Эволюционные отношения
Люди пытались правильно классифицировать живые существа с тех пор, как Аристотель предпринял первую попытку в 4 веке до нашей эры. Система Аристотеля…
Люди классифицировали и организовывали биологические организмы на протяжении тысячелетий. Изначально, в первую очередь, упорядочивая предметы, необходимые для выживания. По мере развития человеческой истории совершенствовались и навыки и детализация этих классификаций. В четвертом веке до нашей эры Аристотель впервые ввел формальную классификацию, разделив растения и животных на различные группы, а затем разделив их на основе их физических характеристик и черт, таких как места обитания, которые они занимают. Позже, в середине 1700-х годов, Линней построил свою работу по системе Аристотеля. Он назвал свой высший уровень группировки царств и оттуда разделил группы с помощью синапоморфий, определяющего физического признака, который разделяет ветвь. Например, если животное обладает позвоночником или подобным строением, его следует поместить в тип хордовых. Если это не так, то есть много других типов, на которые животные без позвоночника могут быть разделены, в том числе членистоногие, большая группа, включающая насекомых. Линней продолжал разделять группы организмов на основе их синапоморфий на последующих уровнях по классу, отряду, семейству и роду, пока не достиг окончательного обозначения в общем — вида. Мы называем тип классификации Линнея кладистикой, классификацией организмов, основанной на различиях в физических характеристиках.
Сегодня ученые обычно конструируют деревья, называемые дендрограммами, чтобы дать визуальное представление об этих расщеплениях и группах. Эта конкретная форма дендрограммы, кладограмма, визуализирует кладистические отношения между видами таким образом, что кончики дерева представляют виды, а ветви показывают, как они связаны друг с другом. Например, здесь шимпанзе и медведь более тесно связаны друг с другом и имеют больше общих характеристик, чем каждый из них с рыбой-солнцем. Места, где встречаются ветви, называются узлами и обозначают общих предков для последующих видов. Вторым основным типом дендрограмм является филограмма. Они отличаются от кладограмм тем, что длина ветвей между видами варьируется, представляя степень изменения между ними. Таким образом, чем длиннее ветвь, тем больше времени прошло с тех пор, как вид разошелся со своим последним общим предком.
Дендрограммы были построены путем простого анализа морфологии организмов. С появлением современных технологий сравнение ДНК также стало распространенным способом построения деревьев. ДНК состоит из нуклеотидов, связанных с одним из четырех различных оснований. Аденин, гуанин, цитозин или тимин. Порядок этих оснований определяется кодом ДНК. Этот код передается от родителя к потомку. Следовательно, если вы посмотрите на один вид, такой как человек, то обнаружите очень высокую степень сходства в нашем генетическом коде, около 99,9%. Мы также разделяем часть нашего кода ДНК с другими видами, такими как шимпанзе и мыши, но степень общего сходства между нашей ДНК и их ДНК сильно отличается. Это означает, что мы можем создавать деревья, которые группируют виды на основе сходства или различия между их генетическими кодами. Эта область анализа, объединяющая статистику, математическое моделирование и информатику, называется биоинформатикой. Для сравнения последовательностей ДНК исследователи часто используют биоинформатический инструмент под названием Basic Local Alignment Search Tool, или BLAST, который был создан и поддерживается Национальным центром биотехнологической информации.
В этой лаборатории вы сначала создадите кладограмму животных, используя морфологическую информацию, а затем поместите на эту кладограмму ископаемый вид на основе его морфологии. Затем вы будете использовать последовательности ДНК нескольких различных современных родственников окаменелости и базу данных BLAST, чтобы проверить ваше расположение окаменелости на дереве.
Люди классифицировали и организовывали биологические организмы на протяжении тысячелетий. Изначально, в первую очередь, упорядочивая предметы, необходимые для выживания. По мере развития человеческой истории совершенствовались и навыки и детализация этих классификаций. В четвертом веке до нашей эры Аристотель впервые ввел формальную классификацию, разделив растения и животных на различные группы, а затем разделив их на основе их физических характеристик и черт, таких как места обитания, которые они занимают. Позже, в середине 1700-х годов, Линней построил свою работу по системе Аристотеля. Он назвал свой высший уровень группировки царств и оттуда разделил группы с помощью синапоморфий, определяющего физического признака, который разделяет ветвь. Например, если животное обладает позвоночником или подобным строением, его следует поместить в тип хордовых. Если это не так, то есть много других типов, на которые животные без позвоночника могут быть разделены, в том числе членистоногие, большая группа, включающая насекомых. Линней продолжал разделять группы организмов на основе их синапоморфий на последующих уровнях по классу, отряду, семейству и роду, пока не достиг окончательного обозначения в общем — вида. Мы называем тип классификации Линнея кладистикой, классификацией организмов, основанной на различиях в физических характеристиках.
