FILOGENIA: INTERPRETARE, TIPURI DE ARBORI, APLICAȚII - BIOLOGIE - 2025

O filogenie , în biologia evolutivă, este o reprezentare a istoriei evolutive a unui grup de organisme sau a unei specii, subliniind linia descendenței și relațiile de rudenie dintre grupuri.

Astăzi, biologii au folosit date derivate în principal din morfologie și anatomie comparativă și din secvențe de gene pentru a reconstrui mii și mii de copaci.

Sursa: Wilson JEM Costa, prin Wikimedia Commons

Acești copaci încearcă să descrie istoria evolutivă a diferitelor specii de animale, plante, microbi și alte ființe organice care locuiesc pe pământ.

Analogia cu arborele vieții datează de pe vremea lui Charles Darwin. Acest strălucit naturalist britanic surprinde în capodopera „The Origin of Species” o singură imagine: un „copac” care reprezintă ramificarea liniilor, pornind de la un strămoș comun.

Ce este o filogenie?

În lumina științelor biologice, unul dintre cele mai uimitoare evenimente care a avut loc este evoluția. Această modificare a formelor organice în timp poate fi reprezentată într-un copac filogenetic. Prin urmare, filogenia exprimă istoria liniei și modul în care acestea s-au schimbat de-a lungul timpului.

Una dintre implicațiile directe ale acestui grafic este originea comună. Adică toate organismele pe care le vedem astăzi au apărut ca descendenți cu modificări ale formelor din trecut. Această idee a fost una dintre cele mai semnificative din istoria științei.

Toate formele de viață pe care le putem aprecia astăzi - de la bacteriile microscopice, la plante și cele mai mari vertebrate - sunt conectate, iar această relație este reprezentată în arborele vast și complex al vieții.

În analogia copacului, speciile care trăiesc astăzi ar reprezenta frunzele, iar restul ramurilor ar fi istoria lor evolutivă.

Ce este un arbore filogenetic?

Este prezentată o filogenie simplificată a Metazoa. Pentru unele grupuri, o reprezentare schematică este asociată pentru unele dintre tipurile de ochi pe care le pot prezenta: Cupă, Cameră cu gaură de intrare ușoară, Cameră cu lentilă, Compus prin apos și Compusă prin supunere. Laura bibiana, de la Wikimedia Commons

Un arbore filogenetic este o reprezentare grafică a istoriei evolutive a unui grup de organisme. Acest model de relații istorice este filogenia pe care cercetătorii încearcă să o estimeze.

Copacii constau din noduri care leagă „ramurile”. Nodurile terminale ale fiecărei ramuri sunt taxonii terminali și reprezintă secvențele sau organismele pentru care se cunosc date - acestea pot fi specii vii sau dispărute.

Nodurile interne reprezintă strămoși ipotetic, în timp ce strămoșul găsit la rădăcina copacului reprezintă strămoșul tuturor secvențelor reprezentate în grafic.

Cum se interpretează pomii filogenetici?

Există multe modalități de a reprezenta un arbore filogenetic. Din acest motiv, este important să știm să recunoaștem dacă aceste diferențe observate între doi arbori se datorează topologiilor diferite - adică diferențe reale corespunzătoare a două ortografii - sau sunt pur și simplu diferențe legate de stilul de reprezentare.

De exemplu, ordinea în care apar etichetele în partea de sus poate varia, fără a modifica semnificația reprezentării grafice, în general numele speciei, genul, familia, printre alte categorii.

Acest lucru se întâmplă deoarece copacii seamănă cu un mobil, unde ramurile se pot roti fără a schimba relația dintre speciile reprezentate.

În acest sens, nu contează de câte ori este schimbată comanda sau obiectele care „atârnă” sunt rotite, deoarece nu schimbă modul în care sunt conectate - și acesta este important.

Cum se reconstruiește filogeniile?

Filogeniile sunt ipoteze care sunt formulate pe baza dovezilor indirecte. Elucidarea unei filogenii este similară cu cea a unui investigator care rezolvă o infracțiune urmând indicii de la locul crimei.

Biologii își postulează adesea filogeniile folosind cunoștințe de la diverse ramuri, cum ar fi paleontologia, anatomia comparativă, embriologia comparativă și biologia moleculară.

Înregistrarea fosilelor, deși incompletă, oferă informații foarte valoroase cu privire la timpii de divergență a grupurilor de specii.

Odată cu trecerea timpului, biologia moleculară a depășit toate câmpurile menționate și majoritatea filogeniilor sunt deduse din datele moleculare.

Scopul reconstruirii unui arbore filogenetic are o serie de dezavantaje majore. Există aproximativ 1,8 milioane de specii numite și multe altele fără a fi descrise.

Și, deși un număr semnificativ de oameni de știință se străduiesc în fiecare zi să reconstruiască relațiile dintre specii, încă nu există un copac complet.

Personaje omologe

Atunci când biologii doresc să descrie asemănările dintre două structuri sau procese, pot face acest lucru în termeni de origini comune (omologii), analogii (funcție) sau homoplazie (asemănare morfologică).

Pentru a reconstrui o filogenie, se folosesc caractere exclusiv omoloage. Homologia este un concept cheie în evoluție și în recrearea relațiilor dintre specii, întrucât numai ea reflectă în mod adecvat originea comună a organismelor.

Să presupunem că vrem să deducem filogenia a trei grupuri: păsări, lilieci și oameni. Pentru a ne atinge obiectivul, am decis să folosim membrele superioare ca o caracteristică care ne ajută să discernem modelul relațiilor.

Întrucât păsările și liliecii au structuri modificate pentru zbor, am putea concluziona în mod eronat că liliecii și păsările sunt mai mult legate între ele decât liliecii cu oamenii. De ce am ajuns la o concluzie greșită? Pentru că am folosit un caracter analog și neomolog.

Pentru a găsi relația corectă, trebuie să caut un personaj omolog, cum ar fi prezența părului, a glandelor mamare și a trei oase mici în urechea medie - pentru a numi doar câteva. Cu toate acestea, omologiile nu sunt ușor de diagnosticat.

Tipuri de copaci

Nu toți copacii sunt aceiași, există reprezentări grafice diferite și fiecare reușește să încorporeze unele caracteristici particulare ale evoluției grupului.

Cei mai de bază arbori sunt cladogramele. Aceste grafice afișează relațiile în termeni de strămoși comuni (în funcție de cei mai recente strămoși comuni).

Copacii aditivi conțin informații suplimentare și sunt reprezentați în lungimea ramurilor.

Numerele asociate cu fiecare ramură corespund unui anumit atribut din secvență - cum ar fi cantitatea de schimbare evolutivă prin care au suferit organismele. Pe lângă „copaci aditivi”, sunt cunoscuți și sub denumirea de arbori metrici sau filograme.

Copacii ultrametrici, numiți și dendograme, sunt un caz particular al copacilor aditivi, în care vârfurile arborelui sunt echidistante de la rădăcină la copac.

Aceste ultime două variante au toate datele pe care le putem găsi într-o cladogramă și informații suplimentare. Prin urmare, ele nu sunt exclusive, dacă nu chiar complementare.

Politomias

De multe ori, nodurile copacilor nu sunt pe deplin rezolvate. Din punct de vedere vizual, se spune că există o polimie, când mai mult de trei ramuri ies dintr-o nouă (există un singur strămoș pentru mai mult de doi descendenți imediați). Atunci când un arbore nu are polimii, se spune că este rezolvat pe deplin.

Există două tipuri de polimii. Primele sunt „grele” politomii. Acestea sunt intrinseci grupului de studiu și indică faptul că descendenții au evoluat în același timp. În mod alternativ, polimonii „moi” indică relații nerezolvate cauzate de datele în sine.

Clasificare evolutivă

Linii monofiletice

Biologii evolutivi încearcă să găsească o clasificare care să se potrivească modelului de ramificare a istoriei filogenetice a grupurilor. În acest proces, s-au dezvoltat o serie de termeni utilizați pe scară largă în biologia evolutivă: monofiletică, parafiletică și polifiletică.

Un taxon monofiletic sau linie este unul care cuprinde o specie ancestrală, care este reprezentată în nod, și toți descendenții săi, dar nu și alte specii. Această grupare se numește cladă.

Liniile monofiletice sunt definite la fiecare nivel al ierarhiei taxonomice. De exemplu, Familia Felidae, o linie care conține feline (inclusiv pisici domestice), este considerată monofiletică.

În mod similar, Animalia este, de asemenea, un taxon monofiletic. După cum putem vedea, familia Felidae se află în Animalia, astfel încât grupurile monofiletice pot fi cuibate.

Linii parafiletice și polifiletice

Cu toate acestea, nu toți biologii împărtășesc gândirea cladistică de clasificare. În cazurile în care datele nu sunt complete sau pur și simplu pentru comoditate, sunt numiți anumiți taxoni care includ specii din diferite clade sau taxoni superiori care nu au un strămoș comun mai recent.

Astfel, un taxon este polifiletic este definit ca un grup care include organisme din diferite clade, iar acestea nu au un strămoș comun. De exemplu, dacă dorim să desemnăm un grup de homeoterme, ar include păsări și mamifere.

În schimb, o grupă parafiletică nu conține toți descendenții celui mai recent strămoș comun. Cu alte cuvinte, exclude unii dintre membrii grupului. Cel mai folosit exemplu este reptilele, acest grup nu conține toți descendenții celui mai recent strămoș comun: păsările.

Aplicații

Pe lângă faptul că contribuie la sarcina grea de a elucida arborele vieții, filogeniile au și unele aplicații destul de semnificative.

În domeniul medical, filogeniile sunt folosite pentru a urmări originea și ratele de transmitere a bolilor infecțioase, precum SIDA, dengue și gripă.

De asemenea, sunt utilizate în domeniul biologiei conservării. Cunoașterea filogeniei unei specii pe cale de dispariție este esențială pentru a urmări modelele de încrucișare și nivelul de hibridizare și consanguinitate între indivizi.

Referințe

1. Baum, DA, Smith, SD, & Donovan, SS (2005). Provocarea gândirii în copac. Știință, 310 (5750), 979-980.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitație la biologie. Macmillan.
3. Hall, BK (Ed.). (2012). Homologie: baza ierarhică a biologiei comparative. Presă academică.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Principii integrate de zoologie. McGraw - Hill.
5. Hinchliff, CE, Smith, SA, Allman, JF, Burleigh, JG, Chaudhary, R., Coghill, LM, Crandall, KA, Deng, J., Drew, BT, Gazis, R., Gude, K., Hibbett, DS, Katz, LA, Laughinghouse, HD, McTavish, EJ, Midford, PE, Owen, CL, Ree, RH, Rees, JA, Soltis, DE, Williams, T., … Cranston, KA (2015). Sinteza filogeniei și taxonomiei într-un arbore cuprinzător al vieții. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112 (41), 12764-9.
6. Kardong, KV (2006). Vertebrate: anatomie comparativă, funcție, evoluție. McGraw-Hill.
7. Page, RD, & Holmes, EC (2009). Evoluția moleculară: o abordare filogenetică. John Wiley & Sons.