20.2 Ákvörðun þróunartengsla

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Borið saman samstæð og hliðstæð einkenni
• Rætt tilgang klæðagreiningar
• Lýst reglunni um hámarkssparsemi

Vísindamenn verða að safna nákvæmum upplýsingum sem gera þeim kleift að ákvarða þróunartengsl milli lífvera. Líkt og í rannsóknarvinnu lögreglu verða vísindamenn að nota sönnunargögn til að leiða staðreyndir í ljós. Þegar þróunarsaga er rannsökuð beinist athyglin að tvenns konar sönnunargögnum: formfræðilegum gögnum, það er lögun og virkni, og erfðafræðilegum gögnum.

Tvenns konar líkindi

Almennt eru lífverur sem deila svipuðum líkamlegum einkennum og erfðamengjum skyldari en þær sem gera það ekki. Einkenni sem skarast bæði formfræðilega, það er í byggingu, og erfðafræðilega kallast samstæðar byggingar. Þær eiga rætur í þroskunarlíkindum sem byggjast á þróun. Til dæmis eru beinin í vængjum leðurblaka og fugla samstæðar byggingar. Þetta er dæmi um formfræðilega samstæðu (mynd 20.7).

Takið eftir að hér er ekki aðeins um eitt bein að ræða, heldur hóp nokkurra beina sem raðast upp á svipaðan hátt. Því flóknara sem einkennið er, því líklegra er að hvers konar skörun stafi af sameiginlegri þróunarsögu. Ímyndið ykkur tvo einstaklinga frá ólíkum löndum sem finna báðir upp bíl með öllum sömu hlutum í nákvæmlega sömu röð, án fyrri eða sameiginlegrar þekkingar. Slík niðurstaða væri afar ólíkleg. Ef tveir einstaklingar fyndu hins vegar báðir upp hamar mætti með sanngirni álykta að báðir hefðu getað fengið upprunalegu hugmyndina án aðstoðar hins. Sama samband milli flækjustigs og sameiginlegrar þróunarsögu á við um samstæðar byggingar í lífverum.

Villandi útlit

Sumar lífverur geta verið mjög náskyldar þótt lítil erfðabreyting hafi valdið miklum formfræðilegum mun sem lætur þær líta mjög ólíkt út. Á sama hátt geta fjarskyldar lífverur virst mjög líkar. Þetta gerist venjulega vegna þess að báðar lífverurnar hafa sameiginlegar aðlaganir sem þróuðust við svipuð umhverfisskilyrði. Þegar svipuð einkenni koma fram vegna umhverfislegra takmarkana en ekki vegna náins þróunarskyldleika kallast það hliðstæða eða samleitni. Til dæmis nota skordýr vængi til flugs líkt og leðurblökur og fuglar, en vængbyggingin og fósturfræðilegur uppruni eru gjörólík. Þetta eru hliðstæðar byggingar (mynd 20.8). Hins vegar eru vængir fugla og leðurblaka samstæðir að því leyti að beinin eru arfur frá sameiginlegum forföður, en vængirnir sjálfir eru hliðstæðir þar sem þeir þróuðust sjálfstætt.

Svipuð einkenni geta annaðhvort verið samstæð eða hliðstæð. Samstæðar byggingar hafa svipaðan fósturfræðilegan uppruna. Hliðstæð líffæri hafa svipaða virkni. Til dæmis eru beinin í framhreifa hvals samstæð beinum í handlegg manns. Þessar byggingar eru ekki hliðstæðar. Vængir fiðrildis eða fugls eru hliðstæðir en ekki samstæðir. Vísindamenn verða að ákvarða hvers konar líkindi einkenni sýnir til að ráða í þróunarsögu lífveranna.

Tengill á námsefni

Þessi vefsíða hefur nokkur dæmi sem sýna hvernig útlit getur verið villandi þegar þróunartengsl lífvera eru túlkuð.

Sameindasamanburður

Framfarir í DNA-tækni hafa leitt til sameindakerfisfræði, það er notkunar sameindagagna í flokkunarfræði og líflandafræði. Ný tölvuforrit staðfesta ekki aðeins margar eldri flokkanir lífvera heldur afhjúpa einnig fyrri mistök. Eins og með líkamleg einkenni getur jafnvel DNA-röð verið vandasöm í lestri í sumum tilvikum. Í sumum aðstæðum geta tvær mjög náskyldar lífverur virst óskyldar ef stökkbreyting olli hliðrun í erfðakóðanum. Innskots- eða úrfellingarstökkbreyting færir hvern kirnabasa um eitt sæti og getur því látið tvo svipaða kóða virðast óskylda.

Stundum deila tveir DNA-bútar í fjarskyldum lífverum af tilviljun háu hlutfalli basa á sömu stöðum, sem veldur því að lífverurnar virðast náskyldar þótt þær séu það ekki. Í báðum þessum aðstæðum hjálpar tölvutækni til við að greina raunveruleg tengsl. Að lokum er samtvinnuð notkun formfræðilegra og sameindafræðilegra upplýsinga áhrifaríkari við að ákvarða þróunarsögu.

Þróunartenging

Hvers vegna skiptir þróunarsaga máli?

Þróunarlíffræðingar gætu talið upp margar ástæður fyrir því hvers vegna skilningur á þróunarsögu er mikilvægur í daglegu lífi mannlegs samfélags. Fyrir grasafræðinga getur þróunarsaga verið leiðarvísir að nýjum plöntum sem nýtast fólki. Hugsaðu um allar leiðirnar sem menn nota plöntur: til matar, lyfja og fatnaðar, svo nokkur dæmi séu nefnd. Ef planta inniheldur efnasamband sem virkar gegn krabbameini gætu vísindamenn viljað rannsaka önnur efnasambönd skyldra plantna með tilliti til gagnlegra lyfja.

Rannsóknarteymi í Kína greindi DNA-bút sem það taldi vera sameiginlegan sumum lækningajurtum í ættinni Fabaceae, belgjurtaættinni (mynd 20.9). Teymið vann að því að greina hvaða tegundir hefðu þennan bút. Eftir að hafa prófað plöntutegundir í þessari ætt fann teymið DNA-merki, þekkta staðsetningu á litningi sem gerði þeim kleift að bera kennsl á tegundina. Með því að nota DNA til að leiða í ljós þróunartengsl gat teymið síðan greint hvort nýfundin planta tilheyrði þessari ætt og metið mögulega lækningaeiginleika hennar.

Smíði þróunartrjáa

Hvernig smíða vísindamenn þróunartré? Eftir að þeir hafa flokkað samstæð og hliðstæð einkenni skipuleggja vísindamenn oft samstæð einkenni með klæðagreiningu. Þetta kerfi raðar lífverum í klæði: hópa lífvera sem eru komnir af einum forföður. Til dæmis þróuðust allar lífverurnar á appelsínugula svæðinu á mynd 20.10 frá einum forföður sem hafði líknarbelgsegg. Þess vegna hafa þessar lífverur einnig líknarbelgsegg og mynda eitt klæði, eða einættan hóp. Klæði verða að innihalda alla afkomendur frá greiningarpunkti.

Myndatengsl

Hvaða dýr á þessari mynd tilheyra klæði sem inniheldur dýr með hár? Hvort þróaðist fyrst, hár eða líknarbelgsegg?

Kanínur og menn tilheyra klæðinu sem inniheldur dýr með hár. Líknarbelgsegg þróaðist á undan hári vegna þess að Amniota-klæðið er stærra en klæðið sem nær yfir dýr með hár.

Klæði geta verið misstór eftir því hvaða greiningarpunkt er miðað við. Mikilvægast er að allar lífverur í klæðinu, eða einætta hópnum, eigi rætur að rekja til eins punkts á trénu. Þetta má muna með því að orðið einætta vísar til eins uppruna og þróunartengsla. Mynd 20.11 sýnir nokkur dæmi um klæði. Takið eftir hvernig hvert klæði kemur frá einum punkti, en hópar sem eru ekki klæði sýna greinar sem deila ekki einum punkti.

Myndatengsl

Hvert er stærsta klæðið á þessari skýringarmynd?

Stærsta klæðið nær yfir allt tréð.

Sameiginleg einkenni

Lífverur þróast frá sameiginlegum forfeðrum og verða síðan fjölbreyttar. Vísindamenn nota hugtakið „afkoma með breytingum“ vegna þess að þótt skyldar lífverur hafi mörg sömu einkenni og erfðakóða verða breytingar. Þetta mynstur endurtekur sig þegar farið er í gegnum þróunartré lífsins:

• Breyting á erfðasamsetningu lífveru leiðir til nýs eiginleika sem verður ríkjandi í hópnum.
• Margar lífverur koma af þessum punkti og hafa þennan eiginleika.
• Nýr breytileiki heldur áfram að koma fram; sumt er aðlögunarhæft og varðveitist, sem leiðir til nýrra eiginleika.
• Með nýjum eiginleikum myndast nýr greiningarpunktur. Farðu aftur í skref 1 og endurtaktu.

Ef einkenni finnst hjá forföður hóps telst það sameiginlegt forfeðraeinkenni, því allar lífverur í flokkunareiningunni eða klæðinu búa yfir því einkenni. Hryggsúla á mynd 20.10 er sameiginlegt forfeðraeinkenni. Skoðum nú líknarbelgsegg á sömu mynd. Aðeins sumar lífverurnar á mynd 20.10 hafa þennan eiginleika, og hjá þeim kallast hann sameiginlegt afleitt einkenni, því eiginleikinn kom fram á tilteknum tímapunkti en nær ekki til allra forfeðra í trénu.

Það vandasama við sameiginleg forfeðraeinkenni og sameiginleg afleidd einkenni er að hugtökin eru afstæð. Sama einkenni getur talist annað hvort, eftir því hvaða skýringarmynd er notuð. Ef við snúum aftur að mynd 20.10 sést að líknarbelgsegg er sameiginlegt forfeðraeinkenni fyrir eðlur, kanínur og menn, en hár er sameiginlegt afleitt einkenni aðeins fyrir menn og kanínur. Fyrir líknarbelgsdýr sem hóp er líknarbelgsegg hins vegar sameiginlegt afleitt einkenni sem sést ekki hjá fiskum. Þessi hugtök hjálpa vísindamönnum að greina á milli klæða þegar þeir smíða þróunartré.

Val á réttum tengslum

Ímyndaðu þér að þú berir ábyrgð á að skipuleggja allar vörur í stórverslun rétt; það væri yfirþyrmandi verkefni. Að skipuleggja þróunartengsl alls lífs á jörðinni er mun erfiðara: vísindamenn þurfa að brúa gríðarleg tímabil og vinna með upplýsingar frá löngu útdauðum lífverum. Að ráða í réttu tengslin, sérstaklega þegar samstæður og hliðstæður eru til staðar, gerir smíði nákvæms lífsins trés afar erfiða. Við þetta bætast framfarir í DNA-tækni, sem veita rannsakendum nú mikið magn erfðaraða til notkunar og greiningar. Flokkunarfræði er matsbundin fræðigrein: margar lífverur hafa fleiri en ein tengsl hver við aðra og því þarf hver flokkunarfræðingur að ákveða röð tengslanna.

Til að auðvelda það gríðarlega verkefni að lýsa þróunarsögum nákvæmlega nota vísindamenn oft hugtakið hámarkssparsemi, sem merkir að atburðir hafi gerst á einfaldasta og augljósasta hátt. Ef hópur fólks færi til dæmis inn á skógarfriðland til að ganga mætti, út frá reglunni um hámarkssparsemi, spá því að flestir myndu ganga á tilbúnum stígum fremur en ryðja nýja.

Fyrir vísindamenn sem ráða í þróunarferla er sama hugmynd notuð: þróunarferillinn inniheldur líklega fæsta meiriháttar atburði sem samræmast fyrirliggjandi sönnunargögnum. Með því að byrja á öllum samstæðum einkennum í hópi lífvera leita vísindamenn að augljósustu og einföldustu röð þróunaratburða sem leiddu til þess að þessi einkenni komu fram.

Tengill á námsefni

Farðu á þessa vefsíðu til að læra hvernig rannsakendur nota hámarkssparsemi til að búa til þróunartré.

Þessi verkfæri og hugtök eru aðeins nokkrar af þeim aðferðum sem vísindamenn nota til að takast á við það verkefni að afhjúpa þróunarsögu lífs á jörðinni. Ný tækni hefur nýlega leitt í ljós óvæntar uppgötvanir með óvæntum tengslum, til dæmis að menn virðast skyldari sveppum en sveppir eru plöntum. Hljómar það ótrúlega? Eftir því sem upplýsingar um DNA-raðir aukast komast vísindamenn nær því að kortleggja þróunarsögu alls lífs á jörðinni.