Evrimsel İlişkiler

İnsanlar, Aristoteles'in M.Ö. 4. yüzyılda ilk denemeyi yapmasından bu yana canlıları doğru bir şekilde sınıflandırmaya çalışıyorlar. Aristoteles'in sistemi Rönesans döneminde ve daha sonra 1700'lerin ortalarında Carolus Linnaeus tarafından geliştirildi. Bu daha resmi sınıflandırma ve organizasyon sistemleri, türleri birbirlerine fiziksel benzerliklerine göre gruplandırdı. Örneğin, tüm omurgalıların bir omurgası vardır, ancak omurgasızların yoktur. Omurga gibi özelliklere, muhtemelen ortak bir atadan türetildikleri için bir grup organizma tarafından paylaşılan özellikler olan sinapomorfiler denir. Keşfedeceğimiz gibi, bu yöntemin sınırlamaları olduğu gösterilmiştir ve daha yakın zamanda genetik analizi içerecek şekilde değiştirilmiştir. Yine de bilim adamları, türlerin birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunun ve ortak ataları nasıl paylaştığının görsel bir temsilini oluşturmak için dendrogram adı verilen ağaçlar inşa ediyorlar. Bu dendrogramlar, bu ilişkileri yönlendiren evrimsel süreçleri anlamamıza yardımcı olabilir. Genetik karşılaştırmalar, evrimsel ilişkilerin analizine rehberlik eden önemli bir araç eklemiştir.

Dendrogram Çeşitleri

Kladogram adı verilen bir dendrogram türü, bir türü temsil eden ağacın uçları (veya yaprakları) ile türler arasındaki varsayımsal soy ilişkilerini ve türlerin birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunu gösteren dalları gösterir. Filogram adı verilen biraz daha karmaşık bir ağaç türü, türe giden dalların farklı uzunluklarda olması nedeniyle bir kladogramdan farklıdır. Bu ağaç türündeki bir dalın uzunluğu, türler arasındaki değişimin derecesini temsil eder: dal ne kadar uzunsa, türlerin ortak bir atadan ayrılmasından bu yana o kadar fazla zaman geçer. Her iki ağaç türünde de, bir grup türün ortak atası, bir dizi dalın buluştuğu nokta olan bir düğüm ile gösterilir. Birbiriyle daha yakından ilişkili olan türler (en son ortak bir atayı paylaştı) düğüme en yakın yerde bulunacaktır. Bir düğümü paylaşan iki türe kardeş grup¹ denir.

Genetik Verileri Kullanarak Evrimsel İlişkileri Anlamak

Tarihsel olarak, kladogramlar organizmaların morfolojisi (fiziksel yapısı) karşılaştırılarak oluşturulmuştur. Bu yöntem hala uygulanmaktadır, ancak teknikler, türler arasındaki DNA (deoksiribonükleik asit) dizilerinin karşılaştırılmasını içerecek şekilde modernize edilmiştir. Ağaç inşa etmek için DNA'yı kullanmak, farklı türlerin ne kadar zaman önce ortak bir atayı paylaştığına dair bir tahmin hesaplayabilmek de dahil olmak üzere, yalnızca morfolojiye güvenmeye göre çeşitli avantajlara sahiptir¹. Bununla birlikte, özellikle ağaçlar soyu tükenmiş organizmaları içerdiğinde, DNA kullanmak her zaman mümkün değildir. DNA en iyi fosilleşme sürecinde korunmayan yumuşak dokularda bulunur ve bu nedenle soyu tükenmiş bir türün DNA örneğinin mevcut olması nadirdir.

DNA, gen adı verilen kalıtsal birimlerde ebeveynlerden yavrularına geçer. Farklı türlerde bulunan genlerin nükleotid (A, G, C ve T) dizisi, muhtemelen ortak bir atadan gelmeleri nedeniyle genellikle oldukça benzerdir. Bu gerçek, araştırmacıların yukarıda açıklanan ağaçları inşa etmek için farklı türlerden gelen dizileri birbiriyle hizalamasına olanak tanır. Nükleotid dizileri arasında daha fazla benzerlik olan türler bir ağaçta yan yana yerleştirilecek ve dizi benzerliği daha az olan türler birbirinden daha uzağa yerleştirilecektir.

Biyoinformatik, biyologlar tarafından bilgisayar bilimi, matematiksel modelleme ve istatistiğin bir kombinasyonunu kullanarak büyük veri kümelerini analiz etmek için kullanılan araçlardır. Böyle bir araç, NCBI (Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi) veritabanında bulunan herhangi bir türün tüm genomunu hızlı bir şekilde aramak için kullanılabilen BLAST (Temel Yerel Hizalama Arama Aracı) olarak adlandırılır². NCBI veritabanı, farklı türde DNA dizisi bilgilerini tutan birkaç farklı veritabanını birleştirir. Bir BLAST arama süreci, karmaşık bilgisayar algoritmalarını içerir, ancak temel olarak BLAST, gönderilen bir DNA dizisinden (sorgu dizisi olarak bilinir) her bir nükleotid bazının dizilerini, veri tabanındaki kendisine en yakın eşleşen dizilerle hizalar. Bulunan DNA dizileri, söz konusu diziye benzerlik sırasına göre listelenecek ve bu nedenle, sorgu genini içeren türle yakından ilişkili türlerden olacaktır. Bu karşılaştırma, türler arasındaki gerçek evrimsel ilişkiyi gösterebilir veya göstermeyebilir, çünkü genler farklı oranlarda evrimleşir. Ek olarak, genomlar bazen benzer bir dizinin birden fazla örneğini içerir.

Genlerin DNA dizilerinin karşılaştırılması, evrimsel ilişkilerin dikkate alınmamasının ötesinde değerlidir. Sıklıkla, genler meyve sineği, Drosophila melanogaster veya fare³ gibi model organizmalarda tanımlanır. Bir geni incelemenin ayrılmaz bir parçası olarak, ürününün işlevi yaygın olarak tanımlanır ve analiz edilir. Bir araştırmacı bu işlevi farklı bir organizmada (örneğin insanlar) incelemekle ilgileniyorsa, BLAST veya diğer biyoinformatik araçlar, model organizmalardan bilinen işlevin genlerine benzerliklerine dayanarak aday genleri bulmak için kullanılabilir.

İnsan genleri, model organizmalarda homologları bulmak için başlangıç noktası olarak da kullanılabilir. Aslında, insan hastalıkları araştırması büyük ölçüde buna bağlıdır. İlgilenilen bir insan geni tanımlandıktan sonra, fareler, homolog genin bozulması veya "nakavt edilmesi" için genetik olarak manipüle edilebilir, bu da hastalığı anlamak ve tedavi etmek için incelenebilecek bir insan hastalığı modeli oluşturur. Şu anda mevcut olan bu fare türlerinden birçoğu vardır. Örneğin, insan Kistik Fibrozisi (KF) için Cftr nakavt faresi adı verilen bir fare modeli ve Apoe nakavt³.

Başvuru:

1. Annenberg Öğrencisi. Çevrimiçi Ders Kitabı: Ünite 3 Evrim ve Filogenetik. Biyolojiyi Yeniden Keşfetmek. [İnternet üzerinden] 2017. [Alıntı: 23 Ağustos 2018.] https://www.learner.org/courses/biology/textbook/compev/compev_3.html.
2. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi, ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi. BLAST: Temel Yerel Hizalama Arama Aracı. [İnternet üzerinden] https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi.
3. Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü. Bir model organizma olarak farenin arka planı. Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü. [İnternet üzerinden] Aralık 2002. [Alıntı: 23 Ağustos 2018.] https://www.genome.gov/10005834/background-on-mouse-as-a-model-organism/.

