Maklumat

11.2: Menentukan Hubungan Evolusi - Biologi

11.2: Menentukan Hubungan Evolusi - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Para saintis mengumpul maklumat yang membolehkan mereka membuat hubungan evolusi antara organisma. Dalam kes filogeni, penyiasatan evolusi menumpukan pada dua jenis bukti: morfologi (bentuk dan fungsi) dan genetik.

Dua Ukuran Persamaan

Organisma yang berkongsi ciri fizikal yang serupa dan urutan genetik cenderung lebih berkait rapat berbanding yang tidak. Ciri-ciri yang bertindih secara morfologi dan genetik dirujuk sebagai struktur homolog; persamaan berpunca daripada laluan evolusi biasa. Sebagai contoh, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12.2.1, tulang pada sayap kelawar dan burung, lengan manusia, dan kaki depan kuda adalah struktur homolog. Perhatikan struktur itu bukan sekadar tulang tunggal, tetapi lebih kepada kumpulan beberapa tulang yang disusun dengan cara yang sama dalam setiap organisma walaupun unsur-unsur struktur mungkin telah berubah bentuk dan saiz.

Penampilan yang Mengelirukan

Sesetengah organisma mungkin berkait rapat, walaupun perubahan genetik yang kecil menyebabkan perbezaan morfologi yang besar menjadikan mereka kelihatan agak berbeza. Sebagai contoh, cimpanzi dan manusia, yang tengkoraknya ditunjukkan dalam Rajah 12.2.2 adalah sangat serupa dari segi genetik, berkongsi 99 peratus1 daripada gen mereka. Walau bagaimanapun, cimpanzi dan manusia menunjukkan perbezaan anatomi yang besar, termasuk sejauh mana rahang menonjol pada orang dewasa dan panjang relatif lengan dan kaki kita.

Walau bagaimanapun, organisma yang tidak berkaitan mungkin berkait jauh namun kelihatan sangat serupa, biasanya kerana penyesuaian biasa kepada keadaan persekitaran yang serupa berkembang dalam kedua-duanya. Contohnya ialah bentuk badan yang diperkemas, bentuk sirip dan pelengkap, dan bentuk ekor pada ikan dan paus, yang merupakan mamalia. Struktur ini mempunyai persamaan dangkal kerana ia adalah penyesuaian untuk bergerak dan bergerak dalam persekitaran yang sama-air. Apabila ciri yang serupa berlaku melalui penumpuan adaptif (evolusi konvergen), dan bukan kerana hubungan evolusi yang rapat, ia dipanggil struktur analog. Dalam contoh lain, serangga menggunakan sayap untuk terbang seperti kelawar dan burung. Kami memanggil mereka kedua-dua sayap kerana mereka melakukan fungsi yang sama dan mempunyai bentuk yang serupa secara dangkal, tetapi asal embrio kedua sayap itu berbeza sama sekali. Perbezaan dalam perkembangan, atau embriogenesis, sayap dalam setiap kes adalah isyarat bahawa serangga dan kelawar atau burung tidak berkongsi nenek moyang yang sama yang mempunyai sayap. Struktur sayap, ditunjukkan dalam Rajah 12.2.3 berkembang secara bebas dalam dua keturunan.

Ciri-ciri yang sama boleh sama ada homolog atau analog. Ciri homolog berkongsi laluan evolusi yang membawa kepada perkembangan sifat itu, dan sifat yang serupa tidak. Para saintis mesti menentukan jenis persamaan yang dipamerkan oleh ciri untuk menguraikan filogeni organisma yang sedang dikaji.

Rajah 12.2.3: Sayap lebah madu mempunyai bentuk yang serupa dengan sayap burung dan sayap kelawar dan mempunyai fungsi yang sama (penerbangan). Sayap burung dan kelawar adalah struktur homolog. Walau bagaimanapun, sayap lebah madu mempunyai struktur yang berbeza (ia diperbuat daripada exoskeleton chitinous, bukan endoskeleton bertulang) dan asal embrio. Jenis sayap lebah dan burung atau kelawar menggambarkan analogi—struktur serupa yang tidak berkongsi sejarah evolusi. (kredit foto: pengubahsuaian kerja oleh BLM A.S.; kredit b: pengubahsuaian kerja oleh Steve Hillebrand, USFWS; kredit c: pengubahsuaian kerja oleh Jon Sullivan)

KONSEP DALAM TINDAKAN

Laman web ini mempunyai beberapa contoh untuk menunjukkan bagaimana penampilan boleh mengelirukan dalam memahami hubungan filogenetik organisma.

Perbandingan Molekul

Dengan kemajuan teknologi DNA, bidang sistematik molekul, yang menerangkan penggunaan maklumat pada tahap molekul termasuk penjujukan DNA, telah berkembang. Analisis baharu bagi aksara molekul bukan sahaja mengesahkan banyak pengelasan yang lebih awal, tetapi juga mendedahkan kesilapan yang dibuat sebelum ini. Watak molekul boleh termasuk perbezaan dalam jujukan asid amino protein, perbezaan dalam jujukan nukleotida individu gen, atau perbezaan dalam susunan gen. Filogeni berdasarkan watak molekul mengandaikan bahawa semakin serupa urutan dalam dua organisma, semakin rapat hubungannya. Gen yang berbeza berubah secara evolusi pada kadar yang berbeza dan ini menjejaskan tahap di mana ia berguna dalam mengenal pasti hubungan. Urutan yang berkembang pesat berguna untuk menentukan hubungan antara spesies yang berkait rapat. Urutan yang berkembang dengan lebih perlahan berguna untuk menentukan hubungan antara spesies yang berkait jauh. Untuk menentukan hubungan antara spesies yang sangat berbeza seperti Eukarya dan Archaea, gen yang digunakan mestilah gen yang sangat kuno, perlahan-lahan berkembang yang terdapat dalam kedua-dua kumpulan, seperti gen untuk RNA ribosom. Membandingkan pokok filogenetik menggunakan jujukan yang berbeza dan mendapati mereka serupa membantu membina keyakinan dalam hubungan yang disimpulkan.

Kadangkala dua segmen DNA dalam organisma yang berkait jauh secara rawak berkongsi peratusan bes yang tinggi di lokasi yang sama, menyebabkan organisma ini kelihatan berkait rapat apabila ia tidak. Sebagai contoh, lalat buah berkongsi 60 peratus DNAnya dengan manusia.2 Dalam situasi ini, algoritma statistik berasaskan komputer telah dibangunkan untuk membantu mengenal pasti hubungan sebenar, dan akhirnya, penggunaan gabungan kedua-dua maklumat morfologi dan molekul adalah lebih berkesan dalam menentukan filogeni.

