Związki ewolucyjne

Ludzie próbują właściwie sklasyfikować żywe istoty od czasu, gdy Arystoteles podjął pierwszą próbę w IV wieku p.n.e. System Arystotelesa został ulepszony w okresie renesansu, a następnie przez Karola Linneusza w połowie XVIII wieku. Te bardziej formalne systemy klasyfikacji i organizacji grupowały gatunki według ich fizycznego podobieństwa do siebie. Na przykład wszystkie kręgowce mają kręgosłup, ale bezkręgowce nie. Cechy takie jak kręgosłup nazywane są synapomorfiami, które są cechami wspólnymi dla grupy organizmów, prawdopodobnie dlatego, że pochodzą od wspólnego przodka. Jak będziemy się zastanawiać, wykazano, że metoda ta ma ograniczenia, a ostatnio została zmieniona w celu uwzględnienia analizy genetycznej. Mimo to naukowcy konstruują drzewa zwane dendrogramami, aby stworzyć wizualną reprezentację tego, jak gatunki są ze sobą powiązane i mają wspólnych przodków. Te dendrogramy mogą pomóc w zrozumieniu procesów ewolucyjnych, które napędzają te relacje. Porównania genetyczne dostarczyły ważnego narzędzia kierującego analizą powiązań ewolucyjnych.

Rodzaje dendrogramu

Rodzaj dendrogramu, zwany kladogramem, przedstawia hipotetyczne relacje genealogiczne między gatunkami, przy czym czubki (lub liście) drzewa reprezentują gatunek, a gałęzie pokazują, w jaki sposób gatunki są ze sobą spokrewnione. Nieco bardziej skomplikowany rodzaj drzewa, zwany filogramem, różni się od kladogramu tym, że gałęzie prowadzące do gatunku mają różną długość. Długość gałęzi w tym typie drzewa reprezentuje stopień zmian między gatunkami: im dłuższa gałąź, tym więcej czasu minęło od czasu, gdy gatunki oddzieliły się od wspólnego przodka. W obu typach drzew wspólny przodek grupy gatunków jest wskazywany przez węzeł, który jest punktem, w którym spotykają się szereg gałęzi. Gatunki, które są bliżej spokrewnione ze sobą (ostatnio miały wspólnego przodka) będą znajdować się najbliżej węzła. Dwa gatunki, które mają wspólny węzeł, nazywane są grupą siostrzaną¹.

Zrozumienie powiązań ewolucyjnych za pomocą danych genetycznych

Historycznie rzecz biorąc, kladogramy były konstruowane poprzez porównanie morfologii (struktury fizycznej) organizmów. Metoda ta jest nadal praktykowana, ale techniki zostały zmodernizowane, aby uwzględnić porównanie sekwencji DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego) między gatunkami. Wykorzystanie DNA do budowy drzew ma kilka zalet w porównaniu z poleganiem wyłącznie na morfologii, w tym możliwość obliczenia szacunku, jak dawno temu różne gatunki miały wspólnego przodka¹. Jednak użycie DNA nie zawsze jest wykonalne, zwłaszcza gdy drzewa zawierają wymarłe organizmy. DNA najlepiej znaleźć w tkankach miękkich, które nie są zachowywane podczas procesu fosylizacji, dlatego rzadko zdarza się, aby próbka DNA wymarłego gatunku była dostępna.

DNA jest przekazywane przez rodziców ich potomstwu w dziedzicznych jednostkach zwanych genami. Sekwencja nukleotydów (A, G, C i T) genów występujących u różnych gatunków jest często dość podobna, prawdopodobnie ze względu na to, że pochodzą od wspólnego przodka. Fakt ten pozwala naukowcom dopasować sekwencje różnych gatunków do siebie w celu zbudowania opisanych powyżej drzew. Gatunki o większym podobieństwie między sekwencjami nukleotydów zostaną umieszczone obok siebie na drzewie, a gatunki o mniejszym podobieństwie sekwencji zostaną umieszczone dalej od siebie.

