فیلوژنی و درخت فیلوژنیک — هر آنچه باید بدانید

فیلوژنی (Phylogeny) یا تبارزایش بررسی روابط بین گروه‌های مختلف ارگانیسم‌ها و ​​رشد تکاملی آن‌ها است. فیلوژنی تلاش ‌می‌کند تا تاریخ تکاملی زندگی تمام موجودات روی کره زمین را ردیابی کند. این علم مبتنی بر فرضیه فیلوژنتیک است که بر طبق آن همه موجودات زنده یک جد مشترک دارند. روابط بین ارگانیسم‌ها در آنچه به عنوان «درخت فیلوژنتیک» (Phylogenetic Tree) شناخته ‌می‌شود، نشان داده شده است. روابط فیلوژنتیکی توسط خصوصیات مشترک بین ارگانیسم‌ها تعیین ‌می‌شود، به عنوان مثال، این روابط از طریق مقایسه شباهت‌‌های ژنتیکی و آناتومیکی موجودات زنده با یکدیگر نشان داده ‌می‌شود.

در فیلوژنی مولکولی (Molecular Phylogeny)، از تجزیه و تحلیل DNA و ساختار پروتئین برای تعیین روابط ژنتیکی موجودات مختلف استفاده ‌می‌شود. به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل پروتئین سیتوکروم C، پروتئین موجود در میتوکندری سلول که در سیستم حمل و نقل الکترونی و تولید انرژی فعالیت ‌می‌کند، برای تعیین درجه ارتباط بین ارگانیسم‌‌ها براساس شباهت‌‌های توالی اسید‌های آمینه در سیتوکروم C مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار‌هایی مانند DNA و پروتئین‌‌ها برای ایجاد یک درخت فیلوژنتیک بر پایه صفات مشترک ارثی به کار می‌روند.

فیلم آموزش ژنتیک مولکولی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

فیلوژنی چیست؟

فیلوژنی مطالعه پیشرفت تکاملی گروه‌های ارگانیسمی است. روابط براساس این ایده یا فرضیه ‌مطرح می‌شوند که تمام موجودات زنده از یک جد مشترک به وجود آمده‌اند. روابط بین ارگانیسم‌‌ها با ویژگی‌‌های مشترک مشخص ‌می‌شود، این ویژگی‌ها از طریق مقایسه ژنتیکی و آناتومیکی نشان داده می‌شوند.

روابط فیلوژنی در یک نمودار معروف به نام درخت فیلوژنتیک نشان داده می‌شود. شاخه‌‌های درخت نمایانگر نسب اجدادی و یا فرزندان هستند. ارتباط بین گونه‌‌ها در یک درخت فیلوژنی با مشتق شدن یک جد مشترک نزدیک ‌مشخص ‌می‌شود.

فیلوژنی و آرایه شناسی یا تاکسونومی (Taxonomy) دو سیستم برای طبقه‌بندی موجودات در زیست شناسی سیستماتیک هستند. در حالی که هدف از فیلوژنی بازسازی درخت تکاملی زندگی است، تاکسونومی ‌از طبقه‌بندی سلسله مراتبی برای دسته‌بندی، نام‌گذاری و شناسایی ارگانیسم‌‌ها استفاده ‌می‌کند.

درخت فیلوژنتیک

یک درخت فیلوژنتیک (درخت تبارزایی) یا یک کلادوگرام (Cladogram)، یک نمودار شماتیک است که به عنوان یک تصویر بصری از روابط تکاملی پیشنهادی در بین گونه‌‌ها استفاده ‌می‌کند. درختان فیلوژنتیک براساس مفروضات شاخه‌بندی یا سیستماتیک فیلوژنتیک ترسیم ‌می‌شوند.