EVOLUSI DALAM TINDAKAN: Mengapa Filogeni Penting?

Di samping meningkatkan pemahaman kita tentang sejarah evolusi spesies, termasuk kami sendiri, analisis filogenetik mempunyai banyak aplikasi praktikal. Dua daripada aplikasi tersebut termasuk memahami evolusi dan penghantaran penyakit dan membuat keputusan tentang usaha pemuliharaan. Kajian 20103daripada MRSA (methicillin-resistant Staphylococcus aureus), bakteria patogen yang tahan antibiotik, mengesan asal usul dan penyebaran strain sepanjang 40 tahun yang lalu. Kajian itu mendedahkan masa dan corak di mana strain tahan berpindah dari titik asalnya di Eropah ke pusat jangkitan dan evolusi di Amerika Selatan, Asia, Amerika Utara dan Australasia. Kajian itu mencadangkan bahawa pengenalan bakteria kepada populasi baru berlaku sangat sedikit kali, mungkin sekali sahaja, dan kemudian merebak daripada bilangan individu yang terhad itu. Ini berbeza dengan kemungkinan ramai individu telah membawa bakteria dari satu tempat ke tempat lain. Keputusan ini menunjukkan bahawa pegawai kesihatan awam harus menumpukan perhatian untuk mengenal pasti kenalan individu yang dijangkiti dengan strain bakteria baharu dengan cepat untuk mengawal penyebarannya.

Bidang kegunaan kedua untuk analisis filogenetik adalah dalam pemuliharaan. Ahli biologi telah berhujah bahawa adalah penting untuk melindungi spesies di seluruh pokok filogenetik dan bukannya hanya dari satu cabang pokok itu. Melakukan ini akan mengekalkan lebih banyak variasi yang dihasilkan oleh evolusi. Sebagai contoh, usaha pemuliharaan harus menumpukan pada satu spesies tanpa spesies saudara dan bukannya spesies lain yang mempunyai kelompok spesies saudara terdekat yang baru-baru ini berkembang. Sekiranya spesies tunggal yang berbeza secara evolusioner itu pupus, jumlah variasi yang tidak seimbang daripada pokok akan hilang berbanding dengan satu spesies dalam kelompok spesies yang berkait rapat. Satu kajian yang diterbitkan pada tahun 20074 membuat cadangan untuk pemuliharaan spesies mamalia di seluruh dunia berdasarkan perbezaan evolusi dan risiko kepupusan mereka. Kajian mendapati bahawa cadangan mereka berbeza daripada keutamaan berdasarkan hanya tahap ancaman kepupusan kepada spesies. Kajian itu mengesyorkan melindungi beberapa mamalia besar yang terancam dan dihargai seperti orang utan, panda gergasi dan kecil, serta gajah Afrika dan Asia. Tetapi mereka juga mendapati bahawa beberapa spesies yang kurang dikenali harus dilindungi berdasarkan perbezaan evolusi mereka. Ini termasuk beberapa tikus, kelawar, cerek dan landak. Di samping itu, terdapat beberapa spesies terancam kritikal yang tidak dinilai sebagai sangat penting dalam keistimewaan evolusi termasuk spesies tikus rusa dan gerbil. Walaupun banyak kriteria mempengaruhi keputusan pemuliharaan, memelihara kepelbagaian filogenetik menyediakan cara objektif untuk melindungi rangkaian penuh kepelbagaian yang dihasilkan oleh evolusi.

Membina Pokok Filogenetik

Bagaimanakah saintis membina pokok filogenetik? Pada masa ini, kaedah yang paling diterima untuk membina pokok filogenetik ialah kaedah yang dipanggil cladistics. Kaedah ini menyusun organisma ke dalam klad, kumpulan organisma yang paling berkait rapat antara satu sama lain dan moyang dari mana ia berasal. Contohnya, dalam Rajah 12.2.4, semua organisma di kawasan berlorek berkembang daripada moyang tunggal yang mempunyai telur amniotik. Akibatnya, semua organisma ini juga mempunyai telur amniotik dan membuat satu klad, juga dipanggil kumpulan monofiletik. Clades mesti termasuk spesies nenek moyang dan semua keturunan dari titik cawangan.

SAMBUNGAN SENI

Cicak, arnab, dan manusia semuanya berasal dari nenek moyang yang sama di mana telur ketuban berevolusi. Oleh itu, cicak, arnab, dan manusia semuanya tergolong dalam klad Amniota. Vertebrata ialah klad yang lebih besar yang juga termasuk ikan dan lamprey.

Haiwan manakah dalam rajah ini tergolong dalam klad yang termasuk haiwan berambut? Mana yang berkembang dahulu: rambut atau telur ketuban?

Klad boleh berbeza-beza mengikut saiz bergantung pada titik cawangan yang dirujuk. Faktor penting ialah semua organisma dalam kumpulan klad atau monofiletik berpunca daripada satu titik pada pokok. Ini boleh diingati kerana monofiletik terbahagi kepada "mono," yang bermaksud satu, dan "phyletic," yang bermaksud hubungan evolusi.

Ciri Dikongsi

Kladistik terletak pada tiga andaian. Yang pertama ialah makhluk hidup berkait dengan keturunan daripada nenek moyang yang sama, yang merupakan andaian umum evolusi. Yang kedua ialah spesiasi berlaku dengan pembahagian satu spesies kepada dua, tidak lebih daripada dua pada satu masa, dan pada asasnya pada satu masa. Ini agak kontroversi, tetapi boleh diterima oleh kebanyakan ahli biologi sebagai penyederhanaan. Andaian ketiga ialah ciri-ciri berubah cukup dari semasa ke semasa untuk dianggap berada dalam keadaan yang berbeza . Ia juga diandaikan bahawa seseorang boleh mengenal pasti arah perubahan sebenar bagi sesuatu keadaan. Dalam erti kata lain, kami menganggap bahawa telur amniotik adalah keadaan watak yang lebih baru daripada telur bukan amniotik. Ini dipanggil kekutuban perubahan watak. Kami mengetahui ini dengan merujuk kepada kumpulan di luar klad: contohnya, serangga mempunyai telur bukan amniotik; oleh itu, ini adalah keadaan watak yang lebih tua atau nenek moyang. Kladistik membandingkan kumpulan dalam dan kumpulan luar. Kumpulan dalam (cicak, arnab dan manusia dalam contoh kita) ialah kumpulan taksa yang dianalisis. Kumpulan luar (lancelet, lamprey dan ikan dalam contoh kami) ialah spesies atau kumpulan spesies yang mencapah sebelum keturunan yang mengandungi kumpulan yang diminati. Dengan membandingkan ahli dalam kumpulan antara satu sama lain dan dengan ahli kumpulan luar, kita boleh menentukan ciri mana yang merupakan pengubahsuaian evolusi yang menentukan titik cabang filogeni kumpulan dalam.