Bioinformatyka to narzędzia używane przez biologów do analizy dużych zbiorów danych przy użyciu połączenia informatyki, modelowania matematycznego i statystyki. Jednym z takich narzędzi jest BLAST (Basic Local Alignment Search Tool), które może być wykorzystane do szybkiego przeszukania całego genomu dowolnego gatunku, który jest dostępny w bazie danych NCBI (National Center for Biotechnology Information)². Baza danych NCBI łączy w sobie kilka różnych baz danych, które zawierają różne rodzaje informacji o sekwencji DNA. Proces wyszukiwania BLAST obejmuje złożone algorytmy komputerowe, ale zasadniczo BLAST dopasowuje sekwencje każdej zasady nukleotydowej z przesłanej sekwencji DNA (znanej jako sekwencja zapytania) z sekwencjami w bazie danych, które najbardziej do niej pasują. Znalezione sekwencje DNA zostaną wymienione w kolejności podobieństwa do danej sekwencji, a zatem będą pochodzić od gatunków blisko spokrewnionych z gatunkiem zawierającym gen zapytania. To porównanie może, ale nie musi, przedstawiać rzeczywisty związek ewolucyjny między gatunkami, ponieważ geny ewoluują w różnym tempie. Ponadto genomy czasami zawierają więcej niż jeden przypadek podobnej sekwencji.

Porównanie sekwencji DNA genów jest cenne nie tylko w stosunku do zależności ewolucyjnych). Często geny są identyfikowane w organizmach modelowych, takich jak muszka owocowa, Drosophila melanogaster lub mysz³. Integralną częścią badania genu jest funkcja jego produktu jest powszechnie identyfikowana i analizowana. Jeśli badacz jest zainteresowany badaniem tej funkcji w innym organizmie (na przykład u ludzi), BLAST lub inne narzędzia bioinformatyczne mogą być wykorzystane do znalezienia genów kandydujących na podstawie ich podobieństwa do genów o znanej funkcji z organizmów modelowych.

Geny ludzkie mogą być również wykorzystane jako punkt wyjścia do znalezienia homologów w organizmach modelowych. W rzeczywistości badania nad chorobami ludzi w dużej mierze od tego zależą. Po zidentyfikowaniu interesującego nas ludzkiego genu, myszy mogą być genetycznie manipulowane, aby homologiczny gen został zakłócony lub "znokautowany", tworząc model ludzkiej choroby, który można badać w celu zrozumienia i leczenia choroby. Obecnie dostępnych jest wiele takich szczepów myszy. Na przykład istnieje mysi model ludzkiej mukowiscydozy (CF) o nazwie mysz z nokautem Cftr i inny modelujący miażdżycę, zwany nokautem Apoe ³,

Odwołania:

1. Uczeń Annenberg. Podręcznik online: Rozdział 3 Ewolucja i filogenetyka. Odkrywanie biologii na nowo. [online] 2017. [Cytat: 23 sierpnia 2018 r.] https://www.learner.org/courses/biology/textbook/compev/compev_3.html.
2. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej, Narodowa Biblioteka Medyczna Stanów Zjednoczonych. BLAST: Podstawowe narzędzie do wyszukiwania wyrównania lokalnego. [Online] https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi.
3. Narodowy Instytut Badań nad Ludzkim Genomem. Podstawowe informacje o myszy jako organizmie modelowym. Narodowy Instytut Badań nad Ludzkim Genomem. [Online] Grudzień 2002 roku. [Cytat: 23 sierpnia 2018 r.] https://www.genome.gov/10005834/background-on-mouse-as-a-model-organism/.

