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Phylogenetik und der Baum des Lebens


Soweit ich weiß, wird Evolution heutzutage ziemlich genau durch phylogenetische Bäume, also Kladogramme, analysiert. Diese werden unter Verwendung der verfügbaren Aufzeichnungen und unter Verwendung einiger Schlüsselstrukturen konstruiert und daraus abgeleitet, ob Arten sie erworben oder verloren haben, wodurch ein Knoten erzeugt wird. Bei diesem Ansatz ist die Chronologie von größter Bedeutung, aber chronologisch Zeit ist nicht. Daher sind Kladogramme keine 'darwinistischen' Evolutionsbäume, da letztere auf chronologischen Zeit.

Ich kann mir jedoch nicht helfen, ein Kladogramm zu analysieren und die Anhäufung verschiedener Knoten entlang eines Astes als Bewegung durch die Zeit zu interpretieren. Geht es bei der Evolution nicht nur um die Zeit? Auch auf die Gefahr hin, dass ich in eine 'Dies ist eine hauptsächlich meinungsbasierte Frage' verfallen:

Ist es nicht nur so, dass entlang eines bestimmten Zweiges, jeder nachfolgende Knoten brauchte Zeit, um sich zu entwickeln? Wäre es nicht plausibel, eine bestimmte 'Standardevolutionäre Zeiteinheit (ein SETU, wenn Sie möchten) stellt die durchschnittliche Zeit dar, die ein Organismus benötigt, um eine bestimmte Eigenschaft zu verlieren oder zu erwerben jeder Knoten als Zeit interpretiert werden? Natürlich wäre die SETU eine grobe Schätzung, könnte aber möglicherweise den darwinistischen Blick auf die moderne Evolution wiederbeleben.


Beginnen wir mit einem kurzen Kommentar. Du sagst[… ]Evolution wird heutzutage ziemlich genau durch phylogenetische Bäume analysiert[… ]. Viele Evolutionsbiologen verwenden ausgiebig phylogenetische Methoden, aber ein guter Teil der Evolutionsbiologen (die meisten würde ich sagen) arbeiten nicht direkt mit phylogenetischen Methoden.


Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihre Frage verstehe, aber ich hoffe, dass Ihnen die folgenden Informationen helfen können, das Problem zu verstehen oder Ihre Frage zu bearbeiten. Beachten Sie, dass ich KEIN Phylogenetiker bin (nicht sicher, ob dieses Wort existiert).

Was ist die Definition von "Knoten" in der Phylogenetik?

Ich denke deine Definition von aKnotenkönnte ungewöhnlich sein. In der Phylogenie ist ein Knoten der jüngste gemeinsame Vorfahre, der von zwei Schwesterlinien geteilt wird.

Zeit in einem phylogenetischen Baum

Wenn Sie sich einen phylogenetischen Baum ansehen, repräsentiert die Achse, entlang derer sich die Linien diversifizieren, die Zeit (Echtzeit in Jahren). Nun verwenden wir verschiedene Methoden, um diese Echtzeit abzuschätzen, wie zum Beispiel die Rate der neutralen Substitutionen. Vielleicht möchten Sie etwas über die molekulare Uhr lesen

jeder nachfolgende Knoten hat Zeit gebraucht, um sich zu entwickeln?

Ich bin mir nicht sicher, was du hier mit "entwickeln" meinst. Unter Entwicklung versteht man normalerweise den Prozess, durch den sich ein bestimmtes Individuum/ein bestimmtes Lebewesen im Laufe seines Lebens phänotypisch verändert. Siehe Entwicklungsbiologie.

durchschnittliche Zeit, die ein Organismus benötigt, um eine bestimmte Eigenschaft zu verlieren oder zu erwerben

Auch hier bin ich mir nicht sicher, ob Sie hier von Entwicklung oder Evolution sprechen, da Sie von „jedem Organismus“ und nicht von „jeder Population“ sprechen. In jedem Fall ist die durchschnittliche Zeit, die eine Population benötigt, um ein bestimmtes beliebiges Merkmal zu erwerben, ein Konzept, das 1) nur für diskrete Merkmale gilt, 2) das stark von der Art des Merkmals abhängt, das Sie berücksichtigen möchten, 3) das variiert viel von einem bestimmten Merkmal zum anderen und 4) hängt extrem davon ab, wenn man bedenkt, dass es der Ausgangspunkt des evolutionären Prozesses zur Schaffung des gegebenen Merkmals ist. Daher macht es wenig Sinn.