Jika satu ciri ditemui dalam semua ahli kumpulan, ia adalah watak nenek moyang yang dikongsi kerana tiada perubahan pada sifat semasa keturunan setiap ahli clade. Walaupun sifat-sifat ini kelihatan menarik kerana ia menyatukan klad, dalam kladistik ia dianggap tidak membantu apabila kita cuba menentukan hubungan ahli klad kerana setiap ahli adalah sama. Sebaliknya, pertimbangkan ciri telur amniotik dalam Rajah 12.2.4. Hanya sesetengah organisma yang mempunyai sifat ini, dan bagi mereka yang mempunyai, ia dipanggil watak terbitan dikongsi kerana sifat ini berubah pada satu ketika semasa keturunan. Watak ini memberitahu kita tentang hubungan antara ahli clade; ia memberitahu kita bahawa cicak, arnab dan manusia berkumpul lebih rapat berbanding mana-mana organisma ini dengan ikan, lamprey dan lancelet.

Aspek watak "nenek moyang" dan "terbitan" yang kadangkala mengelirukan ialah istilah ini adalah relatif. Sifat yang sama boleh menjadi sama ada nenek moyang atau diperoleh bergantung pada rajah yang digunakan dan organisma yang dibandingkan. Para saintis mendapati istilah ini berguna apabila membezakan antara klad semasa pembinaan pokok filogenetik, tetapi penting untuk diingat bahawa maknanya bergantung pada konteks.

Memilih Perhubungan yang Tepat

Membina pokok filogenetik, atau kladogram, daripada data aksara ialah tugas monumental yang biasanya diserahkan kepada komputer. Komputer melukis pokok supaya semua klad berkongsi senarai aksara terbitan yang sama. Tetapi terdapat keputusan lain yang perlu dibuat, contohnya, bagaimana jika kehadiran spesies dalam klad disokong oleh semua aksara terbitan yang dikongsi untuk klad tersebut kecuali satu? Satu kesimpulan ialah sifat itu berkembang dalam nenek moyang, tetapi kemudian berubah kembali dalam satu spesies itu. Juga keadaan watak yang muncul dalam dua klad mesti diandaikan telah berkembang secara bebas dalam klad tersebut. Ketidakkonsistenan ini adalah perkara biasa dalam pepohon yang diambil daripada data aksara dan merumitkan proses membuat keputusan tentang pokok yang paling hampir mewakili perhubungan sebenar antara taksa.

Untuk membantu dalam tugas besar memilih pokok terbaik, saintis sering menggunakan konsep yang dipanggil parsimoni maksimum, yang bermaksud bahawa peristiwa berlaku dengan cara yang paling mudah dan paling jelas. Ini bermakna pokok "terbaik" ialah pokok yang mempunyai bilangan pembalikan aksara yang paling sedikit, bilangan perubahan aksara bebas yang paling sedikit dan bilangan perubahan aksara yang paling sedikit di seluruh pokok itu. Program komputer mencari melalui semua pokok yang mungkin untuk mencari bilangan kecil pokok dengan laluan evolusi yang paling mudah. Bermula dengan semua sifat homolog dalam sekumpulan organisma, saintis boleh menentukan susunan peristiwa evolusi di mana sifat tersebut berlaku yang paling jelas dan mudah.

KONSEP DALAM TINDAKAN

Amalkan Parsimony: Pergi ke laman web ini untuk mengetahui cara parsimoni maksimum digunakan untuk mencipta pokok filogenetik (pastikan anda terus ke halaman kedua).

Alat dan konsep ini hanyalah sebahagian daripada strategi yang digunakan saintis untuk menangani tugas mendedahkan sejarah evolusi kehidupan di Bumi. Baru-baru ini, teknologi yang lebih baru telah menemui penemuan yang mengejutkan dengan hubungan yang tidak dijangka, seperti fakta bahawa orang nampaknya lebih berkait rapat dengan kulat daripada kulat dengan tumbuhan. Bunyi sukar dipercayai? Apabila maklumat tentang jujukan DNA berkembang, saintis akan menjadi lebih dekat untuk memetakan sejarah evolusi semua kehidupan di Bumi.

Ringkasan Bahagian

Untuk membina pokok filogenetik, saintis mesti mengumpul maklumat watak yang membolehkan mereka membuat hubungan evolusi antara organisma. Menggunakan data morfologi dan molekul, saintis berusaha untuk mengenal pasti ciri dan gen homolog. Persamaan antara organisma boleh berpunca sama ada daripada sejarah evolusi yang dikongsi (homologi) atau daripada laluan evolusi yang berasingan (analogi). Selepas maklumat homolog dikenal pasti, saintis menggunakan kladistik untuk mengatur peristiwa ini sebagai cara untuk menentukan garis masa evolusi. Para saintis menggunakan konsep parsimoni maksimum, yang menyatakan bahawa susunan kejadian yang paling mungkin adalah laluan terpendek yang paling mudah. Untuk peristiwa evolusi, ini akan menjadi laluan dengan bilangan perbezaan utama yang paling sedikit yang berkaitan dengan bukti.

Rajah 12.2.3 Haiwan manakah dalam rajah ini tergolong dalam klad yang termasuk haiwan berambut? Yang manakah berkembang dahulu: rambut atau telur ketuban?

Arnab dan manusia tergolong dalam klad yang termasuk haiwan dengan rambut. Telur amniotik berkembang sebelum rambut, kerana klad Amniota bercabang lebih awal daripada klad yang merangkumi haiwan dengan rambut.

Pelbagai pilihan

Pernyataan manakah tentang analogi yang betul?

A. Ia berlaku hanya sebagai kesilapan.
B. Mereka sinonim dengan sifat homolog.
C. Ia diperolehi melalui tindak balas terhadap tekanan persekitaran yang serupa.
D. Mereka adalah satu bentuk mutasi.

C

Apakah jenis sifat yang penting untuk kladistik?