Ludzie klasyfikowali i organizowali organizmy biologiczne przez tysiące lat. Pierwotnie, przede wszystkim zamawianie przedmiotów niezbędnych do przetrwania. Wraz z postępem w historii ludzkości zmieniały się umiejętności i szczegółowość tych klasyfikacji. W IV wieku p.n.e. Arystoteles był pionierem formalnych klasyfikacji, dzieląc rośliny i zwierzęta na różne grupy, a następnie dzieląc je dalej na podstawie ich cech fizycznych i cech, takich jak siedliska, które zajmują. Później, w połowie XVIII wieku, Linneusz opierał się na systemie Arystotelesa. Nazwał swój najwyższy poziom grupowania królestw i stamtąd podzielił grupy za pomocą synapomorfii, definiującej cechy fizycznej, która dzieli gałąź. Na przykład, jeśli zwierzę posiada kręgosłup lub podobną strukturę, powinno zostać umieszczone w gromadzie strunowców. Jeśli tak się nie stanie, istnieje wiele innych gromad, na które można podzielić zwierzęta bez kręgosłupa, w tym stawonogi, duża grupa obejmująca owady. Linneusz kontynuował dzielenie grup organizmów na podstawie ich synapomorfii na kolejnych poziomach poprzez klasę, rząd, rodzinę i rodzaj, aż osiągnął ostateczne oznaczenie, ogólnie rzecz biorąc, gatunku. Odnosimy się do rodzaju klasyfikacji Linneusza jako kladystyki, klasyfikacji organizmów opartej na różnicach w cechach fizycznych.

Obecnie naukowcy często konstruują drzewa zwane dendrogramami, aby dać wizualne reprezentacje tych podziałów i grup. Ta szczególna forma dendrogramu, kladogram, wizualizuje kladystyczne relacje między gatunkami, tak że czubki drzewa reprezentują gatunki, a gałęzie pokazują, jak są one ze sobą powiązane. Na przykład tutaj szympans i niedźwiedź są bliżej spokrewnione ze sobą i mają więcej wspólnych cech niż którykolwiek z nich z samogłówem. Miejsca, w których spotykają się gałęzie, nazywane są węzłami i oznaczają wspólnych przodków następujących po nich gatunków. Drugim głównym typem dendrogramu jest filogram. Różnią się one od kladogramów, ponieważ długość gałęzi między gatunkami jest różna, reprezentując stopień zmian między nimi. Tak więc im dłuższa gałąź, tym więcej czasu minęło od czasu, gdy gatunek oddzielił się od swojego ostatniego wspólnego przodka.

Dendrogramy zostały skonstruowane po prostu poprzez analizę morfologii organizmów. Wraz z nadejściem nowoczesnej technologii porównywanie DNA stało się również powszechnym sposobem budowania drzew. DNA składa się z nukleotydów związanych z jedną z czterech różnych zasad. Adenina, guanina, cytozyna lub tymina. Kolejność tych zasad to kod DNA. Ten kod jest przekazywany z rodzica na potomstwo. W rezultacie, jeśli spojrzysz na pojedynczy gatunek, taki jak ludzie, istnieje bardzo wysoki stopień podobieństwa w naszym kodzie genetycznym, około 99,9%. Dzielimy również część naszego kodu DNA z innymi gatunkami, takimi jak szympansy i myszy, ale stopień ogólnego podobieństwa między naszym DNA a ich DNA jest bardzo różny. Oznacza to, że możemy tworzyć drzewa, które grupują gatunki na podstawie podobieństw lub różnic między ich kodami genetycznymi. Ta dziedzina analizy, łącząca statystykę, modelowanie matematyczne i informatykę, określana jest mianem bioinformatyki. Aby porównać sekwencje DNA, naukowcy często używają narzędzia bioinformatycznego o nazwie Basic Local Alignment Search Tool lub BLAST, które zostało stworzone i jest utrzymywane przez National Center for Biotechnology Information.

W tym laboratorium najpierw stworzysz kladogram zwierząt na podstawie informacji morfologicznych, a następnie umieścisz na tym kladogramie gatunek kopalny na podstawie jego morfologii. Następnie użyjesz sekwencji DNA od kilku różnych współczesnych krewnych skamieniałości oraz bazy danych BLAST, aby zweryfikować swoje położenie skamieniałości na drzewie.