Крило кажана

0 Comments

23.2: Визначення еволюційних відносин

Взагалі організми, які мають схожі фізичні особливості та геноми, як правило, більш тісно пов’язані, ніж ті, які цього не роблять. Такі ознаки, що перекриваються як морфологічно (за формою), так і генетично, називаються гомологічними структурами; вони випливають з подібностей розвитку, які ґрунтуються на еволюції. Наприклад, кістки в крилах кажанів і птахів мають гомологічні структури (рис. \(\PageIndex\) ). Малюнок \(\PageIndex\) : Крила кажанів і птахів є гомологічними структурами, що вказує на те, що кажани і птахи мають спільне еволюційне минуле. (Кредит а: модифікація роботи Стіва Хіллебранда, USFWS; кредит б: модифікація роботи США DOI BLM. «гомологічні структури» від OpenStax ліцензовані відповідно до CC BY 4.0) Зверніть увагу, що це не просто одна кістка, а скоріше угруповання з декількох кісток, розташованих аналогічним чином. Чим складніше ознака, тим більша ймовірність будь-якого виду перекриття обумовлено загальним еволюційним минулим. Уявіть собі двох людей з різних країн, які винайшли автомобіль з однаковими деталями і в точно такому ж розташуванні без будь-яких попередніх або спільних знань. Цей результат був би дуже неймовірним. Однак якщо двоє людей обидва винайшли молоток, було б розумно зробити висновок, що обидва могли б мати оригінальну ідею без допомоги іншого. Той самий зв’язок між складністю та спільною еволюційною історією вірний для гомологічних структур організмів.

Оманливі виступи

Деякі організми можуть бути дуже тісно пов’язані між собою, хоча незначні генетичні зміни спричинили велику морфологічну різницю, щоб вони виглядали зовсім інакше. Аналогічно, непов’язані організми можуть бути віддалено пов’язані між собою, але виглядають дуже схожими. Зазвичай це відбувається тому, що обидва організми були в загальних адаптаціях, які еволюціонували в подібних умовах навколишнього середовища. Коли подібні характеристики виникають через екологічні обмеження, а не через тісний еволюційний зв’язок, це називається аналогією або гомоплазією. Наприклад, комахи використовують крила для польоту, як кажани і птахи, але будова крила і ембріональне походження зовсім інше. Вони називаються аналогічними структурами (рис. \(\PageIndex\) ). Подібні риси можуть бути як гомологічними, так і аналогічними. Гомологічні структури мають схоже ембріональне походження; аналогічні органи виконують подібну функцію. Наприклад, кістки в передньому ласті кита гомологічні кісткам в руці людини. Ці структури не є аналогами. Крила метелика і крила птиці аналогічні, але не гомологічні. Деякі структури одночасно і аналогічні, і гомологічні: крила птиці і крила кажана одночасно гомологічні і аналогічні. Вчені повинні визначити, який тип подібності проявляє особливість, щоб розшифрувати філогенез досліджуваних організмів. Малюнок \(\PageIndex\) : (c) крило медоносної бджоли за формою схоже на a (b) пташине крило і (а) крило кажана, і виконує ту ж функцію. Однак крило медоносної бджоли не складається з кісток і має чітко різну будову та ембріональне походження. Ці типи крил (комаха проти кажанів і птахів) ілюструють аналогію – подібні структури, які не мають еволюційної історії. (Кредит а: модифікація роботи Стіва Хіллебранда, USFWS; кредит b: модифікація роботи США DOI BLM; кредит c: модифікація роботи Джона Саллівана. «Аналогія» за OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0)

Молекулярні порівняння

З розвитком технології ДНК область молекулярної систематики , яка описує використання інформації на молекулярному рівні, включаючи аналіз ДНК, розцвіла. Нові комп’ютерні програми не тільки підтверджують багато раніше класифіковані організми, але і виявляють раніше допущені помилки. Як і у випадку з фізичними характеристиками, навіть послідовність ДНК може бути складною для читання в деяких випадках. Для деяких ситуацій два дуже близькоспоріднених організма можуть виявитися непов’язаними, якщо сталася мутація, яка викликала зсув генетичного коду. Мутація вставки або видалення переміщала б кожну нуклеотидну базу на одне місце, внаслідок чого два подібні коди виявляться непов’язаними. Іноді два сегменти коду ДНК у віддалено пов’язаних організмів випадковим чином поділяють високий відсоток основ в одних і тих же місцях, внаслідок чого ці організми виявляються тісно пов’язаними, коли їх немає. Для обох цих ситуацій були розроблені комп’ютерні технології, які допомагають виявити фактичні зв’язки, і, в кінцевому рахунку, поєднане використання як морфологічної, так і молекулярної інформації є більш ефективним у визначенні філогенії.

Чому має значення філогенія?