A. sifat terbitan bersama
B. berkongsi sifat nenek moyang
C. sifat yang serupa
D. sifat parsimoni

A

Apakah yang benar tentang organisma yang merupakan sebahagian daripada klad yang sama?

A. Kesemuanya berkongsi ciri asas yang sama.
B. Mereka berkembang daripada nenek moyang yang dikongsi bersama.
C. Mereka semua berada di atas pokok yang sama.
D. Mereka mempunyai filogeni yang sama.

B

Andaian kladistik yang manakah dinyatakan dengan salah?

A. Benda hidup berkait mengikut keturunan daripada nenek moyang yang sama.
B. Spesiasi boleh menghasilkan satu, dua atau tiga spesies baharu.
C. Sifat berubah dari satu keadaan ke keadaan yang lain.
D. Kekutuban perubahan keadaan watak boleh ditentukan.

B

Kumpulan monofiletik ialah ________.

A. pokok filogenetik
B. sifat terbitan bersama
C. keadaan watak
D. clade

D

Respons Percuma

Ikan lumba-lumba dan ikan mempunyai bentuk badan yang serupa. Adakah ciri ini lebih berkemungkinan sifat homolog atau analog?

Ikan lumba-lumba adalah mamalia dan ikan tidak, yang bermaksud bahawa laluan evolusi mereka (filogeni) agak berasingan. Ikan lumba-lumba mungkin menyesuaikan diri untuk mempunyai pelan badan yang serupa selepas kembali ke gaya hidup akuatik, dan oleh itu sifat ini mungkin serupa.

Terangkan parsimoni maksimum.

Parsimoni maksimum membuat hipotesis bahawa peristiwa berlaku dengan cara yang paling mudah, paling jelas, dan laluan evolusi mungkin termasuk peristiwa utama yang paling sedikit yang bertepatan dengan bukti yang ada.

Bagaimanakah ahli biologi menentukan kekutuban perubahan watak?

Ahli biologi melihat keadaan watak dalam kumpulan luar, organisma yang berada di luar klad yang mana filogeni sedang dibangunkan. Kekutuban perubahan watak adalah daripada keadaan watak dalam kumpulan luar kepada keadaan kedua.

Nota kaki

  1. 1 Gibbons, A. (2012, 13 Jun). Sains Sekarang. Diperoleh daripada news.sciencemag.org/scienceno...sequenced.html
  2. 2 Latar belakang analisis genomik perbandingan. (2002, Disember). Diperoleh daripada http://www.genome.gov/10005835
  3. 3 Harris, S.R. et al. 2010. Evolusi MRSA semasa penghantaran hospital dan penyebaran antara benua. Sains 327:469–474.
  4. 4 Isaac NJ, Turvey ST, Collen B, Waterman C, Baillie JE (2007) Mamalia di EDGE: Keutamaan Pemuliharaan Berdasarkan Ancaman dan Filogeni. PLoS ONE 2(3): e296. doi:10.1371/journal.pone.0000296

Glosari

struktur analog
watak yang terdapat dalam dua taksa yang kelihatan serupa kerana evolusi konvergen, bukan kerana keturunan daripada nenek moyang yang sama
clade
sekumpulan taksa dengan set watak terbitan yang sama, termasuk spesies nenek moyang dan semua keturunannya
kladistik
kaedah yang digunakan untuk menyusun sifat homolog untuk menerangkan filogeni menggunakan keturunan biasa sebagai kriteria utama yang digunakan untuk mengelaskan organisma
parsimoni maksimum
menggunakan cara yang paling mudah dan jelas dengan bilangan langkah yang paling sedikit
sistematik molekul
kaedah menggunakan bukti molekul untuk mengenal pasti hubungan filogenetik
kumpulan monofiletik
(juga, clade) organisma yang berkongsi nenek moyang tunggal
watak nenek moyang yang dikongsi
watak pada cabang filogenetik yang dikongsi oleh klad tertentu

Dua Pilihan untuk Persamaan

Secara amnya, organisma yang berkongsi ciri fizikal dan genom yang serupa adalah lebih berkait rapat berbanding organisma yang tidak. Kami merujuk kepada ciri sedemikian yang bertindih secara morfologi (dalam bentuk) dan genetik sebagai struktur homolog. Ia berpunca daripada persamaan perkembangan yang berasaskan evolusi. Contohnya, tulang dalam sayap kelawar dan burung mempunyai struktur homolog (Rajah).

Sayap kelawar dan burung adalah struktur homolog, menunjukkan bahawa kelawar dan burung berkongsi masa lalu evolusi yang sama. (kredit a: pengubahsuaian kerja oleh Steve Hillebrand, kredit USFWS b: pengubahsuaian kerja oleh U.S. DOI BLM)

Perhatikan ia bukan sekadar tulang tunggal, tetapi lebih kepada kumpulan beberapa tulang yang disusun dengan cara yang sama. Lebih kompleks ciri itu, lebih besar kemungkinan apa-apa jenis pertindihan disebabkan oleh masa lampau evolusi biasa. Bayangkan dua orang dari negara yang berbeza kedua-duanya mencipta kereta dengan semua bahagian yang sama dan dalam susunan yang sama tanpa sebarang pengetahuan sebelumnya atau dikongsi. Keputusan itu akan menjadi sangat tidak mungkin. Walau bagaimanapun, jika dua orang kedua-duanya mencipta tukul, kita boleh membuat kesimpulan yang munasabah bahawa kedua-duanya boleh mempunyai idea asal tanpa bantuan yang lain. Hubungan yang sama antara kerumitan dan sejarah evolusi yang dikongsi adalah benar untuk struktur homolog dalam organisma.


Menentukan Hubungan Evolusi

Para saintis mesti mengumpul maklumat tepat yang membolehkan mereka membuat hubungan evolusi antara organisma. Sama seperti kerja detektif, saintis mesti menggunakan bukti untuk membongkar fakta. Dalam kes filogeni, penyiasatan evolusi menumpukan pada dua jenis bukti: morfologi (bentuk dan fungsi) dan genetik.

Dua Pilihan untuk Persamaan

Secara amnya, organisma yang berkongsi ciri fizikal dan genom yang serupa cenderung lebih berkait rapat berbanding organisma yang tidak. Ciri sedemikian yang bertindih kedua-duanya secara morfologi (dalam bentuk) dan secara genetik dirujuk sebagai struktur homolog ia berpunca daripada persamaan perkembangan yang berasaskan evolusi. Contohnya, tulang pada sayap kelawar dan burung mempunyai struktur homolog (Rajah 1).