فیلم آموزش تکامل موجودات زنده – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

همان طور که در ارگانیسم‌ها توسط ویژگی‌های ژنتیکی، آناتومیکی و مولکولی طبقه‌بندی صورت می‌گیرد، شاخه‌بندی (Cladistics) نیز یک سیستم طبقه‌بندی است که ارگانیسم‌‌ها را بر پایه صفات مشترک یا سیناپومورفی (Synapomorphies) یا هم جداریختی (خصوصیتی که نسبت به اجداد مستقیم دارای تغییر وضعیت باشد را جداریختی یا آپومورفی می‌گویند و جداریختی مشترک بین دو یا چند نمونه را سیناپومورفی می‌نامند) طبقه‌بندی ‌می‌کند، مفروضات اصلی شاخه‌بندی عبارتند از:

• همه ارگانیسم‌‌ها از یک جد مشترک منشعب شده باشند.
• ارگانیسم‌‌های جدید وقتی جمعیت موجود به دو گروه تقسیم ‌می‌شوند، توسعه ‌می‌یابند.
• با گذشت زمان، در خصوصیات نسل‌های مختلف تغییر ایجاد می‌شود.

نکاتی در مورد درخت فیلوژنی

• درخت فیلوژنتیک نموداری است که بیانگر روابط تکاملی بین ارگانیسم‌ها است. اطلاعات درختان فیلوژنتیک بر پایه فرضیات هستند و همه آن‌ها واقعیت قطعی ندارند.
• الگوی انشعاب در یک درخت فیلوژنتیک نشان دهنده چگونگی تکامل گونه‌ها یا گروه‌های مختلف از یک سری اجداد مشترک است.
• در درختان فیلوژنتیک، در صورت داشتن یک جد مشترک نزدیک دو گونه بسیار به هم مرتبط هستند و در صورت داشتن جد مشترک دور، دو گونه ارتباط کمتری با هم دارند.
• درختان فیلوژنتیک را می‌توان در سبک‌های مختلف رسم کرد. چرخاندن درخت در محل نقاط شاخه آن، اطلاعاتی را که در آن وجود دارد را تغییر نمی‌دهد.

آناتومی‌ درخت فیلوژنتیک

هنگامی‌که یک درخت فیلوژنتیک را ترسیم می‌کنیم، بهترین فرضیه خود را در مورد چگونگی تکامل مجموعه‌ای از گونه‌ها (یا سایر گروه‌ها) از یک جد مشترک به نمایش می‌گذاریم.

این فرضیه مبتنی بر اطلاعاتی است که ما در مورد مجموعه گونه‌های مورد نظر خود در دست داریم، این اطلاعات شامل ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها و توالی DNA ژن‌های هر یک از ارگانیسم‌ها هستند.

در یک درخت فیلوژنتیک، گونه‌ها یا گروه‌های مورد علاقه در نوک خط‌هایی که به آن‌ها شاخه‌های درخت می‌گویند، یافت می‌شود. به عنوان مثال، درخت فیلوژنتیک در تصویر زیر روابط بین پنج گونه A، B، C، D و E را نشان می‌دهد که در انتهای شاخه‌ها قرار دارند:

الگویی که شاخه‌ها به آن وصل می‌شوند، نشانگر درک ما از نحوه تکامل گونه‌های درخت از یک سری از اجداد مشترک است. هر نقطه شاخه (که به آن گره داخلی نیز گفته می‌شود) یک واقعه انشعاب را نشان می‌دهد، رویدادی که یک گروه منفرد را به دو گروه تقسیم می‌کند.

در هر نقطه که یک شاخه تشکیل می‌شود، نزدیک‌ترین جد مشترک همه گروه‌های منشعب از نقطه شاخه قرار دارد. به عنوان مثال، در نقطه تشکیل شاخه‌ای که باعث ایجاد گونه‌های A و B می‌شود، نزدیک‌ترین جد مشترک این دو گونه را می‌توان پیدا کرد. در نقطه شاخه‌ای که  درست بالای ریشه درخت قرار دارد، جدیدترین جد مشترک همه گونه‌های موجود در درخت تعیین می‌شود (A، B، C، D، E).

هر خط افقی در درخت فیلوژنتیک مجموعه‌ای از اجداد را نشان می‌دهد که در انتهای آن به گونه‌ها منتهی می‌شود. به عنوان مثال، خط منتهی به گونه E، اجداد گونه را نشان می‌دهد زیرا از سایر گونه‌های درخت جدا شده است. به همین ترتیب، ریشه درخت بیانگر یک سری از اجداد است که به نزدیک‌ترین جد مشترک همه گونه‌های درخت منتهی می‌شود.

نکاتی برای خواندن درختان فیلوژنتیک

شما ممکن است درختان فیلوژنتیک را در قالب‌های مختلف مشاهده کنید. بعضی از آن‌ها مانند درختی که در سمت چپ قرار دارد به صورت آجر یا بلوک‌هایی روی هم ترسیم می‌شوند. در ترسیم برخی دیگر از درختان فیلوژنی از خطوط مورب مانند درختی که در سمت راست است، استفاده می‌کنند. همچنین ممکن است درختانی نیز هستند که از هر دو جهت به صورت عمودی مشاهده می‌شوند (یعنی از پایین به بالا یا از بالا به پایین ترسیم می‌شوند)، مانند درخت وسط تصویر که در واقع همان درخت سمت چپ است که به صورت عمومی قرار گرفته است.

فیلم آموزش تکامل موجودات زنده – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

نکته مهم در مورد درختان فیلوژنی فوق این است که اگر سازه‌ها را بچرخانید، با استفاده از یکی از نقاط شاخه به عنوان نقطه محوری، روابط بین گونه‌ها تغییر نمی‌کنند. بنابراین دقیقاً مانند سه درخت بالا که روابط یکسانی را نشان می‌دهند، حتی اگر درختان به صورت متفاوتی قالب‌بندی شده باشند، همه درختان زیر نیز روابط یکسان بین چهار گونه را به صورت متفاوتی به نمایش می‌گذارند.

تاکنون، تمام درختانی که در مطلب آورده شده دارای الگوهای انشعاب ساده بوده‌اند که در آن‌ها فقط دو خط (انشعاب) از هر نقطه شاخه بیرون می‌آیند. با این حال، شما ممکن است درختان با شاخه‌های انشعاب متعدد یا «پلی ‌تومی» (Polytomy) را نیز در مطالعات ژنتیکی مشاهده کنید، در آن درختان از یک نقطه شاخه سه یا چند گونه مختلف به بیرون مشعب می‌شوند. به طور کلی، یک Polytomy نشان می‌دهد که در کدام شاخه، اطلاعات کافی برای تعیین ترتیب انشعاب در دسترس نیست.

در یک درخت فیلوژنی کدام گونه‌ها بیشتر به هم مرتبط هستند؟

در یک درخت فیلوژنتیک، ارتباط دو گونه معنای بسیار خاصی دارد. در صورت داشتن جد مشترک نزدیک، دو گونه بیشتر به هم مربوط می‌شوند و اگر یک جد مشترک دور داشته باشند، گونه‌ها کمتر به هم مرتبط هستند.

ما می‌توانیم از یک روش بسیار ساده و سریع برای یافتن جدیدترین جد مشترک هر جفت یا گروه از گونه‌ها استفاده کنیم. در این روش، از انتهای شاخه‌ای که دو گونه مورد نظر در آن قرار دارند، شروع به حرکت به سمت عقب می‌کنیم تا زمانی که نقطه‌ای را پیدا کنیم که خطوط گونه به یکدیگر می‌رسند.

به عنوان مثال، فرض کنید که ما می‌خواهیم بگوییم که آیا A و B یا B و C ارتباط تنگاتنگی دارند یا خیر. برای این کار، خطوط هر دو جفت گونه را به سمت عقب در درخت دنبال می‌کنیم. از آنجایی که A و B ابتدا در زمانی که به عقب حرکت می‌کنیم در یک جد مشترک به یکدیگر می‌رسند و گونه B بعد از اتصال به A به گونه C می‌رسد، می‌توان گفت که A و B بیشتر از B و C با هم مرتبط هستند.