Еволюційні біологи могли б перерахувати багато причин, чому розуміння філогенії важливо для повсякденного життя в людському суспільстві. Для ботаніків філогенія виступає керівництвом до відкриття нових рослин, які можна використовувати на користь людям. Подумайте про всі способи використання рослинами – їжа, ліки та одяг – кілька прикладів. Якщо рослина містить сполуку, яка ефективна для лікування раку, вчені можуть захотіти вивчити всіх родичів цієї рослини для інших корисних препаратів. Дослідницька група в Китаї визначила сегмент ДНК, який вважається загальним для деяких лікарських рослин сімейства Fabaceae (сімейство бобових), і працювала над визначенням того, які види мали цей сегмент (рис. \(\PageIndex<3>\) ). Після тестування видів рослин у цьому сімействі команда знайшла маркер ДНК (відоме місце на хромосомі, що дозволило їм ідентифікувати вид) присутній. Потім, використовуючи ДНК для виявлення філогенетичних зв’язків, команда могла визначити, чи є недавно виявлена рослина в цій сім’ї, та оцінити її потенційні лікувальні властивості. Малюнок \(\PageIndex<3>\) : Dalbergia sissoo (D. sissoo) знаходиться в сімействі Fabaceae, або бобових. Вчені виявили, що D. sissoo ділиться маркером ДНК з видами сімейства Fabaceae, які мають протигрибкові властивості. Згодом D. sissoo було показано, що має фунгіцидну активність, підтримуючи ідею про те, що маркери ДНК можуть бути використані для скринінгу рослин з потенційними лікарськими властивостями. (Кредит: «Допомога» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0)

Побудова філогенетичних дерев

Як вчені будують філогенетичні дерева? Після сортування гомологічних та аналогічних ознак вчені часто організовують гомологічні риси за допомогою системи, яка називається кладистикою. Ця система сортує організми на клади: групи організмів, що походять від єдиного предка. Наприклад, на малюнку \(\PageIndex\) всі організми в помаранчевій області еволюціонували від одного предка, який мав навколоплідні яйцеклітини. Отже, всі ці організми також мають навколоплідні яйцеклітини і складають єдину кладку, яку також називають монофілетичної групою. Клади повинні включати всіх нащадків з точки гілки.

Малюнок \(\PageIndex\) : Ящірки, кролики та люди походять від загального предка, який мав навколоплідне яйце. Таким чином, ящірки, кролики та люди належать до клада Amniota. Вертебрата – більша клада, яка також включає рибу та міногу. (кредит: «монофілетичні групи» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0)

Вправа \(\PageIndex<1>\) Які тварини на цьому малюнку належать до кладу, до складу якого входять тварини з шерстю? Що еволюціонувало спочатку, волосся або навколоплідне яйце? Відповідь Кролики та люди належать до одягу, що включає тварин з шерстю. Амніотичне яйце еволюціонувало раніше волосся, оскільки клада Amniota більше, ніж клада, яка охоплює тварин з волоссям.

Клади можуть відрізнятися за розміром залежно від того, на яку точку гілки посилається. Важливим фактором є те, що всі організми в кладі або монофілетичної групі випливають з однієї точки на дереві. Це можна пам’ятати, тому що монофілетика розпадається на «моно», що означає одне, і «філетичний», що означає еволюційні відносини. \(\PageIndex<5>\) На малюнку показані різні приклади кладок. Зверніть увагу, як кожен клад походить з однієї точки, тоді як некладовані групи показують гілки, які не мають спільної точки.

Малюнок \(\PageIndex\) : Всі організми всередині клади випливають з однієї точки на дереві. Клод може містити кілька груп, як у випадку з тваринами, грибами та рослинами, або одну групу, як у випадку з джгутиками. Групи, які розходяться в іншій точці гілки або які не включають всі групи в одній точці гілки, не вважаються кладами. (кредит: «клади» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0)

Групи, до яких відносяться не всі організми, що походять від одного предка, мають різні назви. Парафілетична група включає в себе самого останнього спільного предка, але не всіх його нащадків (рис. \(\PageIndex\) ). До поліфілетичної групи належать неспоріднених організми, що походять від більш ніж одного предка. Малюнок \(\PageIndex\) : Візуальне зображення монофілетичних, поліфілетичних та парафілетичних груп. (Кредит: 1999 Еддісон Уеслі Лонгман)

Спільні характеристики

  1. Зміна генетичного складу організму призводить до нової ознаки, яка стає поширеною в групі.
  2. Багато організмів сходять з цієї точки і мають цю рису.
  3. Продовжують виникати нові варіації: деякі адаптивні і зберігаються, що призводить до нових рис.
  4. З новими ознаками визначається нова точка гілки (поверніться до кроку 1 і повторіть).

