Główna zawartość
Drzewa filogenetyczne
Czym jest drzewo filogenetyczne. Jak czytać drzewa filogenetyczne i określić, które gatunki są najbardziej spokrewnione. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK
Kluczowe punkty:
- Drzewo filogenetyczne to diagram przedstawiający relacje ewolucyjne między organizmami. Drzewa filogenetyczne to hipotezy, a nie ostateczne fakty.
- Wzór rozgałęzień w drzewie filogenetycznym odzwierciedla sposób, w jaki gatunki lub inne grupy wyewoluowały z szeregu wspólnych przodków.
- Na diagramie dwa gatunki są bliżej spokrewnione, jeśli mają niedawnego wspólnego przodka i mniej spokrewnione, jeśli mają starszego wspólnego przodka.
- Drzewa filogenetyczne można rysować w różnych równoważnych stylach. Obracanie drzewa w punktach rozgałęzień nie zmienia informacji, które zawiera.
Wprowadzenie
Ludzie jako grupa są świetni w porządkowaniu rzeczy. Niekoniecznie rzeczy takich jak szafy czy pokoje; osobiście mam słabe wyniki w zdolnościach organizacyjnych w obu tych sprawach. Natomiast, ludzie często lubią grupować i porządkować rzeczy, które widzą w otaczającym ich świecie. Począwszy od greckiego filozofa Arystotelesa, pragnienie klasyfikowania objęło wiele różnych istot żywych na Ziemi.
Większość współczesnych systemów klasyfikacji opiera się na ewolucyjnych związkach między organizmami - to znaczy na ich filogenezie. Systemy klasyfikacji oparte na filogenezie porządkują gatunki lub inne grupy w sposób, który odzwierciedla nasze zrozumienie tego, jak wyewoluowały od ich wspólnych przodków.
W tym artykule przyjrzymy się drzewom filogenetycznym, czyli diagramom przedstawiającym ewolucyjne relacje między organizmami. Zobaczymy dokładnie, co możemy (a czego nie możemy!) wywnioskować z drzewa filogenetycznego, a także, co to znaczy, że organizmy są mniej lub bardziej spokrewnione w kontekście tych drzew.
Budowa drzewa filogenetycznego
Kiedy rysujemy drzewo filogenetyczne, przedstawiamy naszą najlepszą hipotezę dotyczącą ewolucji zbioru gatunków (lub innych grup) od wspólnego przodka
Na diagramie drzewa filogenetycznego gatunki lub grupy będące przedmiotem zainteresowania znajdują się na końcach linii określanych jako gałęzie drzewa. Na przykład poniższe drzewo filogenetyczne przedstawia relacje między pięcioma gatunkami, A, B, C, D i E, które znajdują się na końcach gałęzi:
Wzór, w jaki łączą się gałęzie, odzwierciedla nasze przypuszczenia, w jaki sposób gatunki wyewoluowały z szeregu wspólnych przodków. Każdy punkt rozgałęzienia (zwany także węzłem wewnętrznym) reprezentuje zdarzenie dywergencji, czyli rozdzielenie pojedynczej grupy na dwie grupy podrzędne.
W każdym punkcie rozgałęzienia znajduje się ostatni wspólny przodek wszystkich grup pochodzących z tego punktu odgałęzienia. Na przykład w punkcie rozgałęzienia, w którym powstają gatunki A i B, znaleźlibyśmy ostatniego wspólnego przodka tych dwóch gatunków. W punkcie rozgałęzienia tuż nad korzeniem drzewa znaleźlibyśmy ostatniego wspólnego przodka wszystkich gatunków drzewa (A, B, C, D, E).
Każda pozioma linia w naszym drzewie reprezentuje szereg przodków, prowadzących do gatunku na końcu. Na przykład linia prowadząca do gatunku E reprezentuje przodków gatunku, odkąd oddzieliła się od innych gatunków w drzewie. Podobnie korzeń reprezentuje serię przodków prowadzących do ostatniego wspólnego przodka wszystkich gatunków w drzewie.
Które gatunki są bardziej spokrewnione?
W drzewie filogenetycznym pokrewieństwo dwóch gatunków ma bardzo specyficzne znaczenie. Dwa gatunki są bardziej spokrewnione, jeśli mają niedawnego wspólnego przodka i mniej spokrewnione, jeśli mają starszego wspólnego przodka.
Możemy użyć całkiem prostej metody, aby znaleźć ostatniego wspólnego przodka dowolnej pary lub grupy gatunków. W tej metodzie zaczynamy na końcach gałęzi, na których znajdują się dwa interesujące gatunki, i „idziemy wstecz” po drzewie, aż znajdziemy punkt, w którym zbiegają się linie gatunków.
