5.4. طبقه بندی

تنعت

مفاهیم

  • به گروهی از موجودات که از یک جد مشترک تکامل یافته‌اند، کلاد[1] گفته می­‌شود.
  • با استفاده از توالی ژن یا توالی اسید آمینه می‌توان شواهدی را مبنی بر اینکه گونه‌ها بخشی از یک کلاد هستند، به دست آورد.
  • تنوع در توالی به تدریج رخ می‌دهد، بنابراین بین اختلاف دو گونه و میزان جدا شدن از یک جد مشترک، رابطه مثبت وجود دارد.
  • صفات می‌توانند مشابه یا همسان باشند.
  • کلادوگرام‌ها نمودارهای درختی هستند که بیشترین واگرایی در کلادها را نشان می­‌دهند.
  • شواهد نشان می­‌دهد که طبقه‌بندی‌ برخی از گروه‌ها بر اساس ساختارشان با ریشه­‌های تکاملی یک گونه‌ مطابقت ندارد.

کاردبرد علم

  • بررسی کلادوگرام­ انسان و سایر نخستی­‌ها.
  • طبقه‌بندی‌ مجدد خانواده علف خنازیر(گل میمونی)[2] با استفاده از شواهد شاخه‌بندی.

مهارت آموزی

  • بررسی کلادوگرام‌ها برای استنباط روابط تکاملی.

ماهیت علم

  • جعل نظریه­‌هایی که با نظریه دیگری جایگزین می‌شود: خانواده گیاهان در نتیجه شواهدبه دست آمده از شاخه­‌بندی، مجدداً طبقه‌بندی‌ شده‌اند.

کلادها

به گروهی از موجودات که از یک جد مشترک تکامل یافته‌اند، کلاد گفته می­‌شود.

گونه‌ها  با گذشت زمان تکامل یافته، تقسیم شده و گونه‌های جدیدی به وجود می­‌آورند. این مورد به طور مکرر در برخی از گونه‌های بسیار موفق سازگار شده‌ ­است؛ به طوری که اکنون گونه‌های زیادی وجود دارد که همگی از یک جد مشترک مشتق شده‌اند. با جستجوی ویژگی‌های مشترک می‌توان این گروه از گونه‌ها را شناسایی کرد. به گروهی از ارگانیسم­‌ها که از یک جد مشترک تکامل یافته‌اند، کلاد گفته می‌شود. کلاد شامل همه گونه‌های زنده امروزی، گونه‌های اجدادی مشترک و هر گونه‌ای است که از آن تکامل یافته و سپس منقرض شده است. کلادها می‌توانند بسیار بزرگ و شامل هزاران گونه یا بسیار کوچک و شامل چند گونه باشند. به عنوان مثال، پرندگان یک کلاد بزرگ با حدود ده هزار گونه زنده تشکیل می‌دهند زیرا همه آن‌ها از یک نیای مشترک تکامل یافته‌اند. درخت جینگو[3] تنها عضو زنده از کلادی است که حدود 270 میلیون سال پیش تکامل یافته است. گونه‌های دیگری نیز در این کلاد وجود داشته­‌اند اما اکنون همگی منقرض شده‌اند.

خمت

شناسایی اعضای کلاد

با استفاده از توالی ژن یا توالی اسید آمینه می‌توان شواهدی مبنی بر عضویت گونه‌ها  در بخشی از یک کلاد را ، به دست آورد.

 اینکه کدام گونه­‌ها از یک جد مشترک تکامل یافته­­‌اند همیشه مبهم است، بنابراین معمولاً این گونه­‌ها در یک کلاد قرار می­‌گیرند. دقیق­‌ترین شواهد گونه­‌ها از توالی ژن­‌ها یا اسیدهای آمینه به دست می‌­آید. گونه‌هایی که نزدیک­ترین جد مشترکشان یکسان است می‌توان انتظار داشت که در توالی بازی یا اسید آمینه‌­ای، تفاوت اندکی بایکدیگر داشته باشند. برعکس، گونه‌هایی که ممکن است از جنبه­‌های خاصی شبیه به هم باشند اما ده­‌ها میلیون سال پیش از یک جد مشترک جدا شده­اند، احتمالاً تفاوت‌های زیادی دارند.

ساعت‌­های مولکولی

تنوع در توالی به تدریج رخ می‌دهد، بنابراین بین اختلاف دو گونه و میزان جدا شدن از یک جد مشترک، رابطه مثبت وجود دارد.

تفاوت در توالی DNA و توالی اسیدهای آمینه نتیجه جهش است. جهش‌­ها در دوره­‌های طولانی مدت به تدریج جمع می‌شوند. شواهدی وجود دارد که نشان می­‌دهد، جهش­ با سرعت تقریباً ثابتی اتفاق می‌افتد، بنابراین می‌توان از میزان رخ دادن آن‌ها به عنوان ساعت مولکولی استفاده کرد. با استفاده از تعداد اختلاف توالی­‌ها می‌توان مدت زمانی  که گونه‌ها از یک جد مشترک جدا شده‌­اند، را تخمین زد.

به عنوان مثال، DNA میتوکندری سه انسان و چهار نخستی وابسته به طور کامل توالی­‌ یابی شده‌­است. از تفاوت در توالی آن­‌ها، یک نسبت فرضی ساخته شده است که در شکل شماره 2 نشان داده شده است. با استفاده از تفاوت توالی­‌ها به عنوان یک ساعت مولکولی، تاریخ‌های تقریبی برای جدا شدن این گروه‌­ها از یکدیگر تخمین زده شده‌­است :

  • 70 هزار سال پیش، انسان­های اروپایی­-ژاپنی­ از هم جدا شدند.
  • 140 هزار سال پیش، انسان­‌های آفریقایی­-اروپایی­‌ها/ ژاپنی از هم جدا شدند.
  • 5 میلیون سال پیش، انسان و شامپانزه از یکدیگر جدا شدند.

نم

صفات مشابه و همسان

صفات می‌توانند مشابه[1] یا همسان[2] باشند.

شباهت بین ارگانیسم­‌ها ممکن است همولوگ یا آنالوگ باشد.

  • ساختارهای همولوگ به خاطر داشتن جد مشترک مشابه، شبیه به هم هستند. به عنوان مثال بال مرغ، بازوی انسان و سایر اندام‌های جلویی پنجه­‌داران.
  • ساختارهای مشابه به دلیل تکامل همگرا شبیه یکدیگر هستند. چشم انسان و هشت پا از نظر ساختار و عملکرد شباهت­‌هایی دارند. با وجود این‌که به طور مستقل تکامل یافته‌اند اما مشابه هستند.

تمایز بین ساختارهای همولوگ و آنالوگ گاهی باعث طبقه‌بندی اشتباه‌ در گذشته شده است. به همین دلیل در حال حاضر از مورفولوژی (شکل و ساختار) موجودات به ندرت برای شناسایی اعضای یک کلاد استفاده می‌شود و توالی بازی یا اسیدهای آمینه بیشتر مورد اعتماد است.خحتا

کلادوگرام

کلادوگرام‌ها نمودارهای درختی هستند که بیشترین واگرایی در کلادها را نشان می­‌دهند.

کلادوگرام نمودار درختی است که بر اساس شباهت­‌ها و تفاوت‌های بین گونه‌های یک کلاد رسم می­‌شود. کلادوگرام­‌ها تقریباً همیشه براساس توالی نوکلئوتیدی یا اسیدهای آمینه ساخته می‌شوند. نرم­افزارهای رایانه­‌ای وجود دارند که محاسبه می‌کنند چگونه گونه‌های یک کلاد با کمترین تغییر توالی باز یا اسید آمینه تکامل یافته‌اند.تنمه

این فرآیند با نام اصل زوجیت[1] شناخته می‌شود و اگرچه ثابت نمی‌کند که چگونه یک کلاد در حقیقت تکامل یافته است، اما محتمل‌ترین توالی واگرایی در کلادها را نشان می‌­دهد.

به نقاط انشعاب روی کلادوگرام‌ها، گره[2] گفته می‌شود. معمولاً دو کلاد از یک گره منشعب می‌شوند اما گاهی اوقات سه یا تعداد بیشتری گره وجود دارد. گره، نشان دهنده وجود یک گونه اجدادی فرضی است که دو یا چند گونه از آن منشعب شده‌اند. گره B، ساخت کلادوگرام از توالی بازی با استفاده از نرم افزار رایانه‌­ای است.

شکل شماره 4، نمونه‌ای از کلادوگرام برای پرندگان و خزندگان است. که براساس مورفولوژی بنا شده است، بنابراین شامل گروه‌های منقرض شده نیز می­‌باشد.

  • پرندگان، دایناسورهای غیر مرغی و گونه‌های اجدادیA، کلاد دایناسور را شکیل می‌دهند.
  • پرندگان، دایناسورهای غیر مرغی، تمساح و گونه‌های اجدادی B بخشی از یک کلاد به نام شاه خزندگان[1] هستند.
  • مارمولک‌ها، مارها و گونه‌های اجدادی C کلادی تشکیل می­‌دهند که پولک­داران[2] نامیده می‌شود.

در این کلادوگرام، پرندگان به عنوان خزنده در نظر گرفته می­‌شوند یا این‌ که خزندگان باید به دو یا چند زیرگروه تقسیم شوند، زیرا بعضی از خزندگان نسبت به سایر خزندگان، ارتباط نزدیکی با پرندگان دارند.حجخ

کلادوگرام نخستی­‌سانان

بررسی کلادوگرام­ انسان و سایر نخستی­‌ها.

نزدیک‌ترین خویشاوندان انسان‌؛ شامپانزه و بوبون[3] هستند. کل ژنوم این سه گونه توالی یابی شده‌است و شواهد بسیار محکمی در مورد ساخت یک کلادوگرام ارائه شده‌ است(شکل شماره6). اعداد روی کلادوگرام نشان­‌دهنده تخمین اندازه­‌های جمعیت و تاریخ وقوع انشعابات است که بر اساس ساعت مولکولی با نرخ جهش9-10 در سال است.

شکل شماره 6 یک کلادوگرام برای پستانداران و نزدیک­ترین خویشاوندان آن­‌هاست. نخستی­‌ها دسته­‌ای از پستاندارن هستند که سازگاری‌هایی برای بالا رفتن از درخت دارند. انسان، میمون، بوبون، گیبون­‌ها و لمورها از جمله نخستی­‌سانان هستند.

تو

تجزیه و تحلیل کلادوگرام‌­هامها

بررسی کلادوگرام‌ها برای استنباط روابط تکاملی.

فرض بر این است که الگوی شاخه بندی در یک کلادوگرام با ریشه­‌های تکاملی هر گونه مطابقت دارد. توالی انشعابات در گره­‌ها یک توالی فرضی است که در آن اجداد کلادهای موجود از هم جدا می‌شوند. اگر دو کلاد در یک کلادوگرام در محل یک گره­ به هم پیوند خورده باشند، نشان می­‌دهد که نسبتاً نزدیک به هم هستند. اگر دو گونه فقط از طریق یک سری گره به هم متصل شوند ارتباط کمتری با هم دارند.

برخی از کلادوگرام‌ها فقط از اعداد برای نشان دادن تعداد تفاوت در توالی باز یا اسید آمینه ژن­‌ها استفاده می­‌کنند. از آنجا که تغییرات ژنتیکی با سرعت نسبتاً ثابتی روی می­‌دهند، می‌توان از این اعداد برای تخمین میزان اختلاف نسبت به گذر زمان استفاده کرد. این روش تخمین زمان را ساعت مولکولی می‌­نامند. برخی از کلادوگرام‌ها با توجه به برآورد چند سال پیش که در هر تقسیم رخ داده است مقیاس­‌بندی می‌­شوند.

گرچه کلادوگرام‌ها می‌توانند شواهد محکمی برای تاریخ تکاملی یک گروه ارائه دهند اما نمی‌توان آن‌ها را بطور کامل اثبات کرد. کلادوگرام‌ها با این فرض ساخته می‌شوند که کمترین تعداد جهش ممکن در توالی بازی رخ داده است. گاهی اوقات این فرض نادرست است و مسیرهای تکامل پیچیده‌­تر هستند. بنابراین مهم است که در تجزیه و تحلیل کلادوگرام‌ها احتیاط شود و در صورت امکان چندین نسخه که با استفاده از ژن­‌های مختلف به طور مستقل تولید شده‌اند با یکدیگر مقایسه شوند.

طرح سوال مبتنی بر داده: منشأ لاکپشت ومارمولک

کلادوگرام­‌های ساخته شده بر اساس مورفولوژی، نشان می‌دهد که لاک پشت­‌ها و مارمولک‌ها از یک کلاس نیستند. برای آزمایش این فرضیه ژن­‌های microRNA در ۹ گونه از طنابداران مقایسه شده است. از نتایج این مطالعه برای ساخت کلادوگرام شکل شماره ۸ استفاده شده است. اعداد موجود در کلادوگرام نشان می‌دهد که ژن های microRNA در یک کلاد مشابه هستند و در سایر کلادها شبیه نیستند. به عنوان مثال شش ژن microRNA در انسان و تَک­‌زهدان­‌ها[1] یافت می‌شود اما در سایرطنابداران روی کلادوگرام وجود ندارد.

  • آیا انسان با تک‌­زهدان­‌ها یا اردک پلاتوپوس ارتباط نزدیک دارد؟ با استفاده از شواهد موجود در کلادوگرام استنباط کنید.
  • چه تعداد ژن microRNA در پستاندار روی کلادوگرام وجود دارد که در سایر کلادها شناسایی نمی­‌شود؟
  • با توجه به شواهد موجود در کلادوگرام آیا این فرضیه که لاک پشت­‌ها و مارمولک‌ها در یک کلاس نیستند تأیید می‌شود یا خیر؟
  • طبقه‌بندی‌ سنتی طنابداران چهاراندامی[1] مانند دوزیستان، خزندگان، پرندگان و پستانداران با استفاده از شواهد موجود در کلادوگرام، ارزیابی کنید.

/ک

 

کلادوگرام­‌ها و طبقه‌بندی‌ مجدد

شواهد نشان می­‌دهد که طبقه‌بندی‌ برخی از گروه‌ها بر اساس ساختارشان با ریشه­‌های تکاملی یک گونه‌ مطابقت ندارد.

ساخت کلادوگرام‌ها بر اساس توالی باز و اسیدهای آمینه در اواخر قرن بیستم. تا قبل از آن به دلیل در دسترس نبودن توالی­‌ها و نبود نرم افزارهای رایانه‌­ای برای تجزیه و تحلیل، این کار امکان پذیر نبود.

فرآیند ساخت كلادوگرام­‌ها و شناسایی کلادها با نام شاخه‌­بندی[1] معرفی می‌شود. شاخه‌­بندی باعث ایجاد برخی تغییرات در طبقه‌بندی‌ کلاسیک گیاهان و حیوانات شده‌­ است. اکنون از روی کلادوگرام‌ها مشخص شده­‌است که طبقه‌بندی‌ سنتی بر اساس ریخت شناسی، همیشه با منشأ تکاملی گونه‌ها مطابقت ندارد. در نتیجه برخی گروه‌ها، مجدداً طبقه‌بندی‌ شده‌اند؛ برخی گروه‌ها با یکدیگر ادغام شده‌اند، گروه‌های دیگر تقسیم شده و در بعضی موارد گونه‌ها از یک گروه به گروه دیگر منتقل شده‌اند.

طبقه‌بندی‌ مجدد ارگانیسم­‌ها زمان­بر و به طور بالقوه مُخِل است اما مطمئناً ارزشمند است. طبقه‌بندی‌های جدید احتمالاً بسیار نزدیک به طبقه‌بندی‌ واقعی هستند بنابراین ارزش پیش بینی آن‌ها بالاتر خواهد بود.

در طبقه­‌بندی­‌های جدید، برخی از شباهت­‌های بین گروه‌ها و همچنین برخی از تفاوت­‌های قابل توجه بین گونه‌هایی که قبلاً شبیه به هم فرض شده بودند، نشان داده می­‌شود.

کلادوگرام و تحریف

جعل نظریه­‌هایی که با نظریه دیگری جایگزین می‌شود: خانواده گیاهان در نتیجه شواهدی از شاخه­‌بندی، مجدد طبقه‌بندی‌ شده‌اند.

طبقه‌بندی‌ مجدد گیاهان بر اساس اکتشافات جدید و بروز رسانی طبقه‌بندی‌، نمونه خوبی از یک فرایند مهم در علم است؛ آزمایش و بررسی نظریه­های جدید و جایگزینی آن­‌ها به جای نظریه­­‌هایی که اشتباه هستند. طبقه­‌بندی نهان دانگان بر اساس ریخت­‌شناسی در خانواده‌های متفاوت گیاهی توسط گیاه شناس فرانسوی، آنتوان لوران دوژیسو[2] در نشریه Genera plantarum آغاز شد، که در سال ۱۷۸۹ منتشر شد و در قرن ۱۹ بارها مورد تجدید نظر قرار گرفت.

طبقه‌بندی‌ خانواده گل میمونی[3]

طبقه‌بندی‌ مجدد خانواده گل میمونی با استفاده از شواهد شاخه‌بندی.

بیش از ۴۰۰ خانواده در نهان­­دان‌گان وجود دارد. هشتمین خانواده بزرگ شناخته­‌شده تیره گل میمون[4] است. در سال 1789، آنتوان لوران د ژوسیو[5]گیاه­‌شناس فرانسوی، بر اساس شباهت­‌های مورفولوژی این خانواده را به ۱۶ جنس تقسیم­‌بندی کرد. با کشف گیاهان بیشتر، تعداد اعضای این خانواده به بیش از ۲۷۵ جنس و بیش از ۵۰۰۰ گونه رسید.

تاکسونومیست­‌ها اخیراْ منشأ تکاملی خانواده گل میمونی را با استفاده از شاخه‌­بندی بررسی کردند. یک پروژه تحقیقاتی توالی پایه ۳ ژن کلروپلاست را در تعداد زیادی از گونه‌ها در جنس‌هایی که به طور سنتی در این خانواده و خانواده‌های نزدیک به آن قرار می­‌گیرند، مقایسه کرد. شواهد بدست آمده از بررسی‌های وی نشان داد  که گونه‌های خانواده گل میمونی در یک کلاس درست قرار نگرفته­‌اند و پنج کلاس به اشتباه در یک خانواده ترکیب شده‌اند.

کخه

اکنون یک طبقه‌بندی مجدد انجام شده است. کمتر از نیمی از گونه‌ها در خانواده حفظ شده‌اند که اکنون فقط سی و شش گونه نهان دانه‌ هستند. خلاصه‌ای از تغییرات در شکل شماره ۹ نشان داده شده است.

مهن

خودآزمایی

نمودارهای میله‌ای در شکل شماره 12، رشد سه جمعیت از یک جلبک به نام Ectocarpus siliculosus را در غلظت­‌های مختلف مس نشان می‌دهد. یک جمعیت متعلق به محیط تمیز در شهر رزنیگر[1] است. دو جمعیت  دیگر از زیر کشتی­‌هایی جمع­­‌آوری شدند که با رنگ ضد رسوب حاوی مس رنگ‌­آمیزی شده بودند.

  • چه غلظتی از مسی در جلبک‌های جمع­‌ شده از کشتی نسبت به جلبک­‌های محیط تمیز قابل تحمل است؟

الف) 0.09 برابر بیشترهلن

ج) 1.0 برابر بیشتر

ب) 0.11 برابر بیشتر

د) 10 برابر بیشتر.

  • دلیل نتایج کمتر از صفر در نمودارهای میله‌ای چیست؟

الف) حجم جلبک‌ها کاهش یافته­ است.

ب) جلبک­‌ها همه مرده‌­اند.

ج) افزایش حجم کمتر از 100٪ بود.

د) نتایج برای اندازه گیری دقیق بسیار کوچک بودند.

  • دلیل تفاوت تحمل مس بین جلبک‌ها چیست؟

الف) جلبک‌های موجود در کشتی­‌ها مس را جذب می‌کنند.lk

ب) جلبک‌ها می‌توانند ویژگی تحمل مس را در خود ایجاد کرده و آن را به فرزندان خود منتقل کنند.

ج) مس موجود در رنگ باعث جهش شده است.

د) مس موجود در رنگ باعث انتخاب طبیعی برای سطوح بالاتر تحمل مس شده است.

  • کدام یک از فرایندهای زیر برای ایجاد تحمل مس در یک جمعیت مورد نیاز است؟

(i) تغییر در تحمل مس

(ii) وراثت تحمل مس

(iii) از بین رفتن جلبک‌ها با تحمل مس پایین برای زنده ماندن یا تولید مثل.

الف) فقط i

ب) فقط i و ii

ج) فقط i  وIII

د) i، ii و III.

  • در شکل شماره 13، هر عدد یک گونه را نشان می‌دهد. هرچه دو عدد به نمودار نزدیکتر باشد، دو گونه شبیه‌­تر هستند. این حلقه­‌ها گروه‌های طبقه‌بندی‌­شده را نشان می­‌دهند. به عنوان مثال، نمودار نشان می‌دهد که 2، 3، 4 و 5 از یک جنس هستند.

الف) گونه‌­ای را مشخص کنید که در یک جنس باشد و هیچ گونه دیگری نداشته باشد. [1]

ب) گونه‌هایی را که در یک خانواده قرار دارند با دو جنس بیان کنید. [2]

ج) گونه‌هایی را مشخص کنید که در یک رده با دو خانواده هستند. [2]

د) گونه‌هایی را مشخص کنید که در یک کلاس با سه رده هستند. [2]

ه) آیا گونه 8 ارتباط بیشتری با گونه 16 یا 6 دارد؟ چرا؟

و) چرا سه دایره متحدالمرکز در اطراف گونه‌های 34 روی نمودار ترسیم شده است؟ توضیح دهید.خه

  • نقشه در شکل شماره 14 توزیع دو پروانه شب فلفلی در انگلیس و ایرلند در دهه 1950 را نشان می‌دهد. پروانه شب فلفلی گونه‌ای از شب پره است که شب­‌ها پرواز می­‌کند و روز را روی پوست درختان می‌گذراند. فرم غیر ملانیک دارای بال­‌های سفید است که با لکه‌های سیاه فلفلی شده است. اما فرم ملانیک دارای بال­‌های سیاه است. قبل از انقلاب صنعتی، شکل ملانیک بسیار نادر بود.

الف) تعداد حداکثر و حداقل درصد فرم پروانه ملانیک را بیان کنید. [2]

ب) روند توزیع دو شکل پروانه فلفلی را که در شکل شماره 14 نشان داده شده است، مشخص کنید. [2]

ج) چگونه انتخاب طبیعی باعث ایجاد نشانه­‌های استتاری در بال پروانه­‌هایی مانند پروانه شب فلفلی می‌­شود؟ توضیح دهید. [4]

د) دلایل توزیع این دو فرم را مطرح کنید. [2]

 

[1] Rhosneigr

[1] cladistics

[2] Antoine Laurent de Jussieu

[3] Figwart

[4] Scrophulariaceae

[5] Antoine Laurent de Jussieu

 

[1] tetrapod chordates

[1] short-tailed opossums

[1] archosaurs

[2] squamates

[3] bonobos

 

[1] principle of parsimony

[2] node

[1] analogous

[2] homologous

[1] clade

[2] FIGWART

[3] Ginkgo biloba

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید