معلومة

11.2: تحديد العلاقات التطورية - علم الأحياء

11.2: تحديد العلاقات التطورية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

UF om Lp eF GJ GV tb tg zO aY BV hJ

يجمع العلماء المعلومات التي تسمح لهم بإجراء روابط تطورية بين الكائنات الحية. في حالة علم التطور ، تركز التحقيقات التطورية على نوعين من الأدلة: المورفولوجية (الشكل والوظيفة) والجينية.

مقياسان للتشابه

الكائنات الحية التي تشترك في سمات فيزيائية متشابهة و تميل التسلسلات الجينية إلى أن تكون أكثر ارتباطًا من تلك التي لا تفعل ذلك. يشار إلى الميزات التي تتداخل من الناحية الشكلية والوراثية على أنها هياكل متجانسة ؛ تنبع أوجه التشابه من المسارات التطورية المشتركة. على سبيل المثال ، كما هو موضح في الشكل 12.2.1 ، فإن العظام في أجنحة الخفافيش والطيور ، وأذرع البشر ، والساق الأمامي للحصان هي هياكل متجانسة. لاحظ أن الهيكل ليس مجرد عظم واحد ، بل هو عبارة عن مجموعة من عدة عظام مرتبة بطريقة مماثلة في كل كائن حي على الرغم من أن عناصر الهيكل ربما تغيرت شكلها وحجمها.

المظاهر المضللة

قد تكون بعض الكائنات الحية وثيقة الصلة ببعضها البعض ، على الرغم من أن تغييرًا جينيًا طفيفًا تسبب في اختلاف مورفولوجي كبير لجعلها تبدو مختلفة تمامًا. على سبيل المثال ، الشمبانزي والبشر ، جماجمهما موضحة في الشكل 12.2.2 متشابهة جدًا وراثيًا ، وتشترك في 99 بالمائة1 من جيناتهم. ومع ذلك ، يُظهر الشمبانزي والبشر اختلافات تشريحية كبيرة ، بما في ذلك درجة بروز الفك عند البالغين والأطوال النسبية لأذرعنا وأرجلنا.

ومع ذلك ، قد تكون الكائنات غير ذات الصلة مرتبطة بشكل بعيد ولكنها تظهر إلى حد كبير على حد سواء ، عادة بسبب تكيفات مشتركة مع ظروف بيئية مماثلة تطورت في كليهما. ومن الأمثلة على ذلك ، أشكال الجسم الانسيابية ، وأشكال الزعانف والملاحق ، وشكل ذيول الأسماك والحيتان ، وهي ثدييات. تحمل هذه الهياكل تشابهًا سطحيًا لأنها تتكيف مع الحركة والمناورة في نفس البيئة - الماء. عندما تحدث خاصية متشابهة عن طريق التقارب التكيفي (التطور المتقارب) ، وليس بسبب علاقة تطورية وثيقة ، يطلق عليها اسم البنية المماثلة. في مثال آخر ، تستخدم الحشرات أجنحة لتطير مثل الخفافيش والطيور. نسميها كلا الجناحين لأنهما يؤديان نفس الوظيفة ولهما شكل متشابه ظاهريًا ، لكن الأصل الجنيني للجناحين مختلف تمامًا. إن الاختلاف في التطور أو التطور الجنيني للأجنحة في كل حالة هو إشارة إلى أن الحشرات والخفافيش أو الطيور لا تشترك في سلف مشترك له جناح. تطورت هياكل الجناح ، الموضحة في الشكل 12.2.3 ، بشكل مستقل في السلالتين.

يمكن أن تكون السمات المتشابهة إما متماثلة أو متشابهة. تشترك السمات المتشابهة في مسار تطوري أدى إلى تطوير تلك السمة ، والصفات المماثلة لا تفعل ذلك. يجب على العلماء تحديد نوع التشابه الذي تعرضه السمة لفك تشفير نسالة الكائنات الحية قيد الدراسة.

شكل 12.2.3: يشبه جناح نحلة العسل في الشكل جناح الطائر وجناح الخفافيش ويؤدي نفس الوظيفة (الطيران). أجنحة الطيور والخفافيش هي هياكل متجانسة. ومع ذلك ، فإن جناح نحل العسل له بنية مختلفة (إنه مصنوع من هيكل خارجي كيتيني ، وليس هيكل عظمي عظمي) وأصل جنيني. توضح أنواع أجنحة النحل والطيور أو الخفافيش تشابهًا - هياكل متشابهة لا تشترك في التاريخ التطوري. (أضف صورة: تعديل العمل من قبل US BLM ؛ الائتمان ب: تعديل العمل بواسطة Steve Hillebrand ، USFWS ؛ الائتمان c: تعديل العمل بواسطة Jon Sullivan)

المفهوم في العمل

يحتوي هذا الموقع على العديد من الأمثلة لإظهار كيف يمكن أن تكون المظاهر مضللة في فهم العلاقات التطورية للكائنات الحية.

مقارنات جزيئية

مع تقدم تقنية الحمض النووي ، ازدهر مجال النظم الجزيئية ، الذي يصف استخدام المعلومات على المستوى الجزيئي بما في ذلك تسلسل الحمض النووي. لا يؤكد التحليل الجديد للصفات الجزيئية العديد من التصنيفات السابقة فحسب ، بل يكشف أيضًا عن أخطاء سابقة. يمكن أن تتضمن الشخصيات الجزيئية اختلافات في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين ، أو الاختلافات في تسلسل النوكليوتيدات الفردي للجين ، أو الاختلافات في ترتيبات الجينات. تفترض السلالات المستندة إلى الخصائص الجزيئية أنه كلما كانت التسلسلات أكثر تشابهًا في كائنين ، كلما كانت أكثر ارتباطًا. تتغير الجينات المختلفة تطوريًا بمعدلات مختلفة وهذا يؤثر على المستوى الذي تكون فيه مفيدة في تحديد العلاقات. التسلسلات سريعة التطور مفيدة في تحديد العلاقات بين الأنواع وثيقة الصلة. تعد التسلسلات التي تتطور ببطء أكثر مفيدة في تحديد العلاقات بين الأنواع ذات الصلة البعيدة. لتحديد العلاقات بين الأنواع المختلفة جدًا مثل Eukarya و Archaea ، يجب أن تكون الجينات المستخدمة قديمة جدًا ، وتتطور ببطء الجينات الموجودة في كلا المجموعتين ، مثل جينات RNA الريبوسوم. تساعد مقارنة أشجار النشوء والتطور باستخدام تسلسلات مختلفة وإيجادها متشابهة في بناء الثقة في العلاقات المستنتجة.

في بعض الأحيان ، تشترك جزأين من الحمض النووي في الكائنات الحية ذات الصلة البعيدة بشكل عشوائي في نسبة عالية من القواعد في نفس المواقع ، مما يتسبب في ظهور هذه الكائنات على أنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا عندما لا تكون كذلك. على سبيل المثال ، تشارك ذبابة الفاكهة 60 في المائة من حمضها النووي مع البشر.2 في هذه الحالة ، تم تطوير خوارزميات إحصائية تعتمد على الكمبيوتر للمساعدة في تحديد العلاقات الفعلية ، وفي النهاية ، يكون الاستخدام المقترن لكل من المعلومات المورفولوجية والجزيئية أكثر فاعلية في تحديد علم التطور.

التطور في العمل: لماذا تعتبر نسالة المنشأ مهمة؟

بالإضافة إلى تعزيز فهمنا للتاريخ التطوري للأنواع ، فإن تحليل النشوء والتطور لدينا يتضمن العديد من التطبيقات العملية. يتضمن اثنان من هذه التطبيقات فهم تطور المرض وانتقاله واتخاذ القرارات بشأن جهود الحفظ. دراسة 20103من MRSA (مقاومة للميثيسيلين المكورات العنقودية الذهبية) ، وهي بكتيريا ممرضة مقاومة للمضادات الحيوية ، تتبعت أصل وانتشار السلالة على مدار الأربعين عامًا الماضية. كشفت الدراسة عن التوقيت والأنماط التي انتقلت فيها السلالة المقاومة من نقطة نشأتها في أوروبا إلى مراكز العدوى والتطور في أمريكا الجنوبية وآسيا وأمريكا الشمالية وأستراليا. اقترحت الدراسة أن دخول البكتيريا إلى مجموعات سكانية جديدة حدث مرات قليلة جدًا ، ربما مرة واحدة فقط ، ثم انتشر من هذا العدد المحدود من الأفراد. هذا على عكس احتمال أن يكون العديد من الأفراد قد حملوا البكتيريا من مكان إلى آخر. تشير هذه النتيجة إلى أن مسؤولي الصحة العامة يجب أن يركزوا على التعرف السريع على جهات الاتصال للأفراد المصابين بسلالة جديدة من البكتيريا للسيطرة على انتشارها.

المجال الثاني المفيد لتحليل النشوء والتطور هو الحفظ. جادل علماء الأحياء بأنه من المهم حماية الأنواع في جميع أنحاء شجرة النشوء والتطور وليس فقط تلك الموجودة في فرع واحد من الشجرة. سيؤدي القيام بذلك إلى الحفاظ على المزيد من التباين الناتج عن التطور. على سبيل المثال ، يجب أن تركز جهود الحفظ على نوع واحد بدون أنواع شقيقة بدلاً من الأنواع الأخرى التي لديها مجموعة من الأنواع الشقيقة القريبة التي تطورت مؤخرًا. إذا انقرض نوع واحد متميز تطوريًا ، فسيتم فقد قدر غير متناسب من الاختلاف عن الشجرة مقارنةً بنوع واحد في مجموعة الأنواع ذات الصلة الوثيقة. دراسة نشرت عام 20074 قدم توصيات للحفاظ على أنواع الثدييات في جميع أنحاء العالم بناءً على مدى تميزها تطوريًا ومعرضة لخطر الانقراض. ووجدت الدراسة أن توصياتهم اختلفت عن الأولويات التي تستند ببساطة إلى مستوى تهديد الانقراض للأنواع. أوصت الدراسة بحماية بعض الثدييات الكبيرة المهددة والقيمة مثل إنسان الغاب ، والباندا العملاقة والصغرى ، والفيلة الأفريقية والآسيوية. لكنهم وجدوا أيضًا أنه يجب حماية بعض الأنواع الأقل شهرة بناءً على مدى تميزها التطوري. وتشمل هذه عددًا من القوارض والخفافيش والزبابة والقنافذ. بالإضافة إلى ذلك ، هناك بعض الأنواع المهددة بالانقراض والتي لم يتم تصنيفها على أنها مهمة جدًا في التميز التطوري بما في ذلك أنواع فئران الغزلان والجربوع. بينما تؤثر العديد من المعايير على قرارات الحفظ ، فإن الحفاظ على التنوع الوراثي يوفر طريقة موضوعية لحماية النطاق الكامل للتنوع الناتج عن التطور.

بناء الأشجار النشوء والتطور

كيف يقوم العلماء ببناء أشجار النشوء والتطور؟ في الوقت الحاضر ، الطريقة الأكثر قبولًا لبناء أشجار النشوء والتطور هي طريقة تسمى cladistics. تقوم هذه الطريقة بفرز الكائنات الحية إلى مجموعات من الكائنات الحية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض والسلف الذي انحدرت منه. على سبيل المثال ، في الشكل 12.2.4 ، تطورت جميع الكائنات الحية في المنطقة المظللة من سلف واحد كان لديه بيض أمنيوسي. وبالتالي ، فإن كل هذه الكائنات لديها أيضًا بيضًا سلويًا وتشكل كليدًا واحدًا ، يُطلق عليه أيضًا المجموعة أحادية النمط. يجب أن تشمل Clades أنواع الأجداد وجميع المتحدرين من نقطة فرع.

اتصال فني

تنحدر السحالي والأرانب والبشر من سلف مشترك تطورت فيه البويضة التي يحيط بالجنين. وهكذا ، تنتمي السحالي والأرانب والبشر إلى كليد أمنيوتا. Vertebrata هو كليد أكبر يتضمن أيضًا الأسماك و lamrey.

أي الحيوانات في هذا الشكل تنتمي إلى كليد يضم حيوانات ذات شعر؟ أيهما تطور أولاً: الشعر أم البويضة التي يحيط بالجنين؟

يمكن أن تختلف الفروع في الحجم بناءً على نقطة الفرع التي يتم الرجوع إليها. العامل المهم هو أن جميع الكائنات الحية في المجموعة clade أو monophyletic تنبع من نقطة واحدة على الشجرة. يمكن تذكر هذا لأن monophyletic ينقسم إلى "mono" بمعنى واحد و "phyletic" بمعنى علاقة تطورية.

الخصائص المشتركة

كلاديستيك يرتكز على ثلاثة افتراضات. الأول هو أن الكائنات الحية مرتبطة بالنسب من سلف مشترك ، وهو افتراض عام للتطور. والثاني هو أن الانتواع يحدث عن طريق انقسام نوع واحد إلى نوعين ، وليس أكثر من نوعين في وقت واحد ، وبشكل أساسي في وقت واحد. هذا مثير للجدل إلى حد ما ، لكنه مقبول لدى معظم علماء الأحياء على أنه تبسيط. الافتراض الثالث هو أن السمات تتغير بما يكفي بمرور الوقت ليتم اعتبارها في حالة مختلفة ، ومن المفترض أيضًا أنه يمكن للمرء تحديد الاتجاه الفعلي للتغيير لدولة ما. بمعنى آخر ، نفترض أن البويضة التي يحيط بالجنين هي حالة شخصية لاحقة من البيض غير السلوي. وهذا ما يسمى قطبية تغيير الشخصية. نحن نعرف ذلك بالرجوع إلى مجموعة خارج الفرع: على سبيل المثال ، تحتوي الحشرات على بيض لا يحيط بالجنين ؛ لذلك ، هذه هي حالة الشخصية الأقدم أو الأجداد. يقارن Cladistics بين ingroups و outgroups. مجموعة الانغروب (السحلية والأرنب والإنسان في مثالنا) هي مجموعة الأصناف التي يتم تحليلها. المجموعة الخارجية (lancelet ، لامبري والأسماك في مثالنا) هي نوع أو مجموعة من الأنواع التي تباعدت قبل السلالة التي تحتوي على المجموعة (المجموعات) ذات الأهمية. من خلال مقارنة أعضاء المجموعة ببعضهم البعض وبأعضاء المجموعة الخارجية ، يمكننا تحديد الخصائص التي تعد تعديلات تطورية تحدد النقاط الفرعية لتطور السلالة للمجموعة.

إذا تم العثور على خاصية في جميع أعضاء المجموعة ، فهي سمة سلفية مشتركة لأنه لم يكن هناك تغيير في السمة أثناء نزول كل عضو من أعضاء الكليد. على الرغم من أن هذه السمات تبدو مثيرة للاهتمام لأنها توحد الكليد ، إلا أنها تعتبر غير مفيدة في الكليات عندما نحاول تحديد العلاقات بين أعضاء الكليد لأن كل عضو هو نفسه. في المقابل ، ضع في اعتبارك خاصية البويضة التي يحيط بالجنين في الشكل 12.2.4. فقط بعض الكائنات الحية لديها هذه السمة ، وبالنسبة لأولئك الذين لديهم هذه السمة ، يطلق عليها الطابع المشتق المشترك لأن هذه السمة تغيرت في مرحلة ما أثناء النزول. تخبرنا هذه الشخصية عن العلاقات بين أعضاء الكليد ؛ يخبرنا أن السحالي والأرانب والبشر يتجمعون معًا بشكل أوثق أكثر مما تفعله أي من هذه الكائنات مع الأسماك والجلكيات واللافتات.

يتمثل أحد الجوانب المربكة أحيانًا في الأحرف "السلفية" و "المشتقة" في أن هذين المصطلحين نسبيان. يمكن أن تكون السمة نفسها إما أسلافًا أو مشتقة اعتمادًا على الرسم البياني المستخدم والكائنات الحية التي تتم مقارنتها. يجد العلماء هذه المصطلحات مفيدة عند التمييز بين الكتل أثناء بناء أشجار النشوء والتطور ، ولكن من المهم أن نتذكر أن معناها يعتمد على السياق.

اختيار العلاقات الصحيحة

يعد إنشاء شجرة النشوء والتطور ، أو مخطط cladogram ، من بيانات الشخصية مهمة ضخمة تُترك عادةً لجهاز الكمبيوتر. يرسم الكمبيوتر شجرة بحيث تشترك كل الكليد في نفس قائمة الأحرف المشتقة. ولكن هناك قرارات أخرى يجب اتخاذها ، على سبيل المثال ، ماذا لو كان وجود الأنواع في كليد مدعومًا من قبل جميع الأحرف المشتقة المشتركة لهذا الفرع باستثناء واحد؟ أحد الاستنتاجات هو أن السمة تطورت في السلف ، ولكن بعد ذلك تغيرت مرة أخرى في ذلك النوع الواحد. يجب أيضًا افتراض أن حالة الشخصية التي تظهر في مجموعتين قد تطورت بشكل مستقل في تلك الكتل. هذه التناقضات شائعة في الأشجار المأخوذة من بيانات الشخصية وتعقد عملية صنع القرار حول أي شجرة تمثل العلاقات الحقيقية بين الأصناف.

للمساعدة في المهمة الهائلة لاختيار أفضل شجرة ، غالبًا ما يستخدم العلماء مفهومًا يسمى الحد الأقصى من البخل ، مما يعني أن الأحداث حدثت بأبسط الطرق وأكثرها وضوحًا. هذا يعني أن الشجرة "الأفضل" هي الشجرة التي تحتوي على أقل عدد من انعكاسات الأحرف ، وأقل عدد من التغييرات في الأحرف المستقلة ، وأقل عدد من التغييرات الشخصية في جميع أنحاء الشجرة. تبحث برامج الكمبيوتر في جميع الأشجار الممكنة للعثور على عدد صغير من الأشجار مع أبسط المسارات التطورية. بدءًا من جميع السمات المتماثلة في مجموعة من الكائنات الحية ، يمكن للعلماء تحديد ترتيب الأحداث التطورية التي حدثت فيها تلك السمات وهو الأكثر وضوحًا وبساطة.

المفهوم في العمل

ممارسة البخل: انتقل إلى هذا الموقع لمعرفة كيفية استخدام الحد الأقصى من البخل لإنشاء أشجار النشوء والتطور (تأكد من المتابعة إلى الصفحة الثانية).

هذه الأدوات والمفاهيم ليست سوى عدد قليل من الاستراتيجيات التي يستخدمها العلماء للتعامل مع مهمة الكشف عن التاريخ التطوري للحياة على الأرض. كشفت التقنيات الحديثة مؤخرًا عن اكتشافات مفاجئة ذات علاقات غير متوقعة ، مثل حقيقة أن الناس يبدو أنهم أكثر ارتباطًا بالفطريات من ارتباط الفطريات بالنباتات. صوت لا يصدق؟ مع تزايد المعلومات حول تسلسل الحمض النووي ، سيصبح العلماء أقرب إلى رسم خرائط التاريخ التطوري لجميع أشكال الحياة على الأرض.

ملخص القسم

لبناء أشجار النشوء والتطور ، يجب على العلماء جمع معلومات الشخصية التي تسمح لهم بإجراء روابط تطورية بين الكائنات الحية. باستخدام البيانات المورفولوجية والجزيئية ، يعمل العلماء على تحديد الخصائص والجينات المتماثلة. يمكن أن تنشأ أوجه التشابه بين الكائنات الحية إما من التاريخ التطوري المشترك (التماثلات) أو من المسارات التطورية المنفصلة (التشبيهات). بعد تحديد المعلومات المتشابهة ، يستخدم العلماء كلاديسيات لتنظيم هذه الأحداث كوسيلة لتحديد جدول زمني تطوري. يطبق العلماء مفهوم الحد الأقصى من البخل ، والذي ينص على أن الترتيب الأكثر احتمالية للأحداث هو على الأرجح أبسط طريق أقصر. بالنسبة للأحداث التطورية ، سيكون هذا هو المسار الذي يحتوي على أقل عدد من الاختلافات الرئيسية التي ترتبط بالأدلة.

الشكل 12.2.3 ما هي الحيوانات في هذا الشكل تنتمي إلى كليد يضم حيوانات ذات شعر؟ أيهما تطور أولاً: الشعر أم البويضة التي يحيط بالجنين؟

تنتمي الأرانب والبشر إلى الفرع الذي يشمل الحيوانات ذات الشعر. تطورت البويضة التي يحيط بالجنين قبل ظهور الشعر ، لأن فرع Amniota يتفرع في وقت أبكر من الكليد الذي يشمل الحيوانات ذات الشعر.

متعدد الخيارات

ما هي العبارة الصحيحة حول المقارنات؟

A. تحدث فقط كأخطاء.
ب- هم مرادفون لصفات متجانسة.
جيم - مشتقة من الاستجابة لضغوط بيئية مماثلة.
D. هم شكل من أشكال الطفرة.

ج

ما نوع السمة المهمة في علم الكسوة؟

الصفات المشتقة المشتركة
صفات الأجداد المشتركة
جيم الصفات المماثلة
صفات البخل

أ

ما هو صحيح بالنسبة للكائنات الحية التي هي جزء من نفس الفرع؟

ج: يشتركون جميعًا في نفس الخصائص الأساسية.
ب. تطورت من سلف مشترك.
ج. جميعهم على نفس الشجرة.
D. لديهم سلالات متطابقة.

ب

أي افتراض من cladistics تم ذكره بشكل غير صحيح؟

أ. الكائنات الحية مرتبطة بالنسب من سلف مشترك.
يمكن أن ينتج الانتواع نوعًا واحدًا أو نوعين أو ثلاثة أنواع جديدة.
ج- السمات تتغير من حالة إلى أخرى.
يمكن تحديد قطبية تغيير حالة الشخصية.

ب

المجموعة أحادية النمط هي ________.

ألف شجرة النشوء والتطور
صفة مشتقة مشتركة
حالة الحرف C.
D. clade

د

إستجابة مجانية

الدلافين والأسماك لها نفس أشكال الجسم. هل من المرجح أن تكون هذه الميزة سمة متجانسة أو مماثلة؟

الدلافين من الثدييات والأسماك ليست كذلك ، مما يعني أن مساراتها التطورية (الأنساب) منفصلة تمامًا. ربما تكيفت الدلافين لتكون لها نفس خطة الجسم بعد العودة إلى نمط الحياة المائية ، وبالتالي فإن هذه السمة ربما تكون مماثلة.

وصف البخل الأقصى.

يفترض الحد الأقصى من البخل أن الأحداث حدثت بأبسط الطرق وأكثرها وضوحًا ، ومن المحتمل أن يتضمن مسار التطور أقل الأحداث الكبرى التي تتزامن مع الأدلة الموجودة.

كيف يحدد عالم الأحياء قطبية تغيير الشخصية؟

ينظر عالم الأحياء إلى حالة الشخصية في مجموعة خارجية ، وهي كائن حي خارج الكليد الذي يتم تطوير السلالة من أجله. إن قطبية تغيير الشخصية هي من حالة الشخصية في المجموعة الخارجية إلى الحالة الثانية.

الحواشي

  1. 1 جيبونز ، أ. (2012 ، 13 يونيو). العلم الآن. تم الاسترجاع من news.sciencemag.org/scienceno...sequenced.html
  2. 2 خلفية عن التحليل الجيني المقارن. (2002 ، ديسمبر). تم الاسترجاع من http://www.genome.gov/10005835
  3. 3 هاريس ، س. وآخرون. 2010. تطور جرثومة MRSA أثناء انتقال المرض في المستشفى والانتشار العابر للقارات. علم 327:469–474.
  4. 4 Isaac NJ، Turvey ST، Collen B، Waterman C، Baillie JE (2007) Mammals on the EDGE: أولويات الحفظ على أساس التهديد والتطور. بلوس واحد 2 (3): e296. دوى: 10.1371 / journal.pone.0000296

قائمة المصطلحات

هيكل مماثل
شخصية موجودة في نوعين من الأصناف التي تبدو متشابهة بسبب التطور المتقارب ، وليس بسبب النسب من سلف مشترك
كليد
مجموعة من الأصناف مع نفس المجموعة من الأحرف المشتقة المشتركة ، بما في ذلك الأنواع الأجداد وجميع أحفادها
كلاديسيات
طريقة مستخدمة لتنظيم السمات المتجانسة لوصف السلالات باستخدام النسب المشترك كمعيار أساسي يستخدم لتصنيف الكائنات الحية
البخل الأقصى
تطبيق أبسط الطرق وأكثرها وضوحًا بأقل عدد من الخطوات
النظاميات الجزيئية
طرق استخدام الأدلة الجزيئية لتحديد علاقات النشوء والتطور
مجموعة أحادية اللون
(أيضًا ، كليد) الكائنات الحية التي تشترك في سلف واحد
شخصية الأجداد المشتركة
حرف في فرع علم الوراثة يتقاسمه كليد معين

خياران للتشابه

بشكل عام ، الكائنات الحية التي تشترك في سمات فيزيائية وجينومات متشابهة أكثر ارتباطًا من تلك التي لا تشترك فيها. نشير إلى مثل هذه الميزات التي تتداخل شكليًا (في الشكل) ووراثيًا على أنها هياكل متجانسة. إنها تنبع من أوجه التشابه التنموية التي تقوم على التطور. على سبيل المثال ، العظام في أجنحة الخفافيش والطيور لها هياكل متماثلة (الشكل).

أجنحة الخفافيش والطيور هي هياكل متجانسة ، مما يشير إلى أن الخفافيش والطيور تشترك في ماض تطوري مشترك. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Steve Hillebrand ، USFWS Credit b: تعديل العمل بواسطة US DOI BLM)

لاحظ أنها ليست مجرد عظمة واحدة ، بل هي مجموعة من عدة عظام مرتبة بطريقة مماثلة. كلما كانت الميزة أكثر تعقيدًا ، زاد احتمال حدوث أي نوع من التداخل بسبب ماض تطوري مشترك. تخيل أن شخصين من دول مختلفة يخترعان سيارة من نفس الأجزاء وبنفس الترتيب تمامًا دون أي معرفة سابقة أو مشتركة. هذه النتيجة ستكون بعيدة الاحتمال. ومع ذلك ، إذا اخترع شخصان مطرقة ، فيمكننا أن نستنتج بشكل معقول أن كلاهما يمكن أن يكون لهما الفكرة الأصلية دون مساعدة الآخر. العلاقة نفسها بين التعقيد والتاريخ التطوري المشترك صحيحة بالنسبة للبنى المتماثلة في الكائنات الحية.


تحديد العلاقات التطورية

يجب على العلماء جمع معلومات دقيقة تسمح لهم بإجراء روابط تطورية بين الكائنات الحية. على غرار العمل الاستقصائي ، يجب على العلماء استخدام الأدلة لكشف الحقائق. في حالة علم التطور ، تركز التحقيقات التطورية على نوعين من الأدلة: المورفولوجية (الشكل والوظيفة) والجينية.

خياران للتشابه

بشكل عام ، تميل الكائنات الحية التي تشترك في السمات الفيزيائية والجينومات المتشابهة إلى أن تكون أكثر ارتباطًا من تلك التي لا تشترك فيها. هذه الميزات التي تتداخل على حد سواء شكليا (في الشكل) و وراثيا يشار إليها باسم هياكل متجانسة تنبع من أوجه التشابه التنموية التي تقوم على التطور. على سبيل المثال ، العظام في أجنحة الخفافيش والطيور لها هياكل متماثلة (الشكل 1).

الشكل 1: أجنحة الخفافيش والطيور هي هياكل متجانسة ، مما يشير إلى أن الخفافيش والطيور تشترك في ماض تطوري مشترك. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Steve Hillebrand ، USFWS Credit b: تعديل العمل بواسطة US DOI BLM. & # 8220 الهياكل المتجانسة & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

لاحظ أنها ليست مجرد عظمة واحدة ، بل هي مجموعة من عدة عظام مرتبة بطريقة مماثلة. كلما كانت الميزة أكثر تعقيدًا ، زاد احتمال حدوث أي نوع من التداخل بسبب ماض تطوري مشترك. تخيل أن شخصين من دول مختلفة يخترعان سيارة من نفس الأجزاء وبنفس الترتيب تمامًا دون أي معرفة سابقة أو مشتركة. هذه النتيجة ستكون بعيدة الاحتمال. ومع ذلك ، إذا اخترع شخصان مطرقة ، فسيكون من المعقول استنتاج أن كلاهما يمكن أن يكون لهما الفكرة الأصلية دون مساعدة الآخر. العلاقة نفسها بين التعقيد والتاريخ التطوري المشترك صحيحة بالنسبة للبنى المتماثلة في الكائنات الحية.

المظاهر المضللة

قد تكون بعض الكائنات الحية وثيقة الصلة ببعضها البعض ، على الرغم من أن تغييرًا جينيًا طفيفًا تسبب في اختلاف مورفولوجي كبير لجعلها تبدو مختلفة تمامًا. وبالمثل ، قد تكون الكائنات الحية غير ذات الصلة مرتبطة ببعضها البعض بشكل بعيد ، ولكنها تظهر بشكل كبير على حد سواء. يحدث هذا عادةً لأن كلا الكائنين كانا في تكيفات مشتركة تطورت في ظروف بيئية متشابهة. عندما تحدث خصائص متشابهة بسبب القيود البيئية وليس بسبب علاقة تطورية وثيقة ، يطلق عليها اسم تشبيه أو homoplasy. على سبيل المثال ، تستخدم الحشرات أجنحة لتطير مثل الخفافيش والطيور ، لكن بنية الجناح والأصل الجنيني مختلفان تمامًا. تسمى هذه مماثل الهياكل (الشكل 2).

يمكن أن تكون السمات المتشابهة إما متماثلة أو متشابهة. تشترك الهياكل المتشابهة في أصل جنيني مماثل للأعضاء المماثلة لها وظيفة مماثلة. على سبيل المثال ، العظام في الزعنفة الأمامية للحوت متماثلة مع عظام الذراع البشرية. هذه الهياكل ليست متشابهة. أجنحة الفراشة وأجنحة الطائر متشابهة ولكنها ليست متجانسة. بعض الهياكل متشابهة ومتشابهة: أجنحة الطائر وأجنحة الخفافيش متماثلة ومتشابهة. يجب على العلماء تحديد نوع التشابه الذي تعرضه السمة لفك تشفير نسالة الكائنات الحية قيد الدراسة.

الشكل 2: يشبه جناح (ج) نحل العسل في الشكل أ (ب) جناح طائر و (أ) جناح خفاش ، وهو يؤدي نفس الوظيفة. ومع ذلك ، فإن جناح نحل العسل لا يتكون من عظام وله بنية وأصل جنيني مختلفان بشكل واضح. توضح هذه الأنواع من الأجنحة (الحشرات مقابل الخفافيش والطيور) تشابهًا - هياكل متشابهة لا تشترك في التاريخ التطوري. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Steve Hillebrand ، USFWS Credit b: تعديل العمل بواسطة US DOI BLM Credit c: تعديل العمل بواسطة Jon Sullivan. & # 8220analogy & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

مقارنات جزيئية

مع تقدم تقنية الحمض النووي ، ازدهر مجال النظم الجزيئية ، الذي يصف استخدام المعلومات على المستوى الجزيئي بما في ذلك تحليل الحمض النووي. لا تؤكد برامج الكمبيوتر الجديدة العديد من الكائنات الحية المصنفة سابقًا فحسب ، بل تكشف أيضًا عن أخطاء سابقة. كما هو الحال مع الخصائص الفيزيائية ، حتى تسلسل الحمض النووي يمكن أن يكون خادعًا للقراءة في بعض الحالات. في بعض الحالات ، يمكن أن يظهر كائنان مترابطان للغاية غير مرتبطين إذا حدثت طفرة تسببت في حدوث تحول في الشفرة الجينية. قد تؤدي طفرة الإدراج أو الحذف إلى تحريك كل قاعدة نوكليوتيد فوق مكان واحد ، مما يتسبب في ظهور رمزين متشابهين غير مرتبطين.

في بعض الأحيان ، يشترك جزءان من كود الحمض النووي في الكائنات الحية ذات الصلة البعيدة بشكل عشوائي في نسبة عالية من القواعد في نفس المواقع ، مما يجعل هذه الكائنات تبدو مرتبطة ارتباطًا وثيقًا عندما لا تكون كذلك. في كلتا الحالتين ، تم تطوير تقنيات الكمبيوتر للمساعدة في تحديد العلاقات الفعلية ، وفي نهاية المطاف ، يكون الاستخدام المقترن لكل من المعلومات المورفولوجية والجزيئية أكثر فاعلية في تحديد نسالة.

لماذا يعتبر علم الوراثة مهمًا؟

يمكن لعلماء الأحياء التطورية أن يسردوا العديد من الأسباب التي تجعل فهم علم التطور مهمًا للحياة اليومية في المجتمع البشري. بالنسبة لعلماء النبات ، يعمل علم الوراثة كدليل لاكتشاف نباتات جديدة يمكن استخدامها لإفادة الناس. فكر في جميع طرق استخدام البشر للنباتات - الطعام والأدوية والملابس هي أمثلة قليلة. إذا كان النبات يحتوي على مركب فعال في علاج السرطان ، فقد يرغب العلماء في فحص جميع أقارب هذا النبات بحثًا عن أدوية أخرى مفيدة.

حدد فريق بحثي في ​​الصين جزءًا من الحمض النووي يعتقد أنه شائع لبعض النباتات الطبية في عائلة البقول (عائلة البقوليات) وعمل على تحديد الأنواع التي تحتوي على هذه الشريحة (الشكل 3). بعد اختبار الأنواع النباتية في هذه العائلة ، وجد الفريق علامة الحمض النووي (موقع معروف على الكروموسوم تمكنهم من التعرف على الأنواع) الموجودة. بعد ذلك ، باستخدام الحمض النووي للكشف عن العلاقات التطورية ، يمكن للفريق تحديد ما إذا كان النبات المكتشف حديثًا في هذه العائلة وتقييم خصائصه الطبية المحتملة.

الشكل 3: Dalbergia سيسو (D. sissoo) في الفصيلة البقولية ، أو عائلة البقوليات. وجد العلماء ذلك د. سيسو يشترك في علامة الحمض النووي مع الأنواع داخل عائلة الفصيلة البقولية التي لها خصائص مضادة للفطريات. تبعا، د. سيسو ثبت أن له نشاط مبيد للفطريات ، مما يدعم فكرة أنه يمكن استخدام علامات الحمض النووي لفحص النباتات ذات الخصائص الطبية المحتملة. (الائتمان: & # 8220Dalbergia سيسو& # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

بناء الأشجار النشوء والتطور

كيف يقوم العلماء ببناء أشجار النشوء والتطور؟ بعد فرز السمات المتماثلة والمماثلة ، غالبًا ما ينظم العلماء الصفات المتماثلة باستخدام نظام يسمى كلاديسيات. يقوم هذا النظام بفرز الكائنات الحية إلى clades: مجموعات الكائنات الحية التي انحدرت من سلف واحد. على سبيل المثال ، في الشكل 4 ، تطورت جميع الكائنات الحية في المنطقة البرتقالية من سلف واحد كان لديه بيض أمنيوسي. وبالتالي ، فإن كل هذه الكائنات تحتوي أيضًا على بيض سلوي وتشكل كليدًا واحدًا ، يُطلق عليه أيضًا اسم a مجموعة أحادية اللون. يجب أن تشمل Clades جميع المتحدرين من نقطة فرعية.

الشكل 4: السحالي والأرانب والبشر ينحدرون جميعًا من سلف مشترك لديه بيضة سلوية. وهكذا ، تنتمي السحالي والأرانب والبشر إلى كليد أمنيوتا. Vertebrata عبارة عن كليد أكبر يتضمن أيضًا الأسماك ولامبري. (الائتمان: & # 8221 مجموعات monophyletic & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

أي الحيوانات في هذا الشكل تنتمي إلى كليد يضم حيوانات ذات شعر؟ أيهما تطورت أولاً ، الشعر أم البويضة التي يحيط بالجنين؟

يمكن أن تختلف الفروع في الحجم بناءً على نقطة الفرع التي يتم الرجوع إليها. العامل المهم هو أن جميع الكائنات الحية في المجموعة clade أو monophyletic تنبع من نقطة واحدة على الشجرة. يمكن تذكر هذا لأن monophyletic ينقسم إلى "mono" بمعنى واحد و "phyletic" بمعنى علاقة تطورية. يوضح الشكل 5 أمثلة مختلفة من clades. لاحظ كيف يأتي كل كليد من نقطة واحدة ، بينما تُظهر المجموعات غير المصنّعة فروعًا لا تشترك في نقطة واحدة.

الشكل 5: جميع الكائنات الحية داخل كليد تنبع من نقطة واحدة على الشجرة. قد يحتوي الكليد على مجموعات متعددة ، كما في حالة الحيوانات والفطريات والنباتات ، أو مجموعة واحدة ، كما في حالة الجلد. المجموعات التي تتباعد عند نقطة فرع مختلفة ، أو التي لا تتضمن كل المجموعات في نقطة فرع واحدة ، لا تعتبر كتيبات. (الائتمان: & # 8220clades & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

المجموعات التي لا تشمل جميع الكائنات الحية التي تنحدر من سلف واحد لها أسماء مختلفة. أ مجففة تتضمن المجموعة أحدث سلف مشترك ، ولكن ليس كل من نسلها الشكل 6. أ متعدد النوى تشمل المجموعة كائنات غير مرتبطة تنحدر من أكثر من سلف واحد.

الشكل 6: تمثيل مرئي للمجموعات أحادية اللون ، ومتعددة الخلايا ، ومجموعات paraphyletic. (الائتمان: 1999 بواسطة أديسون ويسلي لونجمان)

الخصائص المشتركة

تتطور الكائنات الحية من أسلاف مشتركة ثم تتنوع. يستخدم العلماء عبارة "النسب مع التعديل" لأنه على الرغم من أن الكائنات الحية ذات الصلة لها العديد من نفس الخصائص والرموز الجينية ، إلا أن التغييرات تحدث. يتكرر هذا النمط مرارًا وتكرارًا بينما يمر المرء عبر شجرة الحياة النشوء والتطور:

  1. يؤدي التغيير في التركيب الجيني للكائن الحي إلى سمة جديدة تصبح سائدة في المجموعة.
  2. العديد من الكائنات الحية تنحدر من هذه النقطة ولديها هذه السمة.
  3. تستمر الاختلافات الجديدة في الظهور: بعضها قابل للتكيف ومستمر ، مما يؤدي إلى سمات جديدة.
  4. مع السمات الجديدة ، يتم تحديد نقطة فرع جديدة (ارجع إلى الخطوة 1 وكرر ذلك).

إذا تم العثور على خاصية في سلف المجموعة ، فإنها تعتبر أ شخصية الأجداد المشتركة لأن كل الكائنات الحية في الصنف أو الكليد لها تلك الصفة. الفقاريات في الشكل 4 هي شخصية سلفية مشتركة. الآن ضع في اعتبارك خاصية البويضة التي يحيط بالجنين في نفس الشكل. فقط بعض الكائنات الحية في الشكل 4 لديها هذه السمة ، وبالنسبة لتلك التي لها ، فإنها تسمى أ الشخصية المشتقة المشتركة لأن هذه السمة مشتقة في مرحلة ما ولكنها لا تشمل جميع الأسلاف في الشجرة.

يتمثل الجانب الصعب في مشاركة الأحرف المشتقة من الأجداد والمشتركة في حقيقة أن هذه المصطلحات نسبية. يمكن اعتبار نفس السمة واحدة أو أخرى اعتمادًا على الرسم التخطيطي المعين المستخدم. بالعودة إلى الشكل 4 ، لاحظ أن البويضة التي يحيط بالجنين هي شخصية سلفية مشتركة لسلسلة Amniota clade ، في حين أن امتلاك الشعر هو سمة مشتقة مشتركة لبعض الكائنات الحية في هذه المجموعة. تساعد هذه المصطلحات العلماء على التمييز بين الكتل في بناء أشجار النشوء والتطور.

اختيار العلاقات الصحيحة

تخيل أنك الشخص المسؤول عن تنظيم جميع العناصر في متجر متعدد الأقسام بشكل صحيح - وهي مهمة شاقة. ثبت أن تنظيم العلاقات التطورية لجميع أشكال الحياة على الأرض أكثر صعوبة: يجب على العلماء أن يمتدوا لفترات طويلة من الزمن ويعملوا مع المعلومات من الكائنات الحية المنقرضة منذ فترة طويلة. إن محاولة فك رموز الوصلات الصحيحة ، خاصةً في ظل وجود التماثلات والتماثلات ، تجعل مهمة بناء شجرة حياة دقيقة أمرًا صعبًا للغاية. أضف إلى ذلك تقدم تقنية الحمض النووي ، التي توفر الآن كميات كبيرة من التسلسلات الجينية لاستخدامها وتحليلها. التصنيف هو تخصص ذاتي: العديد من الكائنات الحية لديها أكثر من اتصال واحد مع بعضها البعض ، لذلك سيقرر كل عالم تصنيف ترتيب الاتصالات.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use a concept called maximum parsimony, which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to go hiking, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most of the people would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

These tools and concepts are only a few of the strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

ملخص

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Newer technologies can be used to help distinguish homologies from analogies. After homologous information is identified, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. Scientists apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.


102 Determining Evolutionary Relationships

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. على غرار العمل الاستقصائي ، يجب على العلماء استخدام الأدلة لكشف الحقائق. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). بعد اختبار الأنواع النباتية في هذه العائلة ، وجد الفريق علامة الحمض النووي (موقع معروف على الكروموسوم تمكنهم من التعرف على الأنواع) الموجودة. بعد ذلك ، باستخدام الحمض النووي للكشف عن العلاقات التطورية ، يمكن للفريق تحديد ما إذا كان النبات المكتشف حديثًا في هذه العائلة وتقييم خصائصه الطبية المحتملة.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

ملخص القسم

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

أسئلة الاتصال المرئي

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

راجع الأسئلة

Which statement about analogies is correct?

  1. They occur only as errors.
  2. They are synonymous with homologous traits.
  3. They are derived by similar environmental constraints.
  4. They are a form of mutation.

What do scientists use to apply cladistics?

What is true about organisms that are a part of the same clade?

  1. They all share the same basic characteristics.
  2. They evolved from a shared ancestor.
  3. They usually fall into the same classification taxa.
  4. They have identical phylogenies.

Why do scientists apply the concept of maximum parsimony?

  1. to decipher accurate phylogenies
  2. to eliminate analogous traits
  3. to identify mutations in DNA codes
  4. to locate homoplasies

أسئلة التفكير النقدي

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

قائمة المصطلحات


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After the homologous and analogous traits are sorted, scientists often organize the homologous traits using a system called cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in [Figure 4], all of the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, all of these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, also called a monophyletic group . Clades must include all of the descendants from a branch point.

اتصال فني

Figure 4: Lizards, rabbits, and humans all descend from a common ancestor that had an amniotic egg. Thus, lizards, rabbits, and humans all belong to the clade Amniota. Vertebrata is a larger clade that also includes fish and lamprey.

Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

يمكن أن تختلف الفروع في الحجم بناءً على نقطة الفرع التي يتم الرجوع إليها. The important factor is that all of the organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. This can be remembered because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. [Figure 5] shows various examples of clades. Notice how each clade comes from a single point, whereas the non-clade groups show branches that do not share a single point.

اتصال فني

Figure 5: All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not considered clades.

What is the largest clade in this diagram?


اتصال فني

All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not clades.

What is the largest clade in this diagram?


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. على غرار العمل الاستقصائي ، يجب على العلماء استخدام الأدلة لكشف الحقائق. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). بعد اختبار الأنواع النباتية في هذه العائلة ، وجد الفريق علامة الحمض النووي (موقع معروف على الكروموسوم تمكنهم من التعرف على الأنواع) الموجودة. بعد ذلك ، باستخدام الحمض النووي للكشف عن العلاقات التطورية ، يمكن للفريق تحديد ما إذا كان النبات المكتشف حديثًا في هذه العائلة وتقييم خصائصه الطبية المحتملة.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

ملخص القسم

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

اتصالات فنية

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

إستجابة مجانية

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

قائمة المصطلحات


Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism's genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in Figure is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in Figure have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to Figure, note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

ارتباط بالتعلم

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.


إستجابة مجانية

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and therefore this trait is probably analogous.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

How does a biologist determine the polarity of a character change?

The biologist looks at the state of the character in an outgroup, an organism that is outside the clade for which the phylogeny is being developed. The polarity of the character change is from the state of the character in the outgroup to the second state.


شاهد الفيديو: Richard Dawkins The Selfish Gene كتاب الجين الأناني لـ ريتشارد دوكنز (شهر نوفمبر 2024).