Сегодня ученые обычно конструируют деревья, называемые дендрограммами, чтобы дать визуальное представление об этих расщеплениях и группах. Эта конкретная форма дендрограммы, кладограмма, визуализирует кладистические отношения между видами таким образом, что кончики дерева представляют виды, а ветви показывают, как они связаны друг с другом. Например, здесь шимпанзе и медведь более тесно связаны друг с другом и имеют больше общих характеристик, чем каждый из них с рыбой-солнцем. Места, где встречаются ветви, называются узлами и обозначают общих предков для последующих видов. Вторым основным типом дендрограмм является филограмма. Они отличаются от кладограмм тем, что длина ветвей между видами варьируется, представляя степень изменения между ними. Таким образом, чем длиннее ветвь, тем больше времени прошло с тех пор, как вид разошелся со своим последним общим предком.
Дендрограммы были построены путем простого анализа морфологии организмов. С появлением современных технологий сравнение ДНК также стало распространенным способом построения деревьев. ДНК состоит из нуклеотидов, связанных с одним из четырех различных оснований. Аденин, гуанин, цитозин или тимин. Порядок этих оснований определяется кодом ДНК. Этот код передается от родителя к потомку. Следовательно, если вы посмотрите на один вид, такой как человек, то обнаружите очень высокую степень сходства в нашем генетическом коде, около 99,9%. Мы также разделяем часть нашего кода ДНК с другими видами, такими как шимпанзе и мыши, но степень общего сходства между нашей ДНК и их ДНК сильно отличается. Это означает, что мы можем создавать деревья, которые группируют виды на основе сходства или различия между их генетическими кодами. Эта область анализа, объединяющая статистику, математическое моделирование и информатику, называется биоинформатикой. Для сравнения последовательностей ДНК исследователи часто используют биоинформатический инструмент под названием Basic Local Alignment Search Tool, или BLAST, который был создан и поддерживается Национальным центром биотехнологической информации.
В этой лаборатории вы сначала создадите кладограмму животных, используя морфологическую информацию, а затем поместите на эту кладограмму ископаемый вид на основе его морфологии. Затем вы будете использовать последовательности ДНК нескольких различных современных родственников окаменелости и базу данных BLAST, чтобы проверить ваше расположение окаменелости на дереве.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is a cladogram and how does it show evolutionary relationships?
A cladogram is a dendrogram that visualizes cladistic relationships between species, with branch tips representing individual species and branches showing how they relate to one another. The points where branches meet, called nodes, denote common ancestors. Species positioned closer together share more recent common ancestors and are more closely related than species positioned farther apart.
Q2: How do phylograms differ from cladograms in representing evolutionary change?
Phylograms differ from cladograms because branch lengths vary, representing the degree of change between species. Longer branches indicate more time has passed since species diverged from their last common ancestor, while shorter branches indicate less evolutionary change. Cladograms, by contrast, show only branching relationships without representing time or change magnitude.
Q3: What are synapomorphies and why are they important in classification?
Synapomorphies are defining physical features shared by groups of organisms that split branches in classification systems. For example, possessing a backbone places animals in phylum Chordata, while lacking one places them in other phyla like Arthropoda. These shared characteristics indicate organisms descended from common ancestors and are fundamental to organizing species into hierarchical groups.
Q4: How does DNA sequence comparison improve upon morphological classification?
DNA sequence comparison allows researchers to identify evolutionary relationships based on genetic similarity rather than physical traits alone. Since DNA is inherited from parents to offspring and species sharing common ancestors have similar nucleotide sequences, comparing DNA codes reveals relationships that morphology might miss. This genetic approach also enables estimation of how long ago different species diverged from common ancestors.
Q5: What is BLAST and how does it help identify evolutionary relationships?
BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) is a bioinformatics tool that searches DNA sequences against the NCBI database to find matching sequences from other species. It aligns nucleotide bases from a query sequence with database sequences, listing results by similarity. Species with highly similar sequences are closely related evolutionarily, allowing researchers to construct trees showing evolutionary relationships using genetic data.
Q6: Why is bioinformatics essential for modern evolutionary analysis?
Bioinformatics combines computer science, mathematical modeling, and statistics to analyze large genetic datasets that would be impossible to process manually. Tools like BLAST enable rapid comparison of DNA sequences across thousands of species in databases, revealing evolutionary relationships with precision. This computational approach has become standard for constructing accurate dendrograms and understanding how species diverged from common ancestors.
Q7: How do scientists use fossil morphology to place extinct species on evolutionary trees?
Scientists analyze fossil physical characteristics and compare them to synapomorphies of living species to determine where fossils fit on cladograms. By identifying shared defining features, researchers can position fossils among modern relatives based on morphological similarity. DNA sequences from modern relatives can then verify the fossil's placement, since extinct organisms rarely preserve DNA in soft tissues during fossilization.