Филогенетика

Всички ние сме хомо тук
Еволюция
Икона еволюция.svg
Съответни хоминиди
Постепенна наука
Обикновен маймунски бизнес

В биология , филогенетика е науката и методологията за извеждане на еволюционен взаимоотношения на видове - реконструиране на дървото на живота .


Филогенетиците избират подходящ източник на данни - морфология, анатомия, биохимия , ПОДЪХ последователности и др., генерират данни за членовете на изследваната група и след това установяват хомология . Тази стъпка е от решаващо значение, за да се гарантира, че в анализа всъщност се сравняват само сравними черти; крилата на насекомите и крилата на птиците например не са еднотипни органи и следователно не трябва да се оценяват като един и същ морфологичен характер при филогенетичен анализ. В случай на ДНК последователности е наличен софтуер за установяване на хомология между нуклеотидни позиции в последователността, процес, който е известен като изграждане на подравняване. Резултатът от тези усилия е двуизмерна матрица с данни от символи от дървесни терминали (обикновено проби или видове), които могат да бъдат подложени на анализ, днес почти винаги с помощта на специализиран софтуер.

Съдържание

Основните филогенетични методи

Най-простият метод за изграждане на дървета се основава на Минимално разстояние . Използвайки мярка за разстояние между два терминала в матрицата с данни, може би генетично разстояние или брой морфологични разлики, се изчислява матрица за разстояние. Двата най-сходни или най-малко отдалечени терминала са обединени и се изчислява новото разстояние на получения клон от всички останали терминали. Процесът се повтаря, докато всички терминали се обединят в дървото. Този метод е най-бързият, но няма явна еволюционна логика; може също толкова добре да се използва за генериране на връзки между дърветата на типове почви или примерни парцели. Следователно той рядко се използва за извеждане на филогенетични връзки в сериозни научни публикации, но често се използва за генериране на „достатъчно добри“ стартови дървета за по-сложните методи по-долу. По същата причина дърветата от разстояние обикновено се наричат ​​фенограми вместо филогении или подобни имена.


Парцесион анализите следват съвсем различна логика. Ако приемем, че най-простото обяснение е, при равни други условия, вероятно правилната , предпочита се филогенията, която се нуждае от най-малък брой промени в символите по клоните на дърветата („по-късото“ дърво). Този метод е кладистичен анализ в строгия смисъл на понятието. Той почива на минимални предположения и е сравнително бърз, но не е много сложен.

Същата логика на търсене на най-доброто дърво се характеризира Максимална вероятност анализи, но тук критерият за избор на предпочитаното дърво не е минимален брой промени, а най-голяма вероятност предвид данните и модел на развитие на характера. Изчисляването на оценките за вероятност за големи филогении е изчислително интензивно и следователно този метод обикновено е по-бавен от предишния. Той също така изисквааприориизбор на подходящ модел.

И накрая, Байесовски филогенетика също се базира на модел, но вместо да извършва просто търсене на най-доброто дърво, той оценява задната вероятност на всяка възможна група терминали, образуващи клон с подход на Марков верига Монте Карло (MCMC). Методите MCMC вземат проби от голям брой точки от данни и отнемат изключително много време, което прави байесовата филогенетика най-бавният метод. Това е и подходът с най-стръмна крива на обучение и включва най-голям брой предположения; в допълнение към избора на модел изисква настройка на множество приоритети . Въпреки тези недостатъци и благодарение на нарастващата изчислителна мощ, тази методология е все по-популярна.



Кой метод да избере зависи от изследването, което един филогенетик иска да проведе. Вероятността и байесовата филогенетика днес обикновено се предпочитат за данните за ДНК последователността. В случай че фосили , налични са само морфологични данни и ако няма подходящ модел за еволюция на характера, може да се предпочете анализ на съображението. На практика филогенетиците са склонни да използват поне два различни метода, за да проверят дали резултатите са съвпадащи.


Поляризиране на дървото

Повечето филогенетични анализи връщат само неизкоренено дърво; той показва кои терминали са близо един до друг и кои са далеч един от друг, но не и в какъв ред са били разделянията на родовете в еволюционната история. Филогенетиците използват различни подходи за „корен“ или поляризиране на дървото. Най-широко разпространено е вкореняването извън групата. Тук най-малко един допълнителен вид е включен в анализа, за който е направено независимо заключение, че е извън групата (реалната група за изследване), и дървото след това се изчертава, така че разделянето между извънгрупа и група е в основата на филогения. Някои филогенетични методи обаче връщат вкоренено дърво.

Видове филогенетични дървета

Когато тълкувате съответните научни трудове, е важно да знаете, че филогенетичните дървета могат да бъдат изобразени по много различни начини. Информацията, която предават, се различава съответно.


Една проста кладограма на гръбначните животни.

Кладограми показват само връзките на дървесни терминали, но няма дължини на клонове.

Филограма на енцефалит, пренасян от кърлежи, показваща разстояния.

Филограми имат дължини на клонове, които показват броя на промените, за които се предполага, че са настъпили в родословната линия - или морфологични промени в характера, или генетични мутации, в зависимост от данните.

Хронограма на крокодилията, показваща времена на съществуване.

Хронограми имат дължини на клонове, които са пропорционални на времето, показвайки изведените времена на разделяне на родовете в миналото, обикновено с щедри грешки. Те се произвеждат при предположението, че има поне груб „молекулярен часовник“ (колкото повече време минава, толкова повече мутации трябва да се натрупват) и обикновено се калибрират с вкаменелости за минимална възраст на разклоненията и геоложки събития като издигането на вулканични острови за максимално разклонение възрасти. Понякога за калибриране могат да се използват проценти на мутации, изчислени от други изследвания на същата група организми.

Филогенетичните дървета също могат да бъдат рисувани по много различни начини и ориентации, напр. отляво надясно, отдясно наляво, отгоре надолу или от центъра към периферията (кръгла).


Основното предположение и зарядът на циркулярността

Въз основа на теорията на общо спускане , филогенетичните методи предполагат, че съществува дървовидна структура на връзките. На практическо ниво това означава, че те обикновено връщат дву- или многофункционална дървовидна диаграма на взаимоотношенията, дори ако в действителност няма дървесна структура, например защото филогенетикът е включил видове от хибриден произход в техния анализ. Въпросните учени трябва да се уверят, че вземат предвид подобни случаи.

Креационисти понякога критикуват еволюционни биолози за да направи горното предположение и да твърди, че филогенетиката е случай на кръгови разсъждения : дървото на живота, реконструирано от филогенетични изследвания, не подкрепя теорията за общия произход, тъй като методологията принуждава всички данни във формата на дърво. Това обаче е сравнимо с твърдението, че успешното изграждане на работещ самолет не оказва подкрепа на аеродинамичната наука, защото е конструиран по аеродинамични принципи; ако предположенията бяха напълно грешни, самолетът нямаше да лети.

По същия начин филогенетиката успешно възстановява до голяма степен конгруентни връзки, използвайки много независими източници на данни, вариращи от анатомия и морфология до всички части на геном , а резултатите са в съответствие с тези на палеонтология и биогеография . Подобна конгруентност между няколко независими типа данни би била много неправдоподобна при която и да е теория, с изключение на обикновения произход.