Rajah 1: Sayap kelawar dan burung ialah struktur homolog, menunjukkan bahawa kelawar dan burung berkongsi sejarah evolusi yang sama. (kredit a: pengubahsuaian kerja oleh Steve Hillebrand, USFWS kredit b: pengubahsuaian kerja oleh DOI BLM A.S.. “struktur homolog” oleh OpenStax dilesenkan di bawah CC BY 4.0)

Perhatikan ia bukan sekadar tulang tunggal, tetapi lebih kepada kumpulan beberapa tulang yang disusun dengan cara yang sama. Lebih kompleks ciri tersebut, lebih besar kemungkinan sebarang jenis pertindihan disebabkan oleh masa lampau evolusi yang lazim. Bayangkan dua orang dari negara berbeza kedua-duanya mencipta kereta dengan semua bahagian yang sama dan dalam susunan yang sama tanpa sebarang pengetahuan sebelumnya atau dikongsi. Keputusan itu akan menjadi sangat tidak mungkin. Walau bagaimanapun, jika dua orang kedua-duanya mencipta tukul, adalah munasabah untuk membuat kesimpulan bahawa kedua-duanya boleh mempunyai idea asal tanpa bantuan yang lain. Hubungan yang sama antara kerumitan dan sejarah evolusi yang dikongsi adalah benar untuk struktur homolog dalam organisma.

Penampilan yang Mengelirukan

Sesetengah organisma mungkin berkait rapat, walaupun perubahan genetik yang kecil menyebabkan perbezaan morfologi yang besar menjadikan mereka kelihatan agak berbeza. Begitu juga, organisma yang tidak berkaitan mungkin mempunyai hubungan yang jauh, tetapi kelihatan sangat serupa. Ini biasanya berlaku kerana kedua-dua organisma berada dalam penyesuaian biasa yang berkembang dalam keadaan persekitaran yang serupa. Apabila ciri yang serupa berlaku kerana kekangan alam sekitar dan bukan disebabkan oleh hubungan evolusi yang rapat, ia dipanggil a analogi atau homoplasi. Sebagai contoh, serangga menggunakan sayap untuk terbang seperti kelawar dan burung, tetapi struktur sayap dan asal embrio adalah berbeza sama sekali. Ini dipanggil analogi struktur (Rajah 2).

Ciri-ciri yang sama boleh sama ada homolog atau analog. Struktur homolog berkongsi asal embrio yang serupa. Organ analog mempunyai fungsi yang serupa. Sebagai contoh, tulang pada sirip hadapan ikan paus adalah homolog dengan tulang di lengan manusia. Struktur ini tidak serupa. Sayap rama-rama dan sayap burung adalah analog tetapi tidak homolog. Sesetengah struktur adalah analog dan homolog: sayap burung dan sayap kelawar adalah homolog dan analog. Para saintis mesti menentukan jenis persamaan yang dipamerkan oleh ciri untuk menguraikan filogeni organisma yang sedang dikaji.

Rajah 2: (c) sayap lebah madu adalah serupa dalam bentuk (b) sayap burung dan (a) sayap kelawar, dan ia berfungsi dengan fungsi yang sama. Walau bagaimanapun, sayap lebah madu tidak terdiri daripada tulang dan mempunyai struktur dan asal embrio yang berbeza. Jenis sayap ini (serangga berbanding kelawar dan burung) menggambarkan analogi—struktur serupa yang tidak berkongsi sejarah evolusi. (kredit a: pengubahsuaian kerja oleh Steve Hillebrand, USFWS kredit b: pengubahsuaian kerja oleh A.S. DOI BLM kredit c: pengubahsuaian kerja oleh Jon Sullivan. “analogi” oleh OpenStax dilesenkan di bawah CC BY 4.0)

Perbandingan Molekul

Dengan kemajuan teknologi DNA, bidang sistematik molekul, yang menerangkan penggunaan maklumat pada tahap molekul termasuk analisis DNA, telah berkembang. Program komputer baharu bukan sahaja mengesahkan banyak organisma terperingkat yang lebih awal, tetapi juga mendedahkan kesilapan yang dibuat sebelum ini. Seperti ciri-ciri fizikal, walaupun urutan DNA boleh menjadi sukar untuk dibaca dalam beberapa kes. Untuk sesetengah situasi, dua organisma yang sangat rapat boleh kelihatan tidak berkaitan jika mutasi berlaku yang menyebabkan perubahan dalam kod genetik. Mutasi sisipan atau pemadaman akan menggerakkan setiap bes nukleotida ke satu tempat, menyebabkan dua kod serupa kelihatan tidak berkaitan.

Kadangkala dua segmen kod DNA dalam organisma yang berkait jauh secara rawak berkongsi peratusan bes yang tinggi di lokasi yang sama, menyebabkan organisma ini kelihatan berkait rapat apabila mereka tidak. Untuk kedua-dua situasi ini, teknologi komputer telah dibangunkan untuk membantu mengenal pasti hubungan sebenar, dan, akhirnya, penggunaan gabungan kedua-dua maklumat morfologi dan molekul adalah lebih berkesan dalam menentukan filogeni.

Mengapa Filogeni Penting?

Ahli biologi evolusi boleh menyenaraikan banyak sebab mengapa pemahaman filogeni penting untuk kehidupan seharian dalam masyarakat manusia. Bagi ahli botani, filogeni bertindak sebagai panduan untuk menemui tumbuhan baharu yang boleh digunakan untuk memberi manfaat kepada orang ramai. Fikirkan semua cara manusia menggunakan tumbuhan—makanan, ubat-ubatan dan pakaian adalah beberapa contoh. Jika tumbuhan mengandungi sebatian yang berkesan dalam merawat kanser, saintis mungkin ingin memeriksa semua saudara tumbuhan itu untuk ubat lain yang berguna.

Pasukan penyelidik di China mengenal pasti segmen DNA yang dianggap biasa kepada sesetengah tumbuhan ubatan dalam keluarga Fabaceae (keluarga kekacang) dan berusaha untuk mengenal pasti spesies mana yang mempunyai segmen ini (Rajah 3). Selepas menguji spesies tumbuhan dalam keluarga ini, pasukan itu menemui penanda DNA (lokasi diketahui pada kromosom yang membolehkan mereka mengenal pasti spesies) yang ada. Kemudian, menggunakan DNA untuk mendedahkan hubungan filogenetik, pasukan itu boleh mengenal pasti sama ada tumbuhan yang baru ditemui berada dalam keluarga ini dan menilai potensi sifat perubatannya.

Rajah 3: Dalbergia sissoo (D. sissoo) adalah dalam Fabaceae, atau keluarga kekacang. Para saintis mendapati bahawa D. sissoo berkongsi penanda DNA dengan spesies dalam keluarga Fabaceae yang mempunyai sifat antikulat. Selepas itu, D. sissoo telah ditunjukkan mempunyai aktiviti racun kulat, menyokong idea bahawa penanda DNA boleh digunakan untuk menyaring tumbuhan yang berpotensi sebagai ubat. (kredit: “Dalbergia sissoo” oleh OpenStax dilesenkan di bawah CC BY 4.0)

Membina Pokok Filogenetik

Bagaimanakah saintis membina pokok filogenetik? Selepas ciri homolog dan analog diisih, saintis sering menyusun ciri homolog menggunakan sistem yang dipanggil kladistik. Sistem ini menyusun organisma ke dalam clades: kumpulan organisma yang berasal daripada moyang tunggal. Sebagai contoh, dalam Rajah 4, semua organisma di kawasan oren berkembang daripada moyang tunggal yang mempunyai telur amniotik. Akibatnya, semua organisma ini juga mempunyai telur amniotik dan membuat satu klad, juga dipanggil kumpulan monofiletik. Klad mesti merangkumi semua keturunan dari titik cawangan.

Rajah 4: Cicak, arnab, dan manusia semuanya berasal daripada nenek moyang yang sama yang mempunyai telur amniotik. Oleh itu, cicak, arnab, dan manusia semuanya tergolong dalam klad Amniota. Vertebrata ialah klad yang lebih besar yang juga termasuk ikan dan lamprey. (kredit:”kumpulan monophyletic” oleh OpenStax dilesenkan di bawah CC BY 4.0)

Haiwan manakah dalam rajah ini tergolong dalam klad yang termasuk haiwan berambut? Mana yang berkembang dahulu, rambut atau telur amniotik?

Klad boleh berbeza-beza mengikut saiz bergantung pada titik cawangan yang dirujuk. Faktor penting ialah semua organisma dalam kumpulan klad atau monofiletik berpunca daripada satu titik pada pokok. Ini boleh diingati kerana monofiletik terbahagi kepada "mono," yang bermaksud satu, dan "phyletic," yang bermaksud hubungan evolusi. Rajah 5 menunjukkan pelbagai contoh klad. Perhatikan bagaimana setiap klad datang dari satu titik, manakala kumpulan bukan klad menunjukkan cawangan yang tidak berkongsi satu titik.

Rajah 5: Semua organisma dalam klad berpunca daripada satu titik pada pokok itu. Klad mungkin mengandungi berbilang kumpulan, seperti dalam kes haiwan, kulat dan tumbuhan, atau satu kumpulan, seperti dalam kes flagellata. Kumpulan yang menyimpang pada titik cawangan yang berbeza, atau yang tidak termasuk semua kumpulan dalam satu titik cawangan, tidak dianggap klad. (kredit: “clades” oleh OpenStax dilesenkan di bawah CC BY 4.0)

Kumpulan yang tidak termasuk semua organisma yang berasal daripada satu nenek moyang mempunyai nama yang berbeza. A paraphyletic kumpulan termasuk moyang biasa yang paling terkini, tetapi tidak semua keturunannya Rajah 6. A polifiletik kumpulan termasuk organisma yang tidak berkaitan yang berasal daripada lebih daripada satu nenek moyang.

Rajah 6: Perwakilan visual kumpulan monofiletik, polifiletik dan parafiletik. (Kredit: 1999 oleh Addison Wesley Longman)

Ciri Dikongsi

Organisma berkembang daripada nenek moyang yang sama dan kemudian mempelbagaikan. Para saintis menggunakan frasa "keturunan dengan pengubahsuaian" kerana walaupun organisma berkaitan mempunyai banyak ciri dan kod genetik yang sama, perubahan berlaku. Corak ini berulang berulang kali apabila seseorang melalui pokok filogenetik kehidupan:

  1. Perubahan dalam susunan genetik organisma membawa kepada sifat baru yang menjadi lazim dalam kumpulan.
  2. Banyak organisma turun dari titik ini dan mempunyai sifat ini.
  3. Variasi baharu terus timbul: ada yang menyesuaikan diri dan berterusan, membawa kepada ciri baharu.
  4. Dengan ciri baharu, titik cawangan baharu ditentukan (kembali ke langkah 1 dan ulangi).

Jika sesuatu ciri terdapat pada nenek moyang sesuatu kumpulan, ia dianggap a watak nenek moyang yang dikongsi kerana semua organisma dalam takson atau klad mempunyai sifat tersebut. Vertebrata dalam Rajah 4 ialah watak nenek moyang yang dikongsi bersama. Sekarang pertimbangkan ciri telur amniotik dalam angka yang sama. Hanya beberapa organisma dalam Rajah 4 mempunyai sifat ini, dan bagi mereka yang mempunyai, ia dipanggil watak terbitan bersama kerana sifat ini diperoleh pada satu ketika tetapi tidak termasuk semua nenek moyang dalam pokok itu.

Aspek rumit untuk berkongsi watak nenek moyang dan terbitan bersama ialah hakikat bahawa istilah ini adalah relatif. Ciri yang sama boleh dianggap satu atau yang lain bergantung pada rajah tertentu yang digunakan. Kembali ke Rajah 4, ambil perhatian bahawa telur amniotik ialah watak nenek moyang yang dikongsi untuk klad Amniota, manakala mempunyai rambut ialah watak terbitan bersama untuk sesetengah organisma dalam kumpulan ini. Istilah ini membantu saintis membezakan antara klad dalam pembinaan pokok filogenetik.

Memilih Perhubungan yang Tepat

Bayangkan menjadi orang yang bertanggungjawab untuk mengatur semua barang di gedung serbaneka dengan betul—tugas yang amat berat. Mengatur perhubungan evolusi semua hidupan di Bumi terbukti jauh lebih sukar: saintis mesti menjangkau blok masa yang besar dan bekerja dengan maklumat daripada organisma yang telah lama pupus. Cuba untuk menguraikan sambungan yang betul, terutamanya memandangkan kehadiran homologi dan analogi, menjadikan tugas membina pokok kehidupan yang tepat sangat sukar. Ditambah dengan kemajuan teknologi DNA, yang kini menyediakan sejumlah besar urutan genetik untuk digunakan dan dianalisis. Taksonomi ialah disiplin subjektif: banyak organisma mempunyai lebih daripada satu sambungan antara satu sama lain, jadi setiap ahli taksonomi akan menentukan susunan sambungan.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use a concept called maximum parsimony, which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to go hiking, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most of the people would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

These tools and concepts are only a few of the strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Ringkasan

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Newer technologies can be used to help distinguish homologies from analogies. After homologous information is identified, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. Scientists apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.