İnsanlar binlerce yıldır biyolojik organizmaları sınıflandırmış ve organize etmişlerdir. Başlangıçta, öncelikle hayatta kalmak için gerekli nesneleri sipariş etmek. İnsanlık tarihi ilerledikçe, bu sınıflandırmalardaki beceri ve detay da arttı. M.Ö. dördüncü yüzyılda Aristoteles, bitkileri ve hayvanları farklı gruplara ayıran ve daha sonra bunları fiziksel özelliklerine ve işgal ettikleri habitatlar gibi özelliklerine göre daha da bölen resmi sınıflandırmalara öncülük etti. Daha sonra, 1700'lerin ortalarında Linnaeus, Aristoteles'in sistemi üzerine inşa etti. En yüksek gruplandırma seviyesini krallıklar olarak adlandırdı ve oradan, bir dalı bölen tanımlayıcı bir fiziksel özellik olan sinapomorfileri kullanarak grupları böldü. Örneğin, bir hayvan bir omurgaya veya benzer bir yapıya sahipse, filum chordata'ya yerleştirilmelidir. Aksi takdirde, böcekler de dahil olmak üzere büyük bir grup olan arthropoda da dahil olmak üzere, omurgasız hayvanların ayrılabileceği birçok başka filum vardır. Linneaus, organizma gruplarını, genel olarak tür olan nihai atamaya ulaşana kadar, sonraki seviyelerde sınıf, takım, aile ve cins boyunca sinapomorfilerine göre ayırmaya devam etti. Linnaeus'un sınıflandırma türüne, organizmaların fiziksel özelliklerdeki farklılıklara dayalı olarak sınıflandırılması olan kladistik diyoruz.

Günümüzde bilim adamları, bu bölünmelerin ve grupların görsel temsillerini vermek için yaygın olarak dendrogram adı verilen ağaçlar inşa ederler. Bu özel dendrogram biçimi, kladogram, türler arasındaki kladistik ilişkileri görselleştirir, böylece ağacın uçları türleri temsil eder ve dallar birbirleriyle nasıl ilişkili olduklarını gösterir. Örneğin, burada şempanze ve ayı birbirleriyle daha yakından ilişkilidir ve her ikisinin de güneş balığından daha ortak özellikleri paylaşırlar. Dalların buluştuğu yerlere düğüm denir ve takip eden türler için ortak ataları ifade eder. İkinci bir ana dendrogram türü filogramdır. Bunlar kladogramlardan farklıdır, çünkü türler arasındaki dalların uzunluğu değişir ve aralarındaki değişimin derecesini temsil eder. Yani dal ne kadar uzun olursa, türün son ortak atalarından ayrılmasından bu yana o kadar çok zaman geçmiştir.

Dendrogramlar, organizmaların morfolojisini basitçe analiz ederek oluşturulmuştur. Modern teknolojinin ortaya çıkmasıyla birlikte, DNA'yı karşılaştırmak da ağaç inşa etmenin yaygın bir yolu haline geldi. DNA, dört farklı bazdan biriyle ilişkili nükleotidlerden oluşur. Adenin, guanin, sitozin veya timin. Bu bazların sırası DNA kodudur. Bu kod ebeveynden yavruya geçer. Sonuç olarak, insanlar gibi tek bir türe bakarsanız, genetik kodumuzda %99,9 civarında çok yüksek bir benzerlik vardır. DNA kodumuzun bir kısmını şempanzeler ve fareler gibi diğer türlerle de paylaşıyoruz, ancak DNA'mız ile onlarınki arasındaki genel benzerlik derecesi çok farklı. Bu, türleri genetik kodları arasındaki benzerliklere veya farklılıklara göre gruplandıran ağaçlar oluşturabileceğimiz anlamına gelir. İstatistik, matematiksel modelleme ve bilgisayar bilimini birleştiren bu analiz alanına biyoinformatik denir. DNA dizilerini karşılaştırmak için, araştırmacılar genellikle Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi tarafından oluşturulan ve sürdürülen Temel Yerel Hizalama Arama Aracı veya BLAST adı verilen bir biyoinformatik aracı kullanırlar.

Bu laboratuvarda, önce morfolojik bilgileri kullanarak bir hayvan kladogramı oluşturacak ve daha sonra morfolojisine göre bu kladogramın üzerine bir fosil türü yerleştireceksiniz. Daha sonra, fosilin ağaç üzerindeki konumunu doğrulamak için fosilin birkaç farklı modern akrabasından ve BLAST veritabanından alınan DNA dizilerini kullanacaksınız.