ФИЛОГЕНИЯ: ИНТЕРПРЕТАЦИЯ, ВИДОВЕ ДЪРВЕТА, ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

А филогенеза, в еволюционната биология, е представяне на еволюционната история на група от организми или видове, като се набляга на линията на снижаване и отношенията на родство между групите.

Днес биолозите са използвали данни, получени предимно от сравнителна морфология и анатомия и от генетични последователности, за да реконструират хиляди и хиляди дървета.

Източник: Wilson JEM Costa, чрез Wikimedia Commons

Тези дървета се стремят да опишат еволюционната история на различните видове животни, растения, микроби и други органични същества, които обитават земята.

Аналогията с дървото на живота датира от времето на Чарлз Дарвин. Този брилянтен британски натуралист улавя в шедьовъра „Произходът на видовете“ един-единствен образ: „дърво“, което представлява разклонението на родословието, като се започне от общ прародител.

Какво е филогения?

В светлината на биологичните науки едно от най-невероятните събития, което се е случило, е еволюцията. Споменатата промяна в органичните форми във времето може да бъде представена във филогенетично дърво. Следователно филогенезата изразява историята на линиите и как те са се променили във времето.

Едно от преките последици от тази графика е обикновеното потекло. Тоест всички организми, които виждаме днес, са се появили като потомци с модификации на минали форми. Тази идея е била една от най-значимите в историята на науката.

Всички форми на живот, които днес можем да оценим - от микроскопични бактерии, до растения и най-големи гръбначни - са свързани и тази връзка е представена в огромното и сложно дърво на живота.

В рамките на аналогията на дървото, видовете, които живеят днес, биха представлявали листата, а останалите клони биха били еволюционната им история.

Какво е филогенетично дърво?

Показана е опростена филогенеза на метазоите. За някои групи е представено схематично изображение за някои от типовете очи, които те могат да представят: чаша, камера с отвор за влизане на светлина, камера с обектив, композиция по назначение и съставена чрез суперпозиция. Laura bibiana, от Wikimedia Commons

Филогенетичното дърво е графично изображение на еволюционната история на група организми. Този модел на исторически взаимоотношения е филогенезата, която изследователите се опитват да оценят.

Дърветата се състоят от възли, които свързват "клоните". Терминалните възли на всеки клон са терминалните таксони и представляват последователностите или организмите, за които са известни данни - това могат да бъдат живи или изчезнали видове.

Вътрешните възли представляват хипотетични предци, докато прародителят, открит в корена на дървото, представлява прародител на всички последователности, представени в графиката.

Как се интерпретират филогенетични дървета?

Има много начини за представяне на филогенетично дърво. Поради тази причина е важно да знаем как да разпознаем дали тези различия, които се наблюдават между две дървета, се дължат на различни топологии - тоест реални различия, съответстващи на две правописа - или са просто различия, свързани със стила на представяне.

Например, редът, в който етикетите се появяват в горната част, може да варира, без да променя значението на графичното изображение, най-общо името на вида, рода, семейството, сред другите категории.

Това се случва, защото дърветата приличат на подвижен, където клоните могат да се въртят, без да променят връзката на представения вид.

В този смисъл няма значение колко пъти е променен редът или обектите, които „висят“, се завъртат, тъй като това не променя начина, по който са свързани - и това е важното.

Как се реконструират филологиите?

Филогениите са хипотези, които са формулирани въз основа на косвени доказателства. Изясняването на филогения е подобно на работата на следовател, който разрешава престъпление, като следва уликите от местопрестъплението.

Биолозите често постулират своите филологии, използвайки знания от различни отрасли, като палеонтология, сравнителна анатомия, сравнителна ембриология и молекулярна биология.

Масивът на изкопаемите, макар и непълен, предоставя много ценна информация за времето на разминаване на групи от видове.

С течение на времето молекулярната биология е надраснала всички споменати полета, а повечето филогении се извеждат от молекулярни данни.

Целта за възстановяване на филогенетично дърво има редица основни недостатъци. Има приблизително 1,8 милиона наименовани видове и много повече, без да бъдат описани.

И въпреки че значителен брой учени се стремят всеки ден да възстановяват връзките между видовете, все още няма пълно дърво.

Хомоложни герои

Когато биолозите искат да опишат приликите между две структури или процеси, те могат да направят това по отношение на общо потекло (хомологии), аналогии (функция) или хомоплазия (морфологична прилика).

За реконструкция на филогения се използват изключително хомологични знаци. Хомологията е ключово понятие в еволюцията и възстановяването на отношенията между видовете, тъй като само тя отразява адекватно общото потекло на организмите.

Да предположим, че искаме да заключим филогенезата на три групи: птици, прилепи и хора. За да постигнем целта си, решихме да използваме горните крайници като характеристика, която ни помага да различим модела на взаимоотношенията.