102 Determining Evolutionary Relationships

Pada penghujung bahagian ini, anda akan dapat melakukan perkara berikut:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. Sama seperti kerja detektif, saintis mesti menggunakan bukti untuk membongkar fakta. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). Selepas menguji spesies tumbuhan dalam keluarga ini, pasukan itu menemui penanda DNA (lokasi diketahui pada kromosom yang membolehkan mereka mengenal pasti spesies) yang ada. Kemudian, menggunakan DNA untuk mendedahkan hubungan filogenetik, pasukan itu boleh mengenal pasti sama ada tumbuhan yang baru ditemui berada dalam keluarga ini dan menilai potensi sifat perubatannya.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Ringkasan Bahagian

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

Soalan Sambungan Visual

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

Soalan Ulangkaji

Which statement about analogies is correct?

  1. They occur only as errors.
  2. They are synonymous with homologous traits.
  3. They are derived by similar environmental constraints.
  4. They are a form of mutation.

What do scientists use to apply cladistics?

What is true about organisms that are a part of the same clade?

  1. They all share the same basic characteristics.
  2. They evolved from a shared ancestor.
  3. They usually fall into the same classification taxa.
  4. They have identical phylogenies.

Why do scientists apply the concept of maximum parsimony?

  1. to decipher accurate phylogenies
  2. to eliminate analogous traits
  3. to identify mutations in DNA codes
  4. to locate homoplasies

Soalan Pemikiran Kritis

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

Glosari


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After the homologous and analogous traits are sorted, scientists often organize the homologous traits using a system called cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in [Figure 4], all of the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, all of these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, also called a monophyletic group . Clades must include all of the descendants from a branch point.

Sambungan Seni

Figure 4: Lizards, rabbits, and humans all descend from a common ancestor that had an amniotic egg. Thus, lizards, rabbits, and humans all belong to the clade Amniota. Vertebrata is a larger clade that also includes fish and lamprey.

Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Klad boleh berbeza-beza mengikut saiz bergantung pada titik cawangan yang dirujuk. The important factor is that all of the organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. This can be remembered because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. [Figure 5] shows various examples of clades. Notice how each clade comes from a single point, whereas the non-clade groups show branches that do not share a single point.

Sambungan Seni

Figure 5: All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not considered clades.

What is the largest clade in this diagram?


Sambungan Seni

All the organisms within a clade stem from a single point on the tree. A clade may contain multiple groups, as in the case of animals, fungi and plants, or a single group, as in the case of flagellates. Groups that diverge at a different branch point, or that do not include all groups in a single branch point, are not clades.

What is the largest clade in this diagram?


Biologi 171

Pada penghujung bahagian ini, anda akan dapat melakukan perkara berikut:

  • Compare homologous and analogous traits
  • Discuss the purpose of cladistics
  • Describe maximum parsimony

Scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections among organisms. Sama seperti kerja detektif, saintis mesti menggunakan bukti untuk membongkar fakta. In the case of phylogeny, evolutionary investigations focus on two types of evidence: morphologic (form and function) and genetic.

Two Options for Similarities

In general, organisms that share similar physical features and genomes are more closely related than those that do not. We refer to such features that overlap both morphologically (in form) and genetically as homologous structures. They stem from developmental similarities that are based on evolution. For example, the bones in bat and bird wings have homologous structures ((Figure)).


Notice it is not simply a single bone, but rather a grouping of several bones arranged in a similar way. The more complex the feature, the more likely any kind of overlap is due to a common evolutionary past. Imagine two people from different countries both inventing a car with all the same parts and in exactly the same arrangement without any previous or shared knowledge. That outcome would be highly improbable. However, if two people both invented a hammer, we can reasonably conclude that both could have the original idea without the help of the other. The same relationship between complexity and shared evolutionary history is true for homologous structures in organisms.

Misleading Appearances

Some organisms may be very closely related, even though a minor genetic change caused a major morphological difference to make them look quite different. Similarly, unrelated organisms may be distantly related, but appear very much alike. This usually happens because both organisms were in common adaptations that evolved within similar environmental conditions. When similar characteristics occur because of environmental constraints and not due to a close evolutionary relationship, it is an analogy or homoplasy. For example, insects use wings to fly like bats and birds, but the wing structure and embryonic origin is completely different. These are analogous structures ((Figure)).

Similar traits can be either homologous or analogous. Homologous structures share a similar embryonic origin. Analogous organs have a similar function. For example, the bones in a whale’s front flipper are homologous to the bones in the human arm. These structures are not analogous. A butterfly or bird’s wings are analogous but not homologous. Some structures are both analogous and homologous: bird and bat wings are both homologous and analogous. Scientists must determine which type of similarity a feature exhibits to decipher the organisms’ phylogeny.


This website has several examples to show how appearances can be misleading in understanding organisms’ phylogenetic relationships.

Molecular Comparisons

The advancement of DNA technology has given rise to molecular systematics , which is use of molecular data in taxonomy and biological geography (biogeography). New computer programs not only confirm many earlier classified organisms, but also uncover previously made errors. As with physical characteristics, even the DNA sequence can be tricky to read in some cases. For some situations, two very closely related organisms can appear unrelated if a mutation occurred that caused a shift in the genetic code. Inserting or deleting a mutation would move each nucleotide base over one place, causing two similar codes to appear unrelated.

Sometimes two segments of DNA code in distantly related organisms randomly share a high percentage of bases in the same locations, causing these organisms to appear closely related when they are not. For both of these situations, computer technologies help identify the actual relationships, and, ultimately, the coupled use of both morphologic and molecular information is more effective in determining phylogeny.

Why Does Phylogeny Matter? Evolutionary biologists could list many reasons why understanding phylogeny is important to everyday life in human society. For botanists, phylogeny acts as a guide to discovering new plants that can be used to benefit people. Think of all the ways humans use plants—food, medicine, and clothing are a few examples. If a plant contains a compound that is effective in treating cancer, scientists might want to examine all of the compounds for other useful drugs.