درختان فیلوژنی از کجا آمده‌اند؟

برای تولید یک درخت فیلوژنتیک، دانشمندان غالباً بسیاری از خصوصیات گونه‌ها یا گروه‌های دیگر را در نظر گرفته و آن‌ها را با هم مقایسه می‌کنند. این خصوصیات می‌تواند شامل مورفولوژی بیرونی (شکل یا ظاهر)، آناتومی‌ داخلی، رفتارها، مسیرهای بیوشیمیایی، توالی DNA و پروتئین و حتی خصوصیات فسیل‌ها باشد.

برای ساختن درختان دقیق و معنی دار، زیست شناسان اغلب از ویژگی‌های مختلفی استفاده می‌کنند (استفاده از داده‌های ناقص در هر بخش از ترسیم درخت منجر به ساخت یک درخت اشتباه می‌شود). با این وجود، تمام درختان فیلوژنتیک فرضی هستند، نه جواب قطعی و فقط می‌توانند به خوبی نمایانگر داده‌های موجود در هنگام ترسیم درخت باشند. با دسترسی به داده‌های جدید، درختان با مرور زمان، مورد تجدید نظر و به روزرسانی قرار می‌گیرند و می‌توان با اطلاعات جدید آن‌ها را اصلاح کرد. این امر به ویژه امروز صادق است، زیرا توالی یابی DNA و شناخت ژنوم اکثر ارگانیسم‌ها، توانایی ما در مقایسه ژن‌ها بین گونه‌های مختلف را افزایش داده است.

مفاهیم درخت فیلوژنیک

ساختار درخت فیلوژنتیک با صفات مشترک موجود در ارگانیسم‌‌های مختلف تعیین ‌می‌شود. انشعاب درخت نشان دهنده منشعب شدن گونه از یک جد مشترک است. عباراتی که برای درک هنگام تفسیر نمودار درخت فیلوژنتیک به کار می‌روند و شناخت آن‌ها مهم است، عبارتند از:

• گره‌‌ها (Nodes): گره‌ها نقاطی از درخت فیلوژنتیک هستند که انشعاب در آن رخ ‌می‌دهد. هر گره نمایانگر انتهای شاخه اجدادی و نقطه‌ای است كه گونه جدیدی از ارگانیسم قبلی خود جدا ‌می‌شود.
• شاخه‌‌ها (Branches): شاخه‌ها خطوطی روی درخت فیلوژنتیک هستند که نمایانگر روابط و نسب اجدادی و یا نشان دهنده فرزندان هستند. شاخه‌‌هایی که از گره‌‌ها ناشی ‌می‌شوند، گونه‌‌های فرزندی دارند که از یک جد مشترک منشعب ‌می‌شوند.

  

• گروه فراگیر (Monophyletic): این گروه یک شاخه واحد بر روی درخت فیلوژنتیک است که گروهی از ارگانیسم‌‌ها را نشان ‌می‌دهد که از یک اجد مشترک مشتق ‌می‌شوند.
• گروه نافراگیر (Paraphyletic): به گروهی از ارگانیسم‌ها که از یک جد مشترک مشتق می‌شوند، اما برخی از گونه‌های آن‌ها تفاوت‌های چشمگیری با سایر گونه‌های گروه دارد، گروه نافراگیر  می‌گویند.
• گروه چند نیا (Polyphyletic): به گونه‌هایی که از اجداد کاملا متفاوت مشتق شده‌اند (بیش از چند گونه اجدادی دارند) گروه‌های چندنیا می‌گویند.
• تاکسون: تاکسون‌‌ها گروه‌بندی‌‌ها یا دسته خاصی از موجودات زنده هستند. نوک شاخه‌‌های یک درخت فیلوژنتیک در یک تاکسون پایان ‌می‌یابد.