Тъй като птиците и прилепите имат модифицирани структури за полет, бихме могли да заключим погрешно, че прилепите и птиците са по-тясно свързани помежду си, отколкото прилепите с хората. Защо стигнахме до грешен извод? Защото сме използвали аналогичен и нехомологичен характер.

За да намеря правилната връзка, трябва да потърся хомологичен характер, като наличието на коса, млечни жлези и три малки кости в средното ухо - само да назовем няколко. Хомологиите обаче не са лесни за диагностициране.

Видове дървета

Не всички дървета са еднакви, има различни графични изображения и всяко от тях успява да включи някаква особена характеристика на еволюцията на групата.

Най-основните дървета са кладограмите. Тези графики показват взаимоотношенията по отношение на общото потекло (според най-новите общи предци).

Дърветата с добавки съдържат допълнителна информация и са представени по дължината на клоните.

Числата, свързани с всеки клон, съответстват на някакъв атрибут в последователността - например количеството на еволюционната промяна, на която организмите са претърпели. В допълнение към "добавъчните дървета" те са известни още като метрични дървета или филограми.

Ултраметричните дървета, наричани още дендограми, са особен случай на дървета с добавки, където върховете на дървото са на еднакво разстояние от корена до дървото.

Последните два варианта имат всички данни, които можем да намерим в кладограма, и допълнителна информация. Следователно те не са изключителни, ако не се допълват.

Politomias

Много пъти възлите на дърветата не са напълно разрешени. Визуално се казва, че има политомия, когато повече от три клона се появяват от нов (има един прародител за повече от двама непосредствени потомци). Когато едно дърво няма политомии, се казва, че е напълно разрешено.

Има два вида политоми. Първите са "твърдите" политоми. Те са присъщи на изследваната група и показват, че потомците са се развили по едно и също време. Алтернативно, "меките" политоми показват нерешени връзки, причинени от данните сами по себе си.

Еволюционна класификация

Монофилетични родове

Еволюционните биолози се стремят да намерят класификация, която да отговаря на модела на разклоняване на филогенетичната история на групите. В този процес са разработени серия от термини, широко използвани в еволюционната биология: монофилетични, парафилетични и полифилетични.

Монофилетичният таксон или родословие е този, който се състои от предшестващ вид, който е представен във възела и всички негови потомци, но не и други видове. Това групиране се нарича клад.

Монофилетичните линии се определят на всяко ниво на таксономичната йерархия. Например семейството Felidae, родословие, което съдържа котки (включително домашни котки), се счита за монофилетично.

По подобен начин Анималия също е монофилетичен таксон. Както виждаме, семейството Felidae е в Анималия, така че монофилетичните групи могат да бъдат вложени.

Парафилетични и полифилетични родове

Не всички биолози обаче споделят кладистичното класификационно мислене. В случаите, когато данните не са пълни или просто за удобство, се определят определени таксони, които включват видове от различни кладове или по-високи таксони, които не споделят по-скорошен общ прародител.

По този начин един таксон е полифилетичен, той се определя като група, която включва организми от различни кладове, и те не споделят общ прародител. Например, ако искаме да определим група хомеотерми, това ще включва птици и бозайници.

За разлика от тях, парафилетична група не съдържа всички потомци на най-скорошния общ прародител. С други думи, тя изключва някои от членовете на групата. Най-използваният пример са влечугите, тази група не съдържа всички потомци на най-скорошния общ прародител: птици.

Приложения

Освен че допринасят за трудната задача да изяснят дървото на живота, филогениите имат и някои доста значими приложения.

В медицинската област филогениите се използват за проследяване на произхода и скоростта на предаване на инфекциозни заболявания, като СПИН, денга и грип.

Те се използват и в областта на природозащитната биология. Познаването на филогенията на застрашен вид е от съществено значение за проследяване на моделите на кръстосване и нивото на хибридизация и инбридинг между индивидите.

Препратки

1. Baum, DA, Smith, SD, & Donovan, SS (2005). Предизвикателството за мислене на дървото. Science, 310 (5750), 979-980.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Покана за биология. Macmillan.
3. Зала, БК (Ред.). (2012 г.). Хомология: йерархичната основа на сравнителната биология. Академична преса.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Интегрирани принципи на зоологията. McGraw - Хил.
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). Синтез на филогения и таксономия в цялостно дърво на живота. Трудове на Националната академия на науките на Съединените американски щати, 112 (41), 12764-9.
6. Kardong, KV (2006). Гръбначни: сравнителна анатомия, функция, еволюция. McGraw-Hill.
7. Page, RD, & Holmes, EC (2009). Молекулярна еволюция: филогенетичен подход. John Wiley & Sons.