A research team in China identified a DNA segment that they thought to be common to some medicinal plants in the family Fabaceae (the legume family). They worked to identify which species had this segment ((Figure)). Selepas menguji spesies tumbuhan dalam keluarga ini, pasukan itu menemui penanda DNA (lokasi diketahui pada kromosom yang membolehkan mereka mengenal pasti spesies) yang ada. Kemudian, menggunakan DNA untuk mendedahkan hubungan filogenetik, pasukan itu boleh mengenal pasti sama ada tumbuhan yang baru ditemui berada dalam keluarga ini dan menilai potensi sifat perubatannya.


Building Phylogenetic Trees

How do scientists construct phylogenetic trees? After they sort the homologous and analogous traits, scientists often organize the homologous traits using cladistics . This system sorts organisms into clades: groups of organisms that descended from a single ancestor. For example, in (Figure), all the organisms in the orange region evolved from a single ancestor that had amniotic eggs. Consequently, these organisms also have amniotic eggs and make a single clade, or a monophyletic group . Clades must include all descendants from a branch point.


Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

Clades can vary in size depending on which branch point one references. The important factor is that all organisms in the clade or monophyletic group stem from a single point on the tree. You can remember this because monophyletic breaks down into “mono,” meaning one, and “phyletic,” meaning evolutionary relationship. (Figure) shows various clade examples. Notice how each clade comes from a single point whereas, the non-clade groups show branches that do not share a single point.


What is the largest clade in this diagram?

Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism’s genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in (Figure) is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in (Figure) have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to (Figure), note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

To aid in the tremendous task of describing phylogenies accurately, scientists often use the concept of maximum parsimony , which means that events occurred in the simplest, most obvious way. For example, if a group of people entered a forest preserve to hike, based on the principle of maximum parsimony, one could predict that most would hike on established trails rather than forge new ones.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.

Ringkasan Bahagian

To build phylogenetic trees, scientists must collect accurate information that allows them to make evolutionary connections between organisms. Using morphologic and molecular data, scientists work to identify homologous characteristics and genes. Similarities between organisms can stem either from shared evolutionary history (homologies) or from separate evolutionary paths (analogies). Scientists can use newer technologies to help distinguish homologies from analogies. After identifying homologous information, scientists use cladistics to organize these events as a means to determine an evolutionary timeline. They then apply the concept of maximum parsimony, which states that the order of events probably occurred in the most obvious and simple way with the least amount of steps. For evolutionary events, this would be the path with the least number of major divergences that correlate with the evidence.

Sambungan Seni

(Figure) Which animals in this figure belong to a clade that includes animals with hair? Which evolved first, hair or the amniotic egg?

(Figure) Rabbits and humans belong in the clade that includes animals with hair. The amniotic egg evolved before hair because the Amniota clade is larger than the clade that encompasses animals with hair.

(Figure) What is the largest clade in this diagram?

(Figure) The largest clade encompasses the entire tree.

Respons Percuma

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and, therefore, this trait is probably analogous.

Why is it so important for scientists to distinguish between homologous and analogous characteristics before building phylogenetic trees?

Phylogenetic trees are based on evolutionary connections. If an analogous similarity were used on a tree, this would be erroneous and, furthermore, would cause the subsequent branches to be inaccurate.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

Glosari


Shared Characteristics

Organisms evolve from common ancestors and then diversify. Scientists use the phrase “descent with modification” because even though related organisms have many of the same characteristics and genetic codes, changes occur. This pattern repeats as one goes through the phylogenetic tree of life:

  1. A change in an organism's genetic makeup leads to a new trait which becomes prevalent in the group.
  2. Many organisms descend from this point and have this trait.
  3. New variations continue to arise: some are adaptive and persist, leading to new traits.
  4. With new traits, a new branch point is determined (go back to step 1 and repeat).

If a characteristic is found in the ancestor of a group, it is considered a shared ancestral character because all of the organisms in the taxon or clade have that trait. The vertebrate in Figure is a shared ancestral character. Now consider the amniotic egg characteristic in the same figure. Only some of the organisms in Figure have this trait, and to those that do, it is called a shared derived character because this trait derived at some point but does not include all of the ancestors in the tree.

The tricky aspect to shared ancestral and shared derived characters is that these terms are relative. We can consider the same trait one or the other depending on the particular diagram that we use. Returning to Figure, note that the amniotic egg is a shared ancestral character for the Amniota clade, while having hair is a shared derived character for some organisms in this group. These terms help scientists distinguish between clades in building phylogenetic trees.

Choosing the Right Relationships

Imagine being the person responsible for organizing all department store items properly—an overwhelming task. Organizing the evolutionary relationships of all life on Earth proves much more difficult: scientists must span enormous blocks of time and work with information from long-extinct organisms. Trying to decipher the proper connections, especially given the presence of homologies and analogies, makes the task of building an accurate tree of life extraordinarily difficult. Add to that advancing DNA technology, which now provides large quantities of genetic sequences for researchers to use and analzye. Taxonomy is a subjective discipline: many organisms have more than one connection to each other, so each taxonomist will decide the order of connections.

For scientists deciphering evolutionary pathways, the same idea is used: the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand. Starting with all of the homologous traits in a group of organisms, scientists look for the most obvious and simple order of evolutionary events that led to the occurrence of those traits.

Pautan ke Pembelajaran

Head to this website to learn how researchers use maximum parsimony to create phylogenetic trees.

These tools and concepts are only a few strategies scientists use to tackle the task of revealing the evolutionary history of life on Earth. Recently, newer technologies have uncovered surprising discoveries with unexpected relationships, such as the fact that people seem to be more closely related to fungi than fungi are to plants. Sound unbelievable? As the information about DNA sequences grows, scientists will become closer to mapping the evolutionary history of all life on Earth.


Respons Percuma

Dolphins and fish have similar body shapes. Is this feature more likely a homologous or analogous trait?

Dolphins are mammals and fish are not, which means that their evolutionary paths (phylogenies) are quite separate. Dolphins probably adapted to have a similar body plan after returning to an aquatic lifestyle, and therefore this trait is probably analogous.

Describe maximum parsimony.

Maximum parsimony hypothesizes that events occurred in the simplest, most obvious way, and the pathway of evolution probably includes the fewest major events that coincide with the evidence at hand.

How does a biologist determine the polarity of a character change?

The biologist looks at the state of the character in an outgroup, an organism that is outside the clade for which the phylogeny is being developed. The polarity of the character change is from the state of the character in the outgroup to the second state.


Tonton video: VIDEO ANIMASI TENTANG EVOLUSI (Februari 2023).