Załóżmy na przykład, że chcemy powiedzieć, czy A i B, czy B i C są bliżej spokrewnione. Aby to zrobić, podążalibyśmy wzdłuż linii obu par gatunków do tyłu na drzewie. Ponieważ A i B zbiegają się wcześniej u wspólnego przodka, a B zbiega się z C dopiero za punktem połączenia z A, możemy powiedzieć, że A i B są bliżej spokrewnione niż B i C.
Co ważne, istnieją gatunki, których pokrewieństwa nie możemy porównać tą metodą. Na przykład nie możemy powiedzieć, czy A i B są bliżej spokrewnione niż C i D. To dlatego, że domyślnie oś pozioma drzewa nie przedstawia czasu w sposób bezpośredni. Tak więc, możemy porównać tylko czasy rozgałęzień, które występują w tym samym rodzie (ta sama bezpośrednia linia od korzenia drzewa), a nie te, które występują w różnych.
Kilka wskazówek jak czytać drzewa filogenetyczne
Możesz zobaczyć drzewa filogenetyczne narysowane w wielu różnych formatach. Niektóre są blokowe, jak drzewo po lewej stronie poniżej. Inni używają ukośnych linii, jak w drzewie po prawej stronie. Możesz także zobaczyć drzewa dowolnego rodzaju zorientowane pionowo lub odwrócone na boki, jak pokazano na przykładzie blokowego drzewa.
Trzy powyższe drzewa reprezentują identyczne relacje między gatunkami A, B, C, D i E. Możesz poświęcić chwilę, aby przekonać się, że tak jest naprawdę - to znaczy, że nie ma rozgałęzień ani ostatnich wspólnych przodków obu drzew, które by je różniły. Identyczne informacje w tych różnie wyglądających drzewach przypominają nam, że to wzór rozgałęzień (a nie długość gałęzi) ma znaczenie w typowym drzewie.
Inną istotną kwestią dotyczącą tych drzew jest to, że jeśli obrócisz struktury, używając jednego z punktów rozgałęzienia jako osi, nie zmieniasz relacji. Tak jak dwa powyższe drzewa przedstawiają te same relacje, mimo że są inaczej sformatowane, podobnie wszystkie drzewa przedstawione poniżej pokazują te same relacje między czterema gatunkami:
Jeśli nie widzisz od razu, że jest to prawdą (a ja tego nie widziałem po pierwszym przeczytaniu!), skoncentruj się na relacjach i punktach rozgałęzień, a nie na kolejności gatunków (W, X, Y i Z ) na diagramach. Ta kolejność w rzeczywistości nie daje nam przydatnych informacji. Zamiast tego to struktura gałęzi każdego diagramu mówi nam wszystko, czego potrzebujemy, aby zrozumieć zależności przedstawione na drzewie.
Jak dotąd wszystkie drzewa, które widzieliśmy, miały ładne, przejrzyste wzory rozgałęzień, z zaledwie dwoma rodami (liniami pochodzenia) wyłaniającymi się z każdego punktu rozgałęzienia. Możesz jednak zobaczyć drzewa z politomią (poly, wiele; tomy, nacięcia), co oznacza punkt rozgałęzienia, z którego wychodzą trzy lub więcej różnych gatunków
Jeśli w przyszłości zdobędziemy więcej informacji o gatunku, być może uda nam się rozwiązać politomię.
Gdzie powstają te drzewa?
Aby stworzyć drzewo filogenetyczne, naukowcy często porównują i analizują wiele cech gatunków lub innych grup. Cechy te mogą obejmować morfologię zewnętrzną (kształt/wygląd), anatomię wewnętrzną, zachowania, szlaki biochemiczne, sekwencje DNA i białek, a nawet charakterystykę skamieniałości.
Aby zbudować szczegółowe drzewa, biolodzy często używają wielu różnych cech (zmniejszając prawdopodobieństwo, że jakikolwiek niedoskonały fragment danych doprowadzi do niewłaściwego drzewa). Drzewa filogenetyczne to wciąż tylko hipotezy, a nie ostateczne odpowiedzi, i mogą być jedynie tak dobre, jak dane dostępne w momencie ich tworzenia. Drzewa filogenetyczne są z czasem korygowane i aktualizowane, gdy nowe dane stają się dostępne i można je dodać do analizy. Jest to szczególnie prawdziwe dzisiaj, ponieważ sekwencjonowanie DNA zwiększa naszą zdolność do porównywania genów między gatunkami.
W następnym artykule o budowaniu drzewa filogenetycznego zobaczymy konkretne przykłady wykorzystania różnych typów danych do porządkowania gatunków w drzewa filogenetyczne.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji