Філогенетіка

Філогенетіка, або філогенетична систематика - область біологічної систематики, яка займається ідентифікацією і проясненням еволюційних взаємин серед різних видів життя на Землі, як сучасних, так і вимерлих. Еволюційна теорія стверджує, що схожість серед індивідуумів або видів часто вказує на спільне походження або спільного предка. Тому взаємини, встановлені філогенетичної систематикою, часто описують еволюційну історію видів і їх філогенез, історичні взаємини між гілками організмів або їх частин, наприклад, їх генів. Філогенетична таксономія, яка є відгалуженням, але не логічним продовженням філогенетичної систематики, займається класифікацією груп організмів згідно зі ступенем їх еволюційних відносин.

Засновником систематики, галузі науки, яка займається класифікацією живих організмів і взаємовідносинами між компонентами живої, вважається Карл Лінней. Однак тільки в кінці 1950-х років німецький ентомолог Віллі Хенниг висловив ідею, що систематика повинна відображати відому еволюційну історію так близько, як тільки можливо. Так був заснований підхід до систематики, який він назвав філогенетичної систематикою. Противники Хеннига зневажливо називали його послідовників "кладістамі", через акцент на визнання тільки монофілетічних груп або клад. Однак, кладісти швидко взяли цю назву як корисний термін, і кладістіческій підхід почав переважати в систематиці. Протилежністю філогенетичної систематики є фенетіка.


1. Філогенетичні дерева

Систематика описує взаємини серед таксонів і покликана допомогти нам зрозуміти історію всіх живих організмів. Але історія не є чимось, що ми можемо побачити, вона сталася один раз і залишила тільки непрямі показники фактичних подій. Вчені використовують ці показники, щоб побудувати гіпотези, або моделі, історії життя. У Філогенетіка найбільш зручний шлях візуального представлення еволюційних взаємин серед груп організмів здійснюється за допомогою графіків, які називаються філогенетичними деревами.

Приклад філогенетичного дерева
  • Вузол: представляє таксономічну одиницю. Він може бути або існуючої групою або предком.
  • Гілку: визначає взаємовідношення між таксонами в термінах нащадків і предків.
  • Топологія: правило по якому розгалужується дерево.
  • Довжина гілки: представляє число змін, які відбулися між таксонами.
  • Корінь: загальний предок всіх розглянутих організмів.
  • Масштаб відстані: масштаб, який відображає число відмінностей між організмами або послідовностями геному.
  • Скарбу : група двох або більше таксонів або послідовностей ДНК, яка включає як свого загального предка, так і всіх його нащадків.
  • Оперативна таксономічна одиниця (ОТЕ, OTU): рівень деталізації, обраний дослідником для даної роботи, наприклад індивідууми, популяції, види, пологи або лінії бактерій.

2. Методи філогенетичного аналізу

Існують дві головні групи методів вивчення філогенетичних взаємин: фенетіческіе і кладістіческіе методи. Важливо відзначити, що фенетіка і кладістіка мали заплутані взаємини протягом останніх 40 років ХХ століття. Більшість сучасних біологів-еволюціоністів віддають перевагу кладістіке, хоча, строго кажучи, кладістіческій підхід може призводити до неінтуітівним результатами.

2.1. Кладістіческіе методи

Альтернативний підхід до схематичного зображення взаємин між таксонами називається кладістікой. Основне припущення кладістікі полягає в тому, що члени групи мають спільну еволюційну історію. Тому вони більш близько ставляться один до одного, ніж вони до інших групувань організмів. Пов'язані групи визначаються по наявності набору унікальних особливостей (апоморфіі), які були відсутні у віддалених предків, але які характерні для більшості або всіх організмів в межах групи. Отримані характеристики, що відносяться до членів групи називаються сінапоморфіямі. Тому, на відміну від фенетіческіх, кладістіческіе групи не залежать від того подібні Чи організми по фізичним рис, а залежать від їх еволюційних взаємин. Дійсно, в кладістіческіх аналізах у двох організмів можуть бути загальними численні характеристики, але вони будуть членами різних груп.

Кладістіческій аналіз використовує ряд припущень. Наприклад, вважається що види є тільки роздвоєнням, або відділенням, з спадкоємної групи. У разі гібридизації (схрещування) або горизонтального перенесення генетичної інформації види вважаються зниклими, а такі явища - рідкісними або відсутніми. Крім того, кладістіческіе групи повинні мати наступні характеристики: усі види в групі повинні розділяти спільного предка і всі види, отримані від спільного предка, повинні увійти в таксон. Дотримання цих вимог призводить до наступних термінам, які використовуються для посилання на різні можливі способи складу груп:

  • Монофілетичного група (або скарбу), у якої всі види поділяють загального предка і всі види що походять від цього спільного предка включаються в групу. Тільки така форма сприймається кладістамі як "правильна".
  • Парафілетіческая група, у якої всі види поділяють загального предка, але не всі види, які походять від цього спільного предка, включаються в групу.
  • Полифилетического група, в якій види, які не поділяють безпосереднього спільного предка, складаються одну групу, виключаючи види, які б зв'язали їх.

3. Молекулярна Філогенетіка

Макромолекулярні дані, під якими мається на увазі послідовності генетичного матеріалу ( ДНК) і білків, накопичуються всі швидкими темпами завдяки успіхам молекулярної біології. Для еволюційної біології швидке накопичення даних послідовностей цілих геномів має значну цінність, тому що сама природа ДНК дозволяє використовувати його як "документ" еволюційної історії. Порівняння послідовності ДНК різних генів у різних організмів можуть сказати вченому багато нового про еволюційні взаємини організмів, які не можуть інакше бути виявлені на основі на морфології, або зовнішньою формою організмів, і їх внутрішній структурі. Оскільки геноми еволюціонують через поступове накопичення мутацій, кількість відмінностей послідовності нуклеотидів між парою геномів різних організмів має вказати, як давно ці два геному розділили спільного предка. Два геному, які розділилися в недавньому минулому, повинні мати менші відмінностей, ніж два геному, чий загальний предок дуже давній. Тому, порівнюючи різні геноми один з одним, можливо отримати відомості про еволюційний взаємовідносини між ними. Це є головним завданням молекулярної філогенетики.

Молекулярна Філогенетіка намагається визначити швидкість і відмінності змін в ДНК і білках, щоб відновити еволюційну історію генів і організмів. Два загальних підходи можуть використовуватися, щоб отримати цю інформацію. У першому підході, вчені використовують ДНК, щоб вивчати еволюцію організму. У другому підході, різні організми використовуються, щоб вивчати еволюцію ДНК. У будь-якому підході спільна мета - зробити висновок щодо процесу еволюції організму щодо змін ДНК і процесу молекулярної еволюції по картині змін ДНК.