تاکسون‌هایی که دارای اجداد مشترک نزدیک هستند، روابط نزدیک‌تری با یکدیگر دارند نسبت به تاکسون‌‌هایی که از اجداد مشترک دور مشتق شده باشند. به عنوان مثال، در تصویر ۱، اسب‌‌ها بیشتر با خر‌ها ارتباط دارند و با خوک‌‌ها روابط کمتری دارند، دلیل این امر این است که اسب و الاغ یک جد مشترک نزدیک مشترک دارند. علاوه بر این، ‌می‌توان مشخص کرد که اسب‌‌ها و الاغ‌‌ها از جد نزدیک‌تری مشتق شده‌اند، زیرا آن‌ها متعلق به یک گروه فراگیر هستند که خوک‌ها را در بر نمی‌گیرد.

فیلوژنی در مقابل تاکسونومی

فیلوژنی و تاکسونومی ‌دو سیستم برای طبقه‌بندی ارگانیسم‌‌ها به شمار می‌آیند. آن‌ها نمایانگر دو زمینه اصلی زیست شناسی سیستماتیک هستند. هر دوی این سیستم‌ها برای طبقه‌بندی موجودات زنده به گروه‌های مختلف به ویژگی‌ها یا صفات ارگانیسم‌ها متکی هستند.

فیلم آموزش بیوسیستماتیک جانوری – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در فیلوژنتیک، هدف ردیابی تاریخ تکاملی گونه‌‌ها با تلاش برای بازسازی فیلوژنی حیات یا درخت تکاملی زندگی است. تاکسونومی‌ یک سیستم سلسله مراتبی برای نام‌گذاری، دسته‌بندی و شناسایی ارگانیسم‌‌ها است. از خصوصیات فیلوژنیک برای کمک به ایجاد گروه‌بندی‌‌های تاکسونومی ‌استفاده ‌می‌شود. تاکسونومی،‌ موجودات زنده را در سه حوزه طبقه‌بندی ‌می‌کند:

• آرکی باکترها: این حوزه شامل ارگانیسم‌‌های پروکاریوتی (آن‌هایی که فاقد هسته هستند) است که با باکتری‌‌ها در ترکیب غشا و RNA ریبوزومی‌ متفاوت هستند.
• باکتری‌‌ها: این حوزه شامل ارگانیسم‌‌های پروکاریوتی با ترکیبات دیواره سلولی منحصر به فرد و انواع RNA است. باکتری‌های اشرشیا کولی و باسیلوس سوبتیلیس،‌ دو نمونه از اعضای این خانواده بزرگ به شمار می‌روند.
• یوکاریا: حوزه یوکاریا عبارت است از یوکاریوت‌‌ها یا ارگانیسم‌‌هایی که هسته واقعی دارند. ارگانیسم‌‌های یوکاریوتی شامل گیا‌هان، جانوران، آغازیان و قارچ‌‌ها هستند.

ارگانیسم‌‌های موجود در حوزه یوکاریا به گروه‌‌های کوچک‌تر یا آرایه‌های زیر طبقه‌بندی ‌می‌شوند:

• سلسله یا فرمانرو
• شاخه
• رده
• راسته
• خانواده
• جنس
• گونه

این گروه بندی‌‌ها همچنین به دسته‌‌های واسطه‌ای مانند «زیرشاخه» (Subphyla)، «فوق خانواده» (Superfamilies) و «فوق رده» (Superclasses) تقسیم ‌می‌شوند.

تاکسونومی‌ نه تنها برای طبقه‌بندی موجودات مفید است، بلکه یک سیستم نام‌گذاری خاص برای ارگانیسم‌‌ها نیز ایجاد ‌می‌کند. این سیستم که به عنوان نام‌گذاری دو جمله‌ای شناخته شده است، در واقع برای یک ارگانیسم از یک نام جنس و نام گونه منحصر به فرد ‌تشکیل شده است. این سیستم نام‌گذاری جهانی در سراسر جهان شناخته شده و از سردرگمی ‌در مورد نام‌گذاری ارگانیسم‌های مختلف جلوگیری ‌می‌کند.