Якщо характеристика виявляється у предка групи, вона вважається спільним родовим характером, оскільки всі організми в таксоні або кладі мають цю рису. Хребетний на малюнку \(\PageIndex\) є спільним родовим характером. Тепер розглянемо амніотичну яйцеклітину, характерну на цьому ж малюнку. Лише деякі організми на малюнку \(\PageIndex\) мають цю рису, і для тих, хто це робить, це називається спільним похідним характером, оскільки ця риса, отримана в якийсь момент, але не включає всіх предків у дереві.

Складним аспектом спільних родових і спільних похідних символів є той факт, що ці терміни є відносними. Одну і ту ж рису можна вважати ту чи іншу залежно від використовуваної конкретної діаграми. Повертаючись до малюнка \(\PageIndex\) , зауважте, що навколоплідне яйце є спільним родовим характером для клади Амніота, тоді як волосяний покрив є спільним похідним характером для деяких організмів цієї групи. Ці терміни допомагають вченим розрізняти клади в будівництві філогенетичних дерев.

Вибір правильних відносин

Уявіть, що людина, відповідальна за правильну організацію всіх предметів у універмазі – непосильне завдання. Організувати еволюційні відносини всього живого на Землі виявляється набагато складніше: вчені повинні охоплювати величезні блоки часу і працювати з інформацією від давно вимерлих організмів. Спроба розшифрувати правильні зв’язки, особливо з огляду на наявність гомологій і аналогій, робить завдання побудови точного дерева життя надзвичайно складною. Додайте до цього розвиток технології ДНК, яка тепер забезпечує велику кількість генетичних послідовностей для використання та аналізу. Таксономія – суб’єктивна дисципліна: багато організмів мають більше одного зв’язку один з одним, тому кожен таксономіст буде вирішувати порядок зв’язків.

Щоб допомогти у величезній задачі точного опису філогеній, вчені часто використовують поняття під назвою максимальна парсимонія, а це означає, що події відбувалися найпростішим, очевидним способом. Наприклад, якщо група людей увійшла до лісового заповідника, щоб відправитися в походи, виходячи з принципу максимальної парсімонії, можна було б передбачити, що більшість людей підуть по встановлених стежках, а не підробляють нові.

Для вчених, що розшифровують еволюційні шляхи, використовується та ж ідея: шлях еволюції, ймовірно, включає найменшу кількість великих подій, які збігаються з наявними доказами. Починаючи з усіх гомологічних ознак в групі організмів, вчені шукають найбільш очевидний і простий порядок еволюційних подій, які призвели до виникнення цих рис.

Ці інструменти та концепції є лише деякими стратегіями, які вчені використовують для вирішення завдання розкриття еволюційної історії життя на Землі. Останнім часом нові технології виявили дивовижні відкриття з несподіваними стосунками, такими як той факт, що люди, здається, більш тісно пов’язані з грибами, ніж гриби до рослин. Звучить неймовірно? У міру зростання інформації про послідовності ДНК вчені стануть ближче до картографування еволюційної історії всього живого на Землі.

Резюме

Для побудови філогенетичних дерев вчені повинні збирати точну інформацію, яка дозволяє їм здійснювати еволюційні зв’язки між організмами. Використовуючи морфологічні та молекулярні дані, вчені працюють над виявленням гомологічних характеристик і генів. Подібність між організмами може випливати або з спільної еволюційної історії (гомології), або з окремих еволюційних шляхів (аналогії). Новіші технології можуть бути використані, щоб допомогти відрізнити гомології від аналогій. Після виявлення гомологічної інформації вчені використовують кладистику для організації цих подій як засіб для визначення еволюційної шкали часу. Вчені застосовують поняття максимальної парсимонії, яка стверджує, що порядок подій, ймовірно, відбувався найбільш очевидним і простим способом з найменшою кількістю кроків. Для еволюційних подій це був би шлях з найменшою кількістю основних розбіжностей, які корелюють з доказами.

Посилання

Будова крила рукокрилих

Чи здогадувались Ви, що будова крила кажана має набагато більше спільного з рукою людини ніж із крилом птаха?

У кажанів вільна кінцівка поділяється на три відділи: плече, передпліччя та кисть із пальцями. Як і у людини, тваринка має плечову, ліктьову, променеву кістки, зап’ясток, п’ясток і, навіть, фаланги усіх 5 пальців. У процесі еволюції фаланги пальців предків рукокрилих видовжувалися, між ними натяглася шкіряна перетинка, а перший палець перетворився на “гачок”. Його тварини використовують для чіпляння за поверхні та пересування по ним. Будь-які зміни кісток або їх положення призводять до змін аеродинамічних властивостей аж до нездатності літати.

Крило ж птаха також має три відділи. Відмінність криється в останньому. У зап’ястку птахів лише дві кістки, п’ясткові кістки зливаються в одну – пряжку, а чотири фалангові кістки відповідають трьом пальцям. Замість шкіряної перетинки для спирання на повітря птахи користуються пір’ям.