Evoluția vieții pe Pământ: Arbori filogenetici

Figura 20.1 Viața unei albine este foarte diferită de cea a unei flori, dar cele două organisme sunt înrudite. Ambele sunt membre ale domeniului Eukarya și au celule care conțin multe organele, gene și proteine similare. (Credit: brian60174/Pixabay)

Această albină și floarea Echinacea (Figura 20.1) nu ar putea arăta mai diferit, dar sunt înrudite, la fel ca toate organismele vii de pe Pământ. Urmând căi de asemănări și schimbări – atât vizibile, cât și genetice – oamenii de știință caută să cartografieze trecutul evolutiv al modului în care viața s-a dezvoltat de la organisme unicelulare la imensa colecție de creaturi care au germinat, s-au târât, au plutit, au înotat, au zburat și au mers pe această planetă.

În termeni științifici, filogenia este istoria evolutivă și relațiile unui organism sau grup de organisme. O filogenie descrie relațiile organismului, cum ar fi din ce organisme ar fi putut evolua sau cu ce specii este cel mai strâns înrudit. Relațiile filogenetice oferă informații despre ascendența comună, dar nu neapărat despre modul în care organismele sunt similare sau diferite.

Oamenii de știință folosesc un instrument numit arbore filogenetic pentru a arăta căile evolutive și conexiunile dintre organisme. Un arbore filogenetic este o diagramă folosită pentru a reflecta relațiile evolutive dintre organisme sau grupuri de organisme. Oamenii de știință consideră arborii filogenetici ca fiind o ipoteză a trecutului evolutiv, deoarece nu se poate reveni pentru a confirma relațiile propuse. Cu alte cuvinte, putem construi un „pom al vieții” pentru a ilustra când au evoluat diferite organisme și pentru a arăta relațiile dintre diferitele organisme (Figura 20.2).

Spre deosebire de diagrama de clasificare taxonomică, putem citi un arbore filogenetic ca o hartă a istoriei evoluției. Mulți arbori filogenetici au o singură descendență la bază reprezentând un strămoș comun. Oamenii de știință numesc astfel de copaci înrădăcinați, ceea ce înseamnă că există o singură linie ancestrală (de obicei desenată din partea de jos sau din stânga) la care se referă toate organismele reprezentate în diagramă. Observați în arborele filogenetic înrădăcinat că cele trei domenii – Bacteria, Archaea și Eukarya – diverg dintr-un singur punct și se ramifică. Mica ramură pe care plantele și animalele (inclusiv oamenii) o ocupă în această diagramă arată cât de recente și de mici sunt aceste grupuri comparativ cu alte organisme. Arborii neînrădăcinați nu arată un strămoș comun, dar arată relații între specii.

Figura 20.2 Ambii arbori filogenetici arată relația dintre cele trei domenii ale vieții – Bacterii, Archaea și Eukarya – dar arborele (a) înrădăcinat încearcă să identifice când diferite specii s-au îndepărtat de un strămoș comun, în timp ce arborele (b) fără rădăcini, nu. (Credit a: modificarea lucrării de Eric Gaba)

Într-un arbore înrădăcinat, ramificarea indică relații evolutive (Figura 20.3). Punctul în care are loc o scindare, un punct de ramificare, reprezintă locul în care o singură linie a evoluat într-una nouă distinctă. Numim o filiație care a evoluat timpuriu de la rădăcina care rămâne neramificată taxon bazal. Numim taxoni surori două linii care provin din același punct de ramificație. O ramură cu mai mult de două linii este o politomie și servește pentru a ilustra unde oamenii de știință nu au determinat definitiv toate relațiile. Rețineți că, deși taxonii surori și politomia au în comun un strămoș, aceasta nu înseamnă că grupurile de organisme s-au despărțit sau au evoluat unele de altele. Este posibil ca organismele din doi taxoni să se fi divizat într-un anumit punct de ramificare, dar niciunul dintre taxoni nu a dat naștere celuilalt.

Figura 20.3 Rădăcina unui arbore filogenetic indică faptul că o linie ancestrală a dat naștere tuturor organismelor de pe arbore. Un punct de ramificare indică locul în care două linii s-au separat. O descendență care a evoluat devreme și rămâne neramificată este un taxon bazal. Când două filiații provin din același punct de ramificare, sunt taxoni surori. O ramură cu mai mult de două linii este o politomie.

Diagramele de mai sus pot servi ca o cale de înțelegere a istoriei evoluției. Putem urmări calea de la originea vieții până la orice specie individuală navigând prin ramurile evolutive dintre cele două puncte. De asemenea, pornind de la o singură specie și urmărind înapoi spre „trunchiul” arborelui, se pot descoperi strămoșii speciilor, precum și locurile în care descendența împărtășește un ascendent comun. În plus, putem folosi arborele pentru a studia grupuri întregi de organisme.

Un alt punct de menționat despre structura arborelui filogenetic este că rotația la punctele de ramificație nu schimbă informațiile. De exemplu, dacă un punct de ramificare s-a rotit și ordinea taxonului s-ar schimba, acest lucru nu ar modifica informațiile deoarece evoluția fiecărui taxon din punctul de ramificare a fost independentă de celălalt.

Multe discipline din cadrul studiului biologiei contribuie la înțelegerea modului în care viața trecută și prezentă a evoluat în timp; aceste discipline împreună contribuie la construirea, actualizarea și menținerea „pomului vieții”. Sistematica este domeniul pe care oamenii de știință îl folosesc pentru a organiza și clasifica organismele pe baza relațiilor evolutive. Cercetătorii pot folosi date din fosile, din studiul structurilor părților corpului sau moleculele pe care le folosește un organism și analiza ADN-ului. Prin combinarea datelor din mai multe surse, oamenii de știință pot construi filogenia unui organism. Deoarece arborii filogenetici sunt ipoteze, ei vor continua să se schimbe pe măsură ce cercetătorii descoperă noi tipuri de viață și obțin informații noi.

Limitările arborilor filogenetici

Poate fi ușor să presupunem că organismele mai apropiate seamănă mai mult și, deși acest lucru este adesea cazul, nu este întotdeauna adevărat. Dacă două linii strâns legate au evoluat în medii semnificativ diferite, este posibil ca cele două grupuri să pară mai diferite decât alte grupuri care nu sunt atât de strâns legate. De exemplu, arborele filogenetic din Figura 20.4 arată că șopârlele și iepurii au ambii ouă amniotice; în timp ce broaștele nu. Cu toate acestea, șopârlele și broaștele par mai asemănătoare decât șopârlele și iepurii.

Figura 20.4 Un organism care nu avea o coloană vertebrală înrădăcinează acest arbore filogenetic asemănător unei scări de vertebrate. La fiecare punct de ramificație, oamenii de știință plasează organisme cu caractere diferite în grupuri diferite, pe baza caracteristicilor comune.

Un alt aspect al arborilor filogenetici este că, dacă nu se indică altfel, ramurile nu iau în considerare durata de timp, ci doar ordinea evolutivă. Cu alte cuvinte, lungimea unei ramuri nu înseamnă, de obicei, mai mult timp trecut, nici o ramură scurtă nu înseamnă mai puțin timp trecut – cu excepția cazului în care este specificat în diagramă. De exemplu, în Figura 20.4, arborele nu indică timpul trecut între evoluția ouălor amniotice și a părului. Ceea ce arată arborele este ordinea în care au avut loc lucrurile. Din nou folosind figura 20.4, arborele arată că cea mai veche trăsătură este coloana vertebrală, urmată de fălcile articulate și așa mai departe. Amintiți-vă că orice arbore filogenetic este o parte a întregului ansamblu și, ca un arbore adevărat, nu crește într-o singură direcție după ce se dezvoltă o nouă ramură. Astfel, pentru organismele din Figura 20.4, doar pentru că a evoluat o coloană vertebrală nu înseamnă că evoluția nevertebratelor a încetat. Înseamnă doar că s-a format o nouă ramură. De asemenea, grupurile care nu sunt strâns legate, dar evoluează în condiții similare, pot părea mai asemănătoare din punct de vedere fenotipic între ele decât cu o rudă apropiată.

Sursa: Biology 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2023 MultiMedia Publishing