej vzniknú viac ako tri vetvy (jeden predok má viac ako dvoch bezprostredných potomkov). Keď strom nemá polytómiu, hovorí sa, že je úplne vyriešený.

Existujú dva typy polytómií. Prvými sú „tvrdé“ polytómy. Sú vlastné študijnej skupine a naznačujú, že potomkovia sa vyvinuli súčasne. „Mäkké“ polytómy tiež naznačujú nevyriešené vzťahy spôsobené samotnými údajmi.

Evolučná klasifikácia

Monofyletické línie

Evoluční biológovia sa snažia nájsť klasifikáciu, ktorá by zodpovedala rozvetveniu fylogenetickej histórie skupín. V tomto procese sa vyvinula séria termínov široko používaných v evolučnej biológii: monofyletická, parafyletická a polyfyletická.

Monofyletický taxón alebo rodokmeň je ten, ktorý obsahuje pôvodný druh, ktorý je zastúpený v uzle, a všetkých jeho potomkov, ale nie iné druhy. Toto zoskupenie sa nazýva klaun.

Monofyletické línie sú definované na každej úrovni taxonomickej hierarchie. Napríklad rod Felidae, rodokmeň, ktorý obsahuje mačky (vrátane domácich mačiek), sa považuje za monofyletický.

Podobne je Animalia tiež monofyletický taxón. Ako vidíme, rodina Felidae je v Animálii, takže môžu byť hniezdené monofyletické skupiny.

Parafyletické a polyetylénové línie

Nie všetci biológovia však zdieľajú kladistickú klasifikáciu. V prípadoch, keď údaje nie sú úplné alebo len pre pohodlie, sú vymenované určité taxóny, ktoré zahŕňajú druhy pochádzajúce z rôznych klov alebo vyšších taxónov, ktoré nezdieľajú novšieho spoločného predka.

Týmto spôsobom je taxón polypyletický, je definovaný ako skupina, ktorá obsahuje organizmy z rôznych kôrov, ktoré nezdieľajú spoločného predka. Napríklad, ak chceme určiť skupinu homeotermov, bude to zahŕňať vtáky a cicavce.

Oproti tomu parafyletická skupina neobsahuje všetkých potomkov posledného spoločného predka. Inými slovami, vylučuje niektorých členov skupiny. Najpoužívanejším príkladom sú plazy, táto skupina neobsahuje všetkých potomkov posledného spoločného predka: vtákov.

aplikácia

Okrem prispievania k ťažkej úlohe objasňovania stromu života, majú fylogenézy tiež dosť významné aplikácie.

V lekárskej oblasti sa fylogenédy používajú na sledovanie pôvodu a prenosovej rýchlosti infekčných chorôb, ako je AIDS, horúčka dengue a chrípka.

Používajú sa aj v oblasti biologie ochrany. Znalosť fylogénie ohrozeného druhu je nevyhnutná na sledovanie vzorcov kríženia a úrovne hybridizácie a kríženia medzi jedincami.

Referencie

1. Baum, DA, Smith, SD a Donovan, SS (2005). Výzvou pre strom. Science, 310 (5750), 979 - 980.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka do biológie. Macmillan.
3. Hall, BK (vyd.). (2012). Homológia: hierarchický základ porovnávacej biológie. Academic Press.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, a Garrison, C. (2001). Integrované princípy zoológie. McGraw - Hill.
5. Hinchliff, CE, Smith, SA, Allman, JF, Burleigh, JG, Chaudhary, R., Coghill, LM, Crandall, KA, Deng, J., Drew, BT, Gazis, R., Gude, K., Hibbett, DS, Katz, LA, Laughinghouse, HD, McTavish, EJ, Midford, PE, Owen, CL, Ree, RH, Rees, JA, Soltis, DE, Williams, T.,… Cranston, KA (2015). Syntéza fylogénie a taxonómie do komplexného stromu života. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických, 112 (41), 12764-9.
6. Kardong, KV (2006). Stavovce: porovnávacia anatómia, funkcia, vývoj. McGraw-Hill.
7. Page, RD, & Holmes, EC (2009). Molekulárna evolúcia: fylogenetický prístup. John Wiley a synovia.