FYLOGENETICKÝ STROM: TYPY A JEJICH VLASTNOSTI, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Fylogenetický strom je matematický grafické znázornění historie a předek-potomků vztahů skupin populace, druhy nebo jakékoliv jiné taxonomické kategorie. Teoreticky mohou být všechny fylogenetické stromy seskupeny do stromu života a tvořit univerzální strom.

Tyto grafické znázornění revolucionizovalo studium evoluční biologie, protože umožňují založit a definovat druh, testovat různé vývojové hypotézy (jako je endosymbiotická teorie), hodnotit původ nemocí (jako je HIV) atd.

Zdroj: John Gould (14. září 1804 - 3. února 1881)

Stromy lze rekonstruovat pomocí morfologických nebo molekulárních znaků nebo obojím. Stejným způsobem existují různé způsoby jejich vytváření, z nichž nejčastější je cladistická metodologie. To usiluje o identifikaci sdílených odvozených znaků, známých jako synapomorfie.

vlastnosti

Jedním z principů vyvinutých Charlesem Darwinem je společný původ všech živých organismů - to znamená, že všichni sdílíme vzdáleného předka.

V "Původ druhů" Darwin zvyšuje metaforu "stromu života". Ve skutečnosti používá hypotetický grafický strom k rozvinutí své myšlenky (kupodivu je to jediná ilustrace původu).

Reprezentace této metafory je to, co známe jako fylogenetické stromy, což nám umožňuje graficky zobrazit historii a vztahy určité skupiny organismů.

Anatomie fylogenetického stromu

Ve fylogenetických stromech můžeme rozlišit následující části - pokračující botanickou analogií:

Větve: linie stromu se nazývají „větve“ a tyto představují časem populace populace. Délka větve může nebo nemusí mít význam v závislosti na typu stromu (viz níže).

Na špičkách větví najdeme organismy, které chceme vyhodnotit. Mohou to být entity, které jsou v současné době naživu, nebo zaniklé bytosti. Druh by byly listy našeho stromu.

Kořen: kořen je nejstarší větev stromu. Někteří to mají a nazývají se zakořeněné stromy, zatímco jiní ne.

Uzly: Body větví větví ve dvou nebo více řádcích se nazývají uzly. Tečka představuje nejnovější společný předek potomků (všimněte si, že tito předci jsou hypotetičtí).

Existence uzlu znamená spekulativní událost - vytvoření nového druhu. Poté následuje každý druh svůj evoluční průběh.

Další terminologie

Kromě těchto tří základních pojmů existují další nezbytné pojmy, pokud jde o fylogenetické stromy:

Politomy: když fylogenetický strom má v uzlu více než dvě větve, říká se, že existuje polytomie. V těchto případech není fylogenetický strom úplně vyřešen, protože vztahy mezi zúčastněnými organismy nejsou jasné. K tomu často dochází kvůli nedostatku dat a lze to opravit pouze tehdy, když se výzkumník hromadí více.

Externí skupina: ve fylogenetických otázkách je běžné slyšet pojem externí skupiny - také nazývaný outgroup. Tato skupina je vybrána, aby mohla kořen stromu. Měl by být vybrán jako taxon, který se dříve lišil od studijní skupiny. Například, pokud studuji ostnokožce, můžete vyřadit mořské stříkance.

Typy

Existují tři základní typy stromů: kladogramy, aditivní stromy a ultrametrické stromy.

Kladkopisy jsou nejjednodušší stromy a ukazují vztah organismů z hlediska společného původu. Informace o tomto druhu stromu leží ve vzorcích větvení, protože velikost větví nemá žádný další význam.

Druhým typem stromu je aditivum, které se také nazývá metrické stromy nebo fylogramy. Délka větví souvisí s množstvím evolučních změn.

Nakonec máme ultrametrické stromy nebo dendogramy, kde jsou všechny špičky stromů ve stejné vzdálenosti (což není případ fylogramu, kde se špička může zdát nižší nebo vyšší než její partner). Délka větve souvisí s evolučním časem.

Výběr stromu přímo souvisí s evoluční otázkou, na kterou chceme odpovědět. Pokud se například zabýváme pouze vztahy mezi jednotlivci, bude pro studium stačit kladogram.

Nejčastější chyby při čtení fylogenetických stromů

Ačkoli fylogenetické stromy jsou často široce používanými grafy v evoluční biologii (a obecné biologii), existuje mnoho studentů a odborníků, kteří nesprávně vykládají poselství, že tyto zdánlivě jednoduché grafy jsou určeny k doručení čtenáři.

Neexistuje kufr

První chybou je, že si je přečteme z boku, za předpokladu, že evoluce znamená pokrok. Pokud rozumíme evolučnímu procesu správně, není důvod si myslet, že rodové druhy jsou vlevo a pokročilejší druhy na pravé straně.

Ačkoli botanická analogie stromu je velmi užitečná, přichází místo, kde již není tak přesné. Ve stromu není klíčová struktura stromu: kmen. Ve fylogenetických stromech nenajdeme žádné hlavní větve.

Konkrétně by někteří lidé mohli považovat člověka za konečný „cíl“ evoluce, a proto by měl být druh Homo sapiens vždy umístěn jako konečná entita.

Tento pohled však není v souladu s evolučními principy. Pokud pochopíme, že fylogenetické stromy jsou mobilní prvky, můžeme Homo umístit do kterékoli koncové polohy stromu, protože tato charakteristika není v reprezentaci relevantní.

Uzly se mohou otáčet

Důležitým rysem, kterému musíme porozumět o fylogenetických stromech, je to, že představují nestatické grafy.

V nich se všechny tyto větve mohou otáčet - stejným způsobem, jakým může mobilní telefon. Nemyslíme tím, že můžeme větve posunout libovolně, protože některé pohyby by vyžadovaly změnu vzoru nebo topologie stromu. Co můžeme otáčet, jsou uzly.

Abychom mohli interpretovat zprávu stromu, nesmíme se soustředit na tipy větví, musíme se soustředit na body větví, které jsou nejdůležitějším aspektem grafu.

Kromě toho musíme mít na paměti, že existuje několik způsobů, jak nakreslit strom. Mnohokrát to záleží na stylu knihy nebo časopisu a změny ve tvaru a poloze větví neovlivňují informace, které nám chtějí sdělit.

Nemůžeme odvodit existenci současných předků nebo „starých“ druhů

Když se chystáme hovořit o současných druzích, neměli bychom na ně aplikovat rodové konotace. Například, když přemýšlíme o vztazích mezi šimpanzy a lidmi, můžeme nepochopit, že šimpanzi jsou předkem naší linie.

Společným předkem šimpanzů a lidí však nebyl. Myslet si, že šimpanz je předkem, by předpokládalo, že jeho vývoj se zastavil, jakmile se obě linie oddělí.

Podle stejné logiky těchto myšlenek nám fylogenetický strom neřekne, zda existují i ​​mladé druhy. Protože alelické frekvence se neustále mění a v průběhu času se mění nové postavy, je obtížné určit věk druhu a strom nám takové informace určitě neposkytuje.

„Změna frekvencí alel v průběhu času“ je to, jak populační genetika definuje evoluci.

Jsou neměnné

Když se díváme na fylogenetický strom, musíme pochopit, že tento graf je jednoduše hypotéza vytvořená z konkrétních důkazů. Je možné, že pokud do stromu přidáme více znaků, změní se jeho topologie.

Klíčové jsou odborné znalosti vědců při výběru nejlepších postav k objasnění vztahů dotyčných organismů. Kromě toho existují velmi výkonné statistické nástroje, které umožňují výzkumným pracovníkům vyhodnotit stromy a vybrat si nejvhodnější.

Příklady

Tři oblasti života: Archaea, Bakterie a Eukarya

V roce 1977 navrhl vědec Carl Woese seskupení živých organismů do tří domén: Archaea, Bacteria a Eukarya. Tento nový klasifikační systém (dříve existovaly pouze dvě kategorie, Eukaryota a Prokaryota) byl založen na molekulárním markeru ribozomální RNA.

Bakterie a eukaryoty jsou široce známé organismy. Archaea se často mýlí za bakterie. Ty se však výrazně liší ve struktuře jejich buněčných složek.

Proto, i když se jedná o mikroskopické organismy, jako jsou bakterie, jsou členové domény Archaea více příbuzní eukaryotům - protože sdílejí bližšího společného předka.

Zdroj: Připravila Mariana Gelambi.

Fylogeneze primátů

V evoluční biologii je jedním z nejkontroverznějších témat evoluce člověka. Pro odpůrce této teorie není evoluce začínající apelikovým předkem, který dal vznik modernímu člověku, logická.

Klíčovým konceptem je pochopení, že jsme se nevyvinuli ze současných lidoopů, ale že jsme s nimi sdíleli společného předka. Ve stromu lidoopů a lidí se ukazuje, že to, co známe jako „lidoop“, není platná monofyletická skupina, protože vylučuje lidi.

Zdroj: Připravila Mariana Gelambi.

Fylogeneze cetartiodaktylů (Cetartiodactyla)

Evolučně řečeno, kytovci představovali skupinu obratlovců, jejichž vztahy se zbytkem jejich ostatních savců nebyly příliš jasné. Morfologicky jsou velryby, delfíni a další členové málo podobní ostatním savcům.

V současné době je díky studiu různých morfologických a molekulárních znaků možné dospět k závěru, že sesterskou skupinu velkých kytovců tvoří artiodaktyly - kopytníci s rovnoměrnými kopyty.

Zdroj: Připravila Mariana Gelambi.

Reference

1. Baum, DA, Smith, SD a Donovan, SS (2005). Výzva pro stromové myšlení. Science, 310 (5750), 979-980.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka k biologii. Macmillan.
3. Hall, BK (Ed.). (2012). Homologie: Hierarchický základ srovnávací biologie. Academic Press.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Integrované základy zoologie. McGraw - Hill.
5. Kardong, KV (2006). Obratlovci: srovnávací anatomie, funkce, vývoj. McGraw-Hill.
6. Kliman, RM (2016). Encyklopedie evoluční biologie. Academic Press.
7. Losos, JB (2013). Princetonský průvodce evolucí. Princeton University Press.
8. Page, RD, & Holmes, EC (2009). Molekulární evoluce: fylogenetický přístup. John Wiley a synové.
9. Rice, SA (2009). Encyklopedie evoluce. Infobase Publishing.
10. Starr, C., Evers, C. a Starr, L. (2010). Biologie: koncepce a aplikace bez fyziologie. Cengage Learning.