Derzeit verwendete "Evolutionäre Standardzeiteinheit"

Sie können jedoch ein ähnliches Konzept für quantitative Merkmale verwenden. Der Darwin (d) ist eine Einheit evolutionärer Veränderungen (erfunden von Haldane und benannt nach C. Darwin). Es ist definiert als das e-fache (e≈2,7) in einem Mittelwert des Merkmals eines Individuums in einer Population über Millionen von Jahren.

Ebenso ist die Haldane eine Einheit der evolutionären Veränderung (ich weiß nicht, wer sie erfunden hat und sie ist offensichtlich nach JBS Haldane benannt) und entspricht der Anzahl der Standardabweichung (der Verteilung des individuellen Merkmals in der Population) der Veränderung in der Mittelwert der Persönlichkeitsmerkmale in einer Population pro Generation. Die Haldane-Einheit ist daher abhängig vom Selektionsdruck, der additiven und nicht-additiven genetischen Varianz und Umweltvarianz (also der Heritabilität) und den Mutationsdrücken.


So etwas wie das, was Sie beschreiben, existiert und wird als molekulare Uhr bezeichnet. Die Änderungsrate bestimmter Gene und nicht-kodierender Sequenzen wurde mit anderen Beweisen (fossile Aufzeichnungen usw.) korreliert, sodass Sie in absoluten Zahlen abschätzen können, wie lange es dauert, bis ein bestimmter Satz von Mutationen auf natürliche Weise auftritt .

Bedenken Sie, dass nur bestimmte Gene die erforderliche Eigenschaft besitzen, Mutationen mit einer mehr oder weniger konstanten zeitlichen Rate zu akkumulieren. Die meisten Gene akkumulieren Mutationen eher stochastisch.


Phylogenetik und der Baum des Lebens - Biologie

Es gibt eine andere Sichtweise auf die Biologie. Die klassische Taxonomie wird nun mit der Phylogenie und dem biologischen Baum des Lebens verbunden. Phylogenetik beschreibt die evolutionäre Perspektive der Biologie, in der alle Lebewesen in ein stark vernetztes Netz gemeinsamer Vorfahren eingebettet sind. Diese schöne Vorstellung von der Verbundenheit aller Arten unterstützt die evolutionäre Denkweise über das Leben.

Eine Phylogenie ist ein Baumdiagramm des Platzes des Organismus in der Evolution. Eine Phylogenie kann auf der Grundlage eines gemeinsamen Vorfahren und seiner Nachkommen erstellt werden. Jeder Zweig im Lebensbaum stellt eine Abweichung vom ursprünglichen Vorfahren dar, bei der sich ein neues Merkmal entwickelt hat, das seine Nachkommen in eine neue Art differenziert.

Wenn Sie sich eine grundlegende Phylogenie ansehen (versuchen Sie einen mit nur drei oder vier Zweigen zu finden), sehen Sie am unteren Ende des Baumes einen „Stamm“. Dies stellt den ersten gemeinsamen Vorfahren aller anderen Organismen im Baum dar. Wenn Sie den Baum genau betrachten, sehen Sie verschiedene „Äste“, denen verschiedene Organismen zugeordnet sind. Jede Aufteilung im Baum wird als Knoten bezeichnet. Dieser Knoten stellt dar, wo sich ein neues Merkmal entwickelt hat und der Vorfahre in eine neue Art divergierte. Ein Knoten repräsentiert auch den hypothetischen gemeinsamen Vorfahren der divergierenden Art. Der hypothetische gemeinsame Vorfahr einer Art ist der nächste genetisch verwandte Vorfahre dieser neuen Art.

Wenn wir zum Beispiel über Pflanzen sprechen, könnte der Organismus am Stamm des Baumes den ersten photosynthetischen Organismus darstellen. Der erste Ast des Baumes würde die Entwicklung der Fähigkeit darstellen, an Land statt im Wasser zu leben. Dies wären die Pflanzen der ersten Gruppe, die sich vom Hauptstamm des Baumes abspalten. Der Zweig könnte darstellen, wo sich Gefäßgewebe entwickelt hat und einen neuen Organismus hervorbringt, der echte Wurzeln, Stängel und Blätter entwickeln könnte. Der nächste Knoten mit seinen Begleitorganismen könnte die Entwicklung von Samen darstellen. Der nächste Knoten würde die Entwicklung von Blütenpflanzen darstellen.

All diese Merkmale unterschieden den Vorfahren in eine andere Spezies mit einer neuen Anpassung an seine Umgebung. Diese neue Anpassung gibt diesem Organismus eine weitere Fähigkeit, sein Repertoire zu erweitern. Dieser Organismus ist jetzt eine neue Spezies, da sich seine DNA grundlegend verändert hat, sodass er sich nicht mehr innerhalb seiner angestammten Spezies reproduzieren kann.

Dieser Lebensbaum zeigt die genetische Verbundenheit der Arten. Wenn Sie die genetische Linie eines Organismus verfolgen, können Sie seine genetische und evolutionäre Geschichte verfolgen, um Verbindungen zu früheren Organismen zu entdecken. So sind diese Bäume aufgebaut. Diese Merkmale, die Arten unterscheiden, haben alle eine genetische Grundlage.

Die Entdeckung der gegenseitigen Verwandtschaft von Organismen durch genetische Verwandtschaft mit Hilfe der Phylogenetik lenkt die Aufmerksamkeit auf Unterschiede in der Gruppierung unter Verwendung traditioneller Taxonomie und binomialer Nomenklatur. Die Taxonomie verwendet ähnliche morphologische Merkmale, um Organismen zusammenzufassen. Darwin zweigte von dieser Idee ab, als er anfing, evolutionäre Verwandtschaft auf Gruppenorganismen zu verwenden.

Beide Klassifikationsmethoden sind wertvoll, verwenden jedoch unterschiedliche Gruppierungstechniken. Jede Form der Klassifikation kann für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Viele Wissenschaftler argumentieren, dass die phylogenetische Sicht biologisch genauer ist, weil sie die Evolutionsgeschichte durch die Genetik verfolgt.

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Ernst Mayr, der Lebensbaum und die Philosophie der Biologie

Ernst Mayrs Einfluss auf die Philosophie der Biologie hat dem Feld eine besondere Perspektive auf Evolution, Phylogenie und das Leben im Allgemeinen gegeben. Anhand von Debatten über den Lebensbaum zeige ich, wie die Mayrische Evolutionsbiologie zahlreiche Lebensformen und viele wichtige Evolutionsprozesse ausschließt. Hybridisierung und lateraler Gentransfer sind zwei dieser Prozesse, und sie treten häufig auf, mit wichtigen Ergebnissen in allen Lebensbereichen. Eukaryoten scheinen eine eher baumähnliche Geschichte zu haben, da erfolgreiche laterale Ereignisse dazu neigen, bei enger verwandten Arten oder in geringerer Häufigkeit als bei Prokaryoten aufzutreten, aber dies ist eher ein Unterschied im Grad als in der Art. Obwohl der Lebensbaum als Darstellung der Evolutionsgeschichte von Prokaryonten besonders problematisch ist, kann er allgemeiner als Illustration der Grenzen einer Standard-Evolutionsperspektive dienen. Darüber hinaus können für Philosophen Fragen nach dem Lebensbaum auf das Mayrische Erbe in der Philosophie der Biologie übertragen werden. Diese Fragen machen deutlich, dass die von Mayr vorgeschlagene Dichotomie des Lebens auf einer zu engen Perspektive beruht. Eine Alternative zu dieser Dichotomie ist ein multidimensionales Kontinuum, in dem verschiedene Strategien des genetischen Austauschs Prokaryoten und Eukaryoten eine größere Anpassungsfähigkeit und Evolvierbarkeit verleihen.

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Abteilung für Botanik und Pflanzenpathologie, Oregon State University, Corvallis, OR, 97330

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Department of Plant Pathology and Microbiology, Program for the Biology of Filamentous Fungi, Texas A&M University, College Station, TX, 77843-2132

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Zusammenfassung

Phylogenetische Bäume, die einst auf Studien zur Systematik beschränkt waren, werden heute in allen Disziplinen der Pilzbiologie verwendet und bieten den evolutionären Kontext für eine breite Palette von Studien, die das Verständnis der Evolution wichtiger Lebensformen, die Beschreibung komplexer Lebensgemeinschaften und prädiktive experimentelle Biologie umfassen . Dies gilt insbesondere in der genomischen Ära, in der eine rasche Konvergenz von Phylogenetik und Genomik stattfindet und zu dem aufstrebenden Gebiet der Phylogenomik führt. Dieses Kapitel bietet einen Überblick über (i) den aktuellen Stand der Pilzphylogenetik basierend auf multigenen Phylogenien, (ii) aktuelle evolutionäre Hypothesen über die evolutionären Beziehungen von Organismen, die in die Kingdom Fungi klassifiziert werden, und (iii) die Verwendung der Genomskala Probenahme, um evolutionäre Beziehungen der Pilze abzuleiten. Das Ziel des Deep Hypha Research Coordination Network war es, die Sammlung von Multigensequenzdaten über den Pilzbaum des Lebens zu beschleunigen. Mit dem Pilzbaum des Lebens beziehen wir uns ausdrücklich auf die monophyletischen Königreichspilze (Fungi) und alle ihre Untergruppen. Einer der schwer fassbaren Forschungsbereiche der Pilzphylogenetik war die Kalibrierung des Pilzbaums des Lebens auf die geologische Zeit. Hier konzentrieren wir uns auf die Verwendung von Datensätzen auf Genomskala in phylogenetischen Analysen. Multigenanalysen hatten einen großen Einfluss auf phylogenetische Studien der Pilze, was zu unserem bisher gründlichsten Verständnis der evolutionären Beziehungen des Königreichs führte.


Phylogenetik und der Baum des Lebens - Biologie

Es gibt eine andere Sichtweise auf die Biologie. Die klassische Taxonomie wird nun mit der Phylogenie und dem biologischen Baum des Lebens verbunden. Phylogenetik beschreibt die evolutionäre Perspektive der Biologie, in der alle Lebewesen in ein stark vernetztes Netz gemeinsamer Vorfahren eingebettet sind. Diese schöne Vorstellung von der Verbundenheit aller Arten unterstützt die evolutionäre Denkweise über das Leben.

Eine Phylogenie ist ein Baumdiagramm des Platzes des Organismus in der Evolution. Eine Phylogenie kann auf der Grundlage eines gemeinsamen Vorfahren und seiner Nachkommen erstellt werden. Jeder Zweig im Lebensbaum stellt eine Abweichung vom ursprünglichen Vorfahren dar, bei der sich ein neues Merkmal entwickelt hat, das seine Nachkommen in eine neue Art differenziert.

Wenn Sie sich eine grundlegende Phylogenie ansehen (versuchen Sie eine mit nur drei oder vier Zweigen zu finden), sehen Sie einen „Stamm“ am unteren Ende des Baumes. Dies stellt den ersten gemeinsamen Vorfahren aller anderen Organismen im Baum dar. Wenn Sie sich den Baum genau ansehen, werden Sie verschiedene „Äste“ erkennen, denen verschiedene Organismen zugeordnet sind. Jede Aufteilung im Baum wird als Knoten bezeichnet. Dieser Knoten stellt dar, wo sich ein neues Merkmal entwickelt hat und der Vorfahre in eine neue Art divergierte. Ein Knoten repräsentiert auch den hypothetischen gemeinsamen Vorfahren der divergierenden Art. Ein hypothetischer gemeinsamer Vorfahr einer Art ist der nächste genetisch verwandte Vorfahre dieser neuen Art.

Wenn wir zum Beispiel über Pflanzen sprechen, könnte der Organismus am Stamm des Baumes den ersten photosynthetischen Organismus darstellen. Der erste Ast des Baumes würde die Entwicklung der Fähigkeit darstellen, an Land statt im Wasser zu leben. Dies wären die Pflanzen der ersten Gruppe, die sich vom Hauptstamm des Baumes abspalten. Der Zweig könnte darstellen, wo sich Gefäßgewebe entwickelt hat und einen neuen Organismus hervorbringt, der echte Wurzeln, Stängel und Blätter entwickeln könnte. Der nächste Knoten mit seinen Begleitorganismen könnte die Entwicklung von Samen darstellen. Der nächste Knoten würde die Entwicklung von Blütenpflanzen darstellen.

All diese Merkmale unterschieden den Vorfahren in eine andere Spezies mit einer neuen Anpassung an seine Umgebung. Diese neue Anpassung gibt diesem Organismus eine weitere Fähigkeit, sein Repertoire zu erweitern. Dieser Organismus ist jetzt eine neue Spezies, da sich seine DNA grundlegend verändert hat, sodass er sich nicht mehr innerhalb seiner angestammten Spezies reproduzieren kann.

Dieser Lebensbaum zeigt die genetische Verbundenheit der Arten. Wenn Sie die genetische Linie eines Organismus verfolgen, können Sie seine genetische und evolutionäre Geschichte verfolgen, um Verbindungen zu früheren Organismen zu entdecken. So sind diese Bäume aufgebaut. Diese Merkmale, die Arten unterscheiden, haben alle eine genetische Grundlage.

Die Entdeckung der gegenseitigen Verwandtschaft von Organismen durch genetische Verwandtschaft mit Hilfe der Phylogenetik lenkt die Aufmerksamkeit auf Unterschiede in der Gruppierung unter Verwendung traditioneller Taxonomie und binomialer Nomenklatur. Die Taxonomie verwendet ähnliche morphologische Merkmale, um Organismen zusammenzufassen. Darwin zweigte von dieser Idee ab, als er anfing, evolutionäre Verwandtschaft auf Gruppenorganismen zu verwenden.

Beide Klassifikationsmethoden sind wertvoll, verwenden jedoch unterschiedliche Gruppierungstechniken. Jede Form der Klassifikation kann für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Viele Wissenschaftler argumentieren, dass die phylogenetische Sicht biologisch genauer ist, weil sie die Evolutionsgeschichte durch die Genetik verfolgt.


Ring of Life-Modelle

Abbildung 6. Nach dem phylogenetischen Modell des „Rings des Lebens“ entwickelten sich die drei Lebensbereiche aus einem Pool primitiver Prokaryonten.

Andere haben vorgeschlagen, jedes baumähnliche Modell der Phylogenie zugunsten einer Ringstruktur aufzugeben, der sogenannten „Ring des Lebens“ (Abbildung 6) ein phylogenetisches Modell, bei dem sich alle drei Lebensbereiche aus einem Pool primitiver Prokaryonten entwickelt haben. Lake, wiederum unter Verwendung des konditionierten Rekonstruktionsalgorithmus, schlägt ein ringähnliches Modell vor, in dem sich Arten aller drei Domänen – Archaeen, Bakterien und Eukarya – aus einem einzigen Pool von Gen-Swapping-Prokaryoten entwickelt haben. Sein Labor schlägt vor, dass diese Struktur am besten für Daten aus umfangreichen DNA-Analysen geeignet ist, die in seinem Labor durchgeführt wurden, und dass das Ringmodell das einzige ist, das HGT und genomische Fusion angemessen berücksichtigt. Andere Phylogenetiker stehen diesem Modell jedoch weiterhin sehr skeptisch gegenüber.

Zusammenfassend müssen wir Darwins „Baum des Lebens“-Modell modifizieren, um HGT einzubeziehen. Bedeutet dies, dass das Baummodell vollständig aufgegeben wird? Sogar Lake argumentiert, dass Wissenschaftler versuchen sollten, das Baummodell so zu modifizieren, dass es genau zu seinen Daten passt, und nur die Unfähigkeit, dies zu tun, wird die Leute zu seinem Ringvorschlag bewegen.

Dies bedeutet nicht, dass ein Baum, ein Netz oder ein Ring vollständig mit einer genauen Beschreibung der phylogenetischen Beziehungen des Lebens korreliert. Eine Konsequenz des neuen Denkens über phylogenetische Modelle ist die Idee, dass Darwins ursprüngliches phylogenetisches Baumkonzept zu einfach ist, aber basierend auf dem, was Wissenschaftler zu dieser Zeit wussten, sinnvoll war. Die Suche nach einem nützlicheren Modell geht jedoch weiter: Jedes Modell dient als Hypothesen zum Testen mit der Möglichkeit, neue Modelle zu entwickeln. So schreitet die Wissenschaft voran. Forscher verwenden diese Modelle als Visualisierungen, um hypothetische evolutionäre Beziehungen zu konstruieren und die riesige Datenmenge zu verstehen, die analysiert werden muss.

Zusammenfassend: Perspektiven auf den phylogenetischen Baum

Der phylogenetische Baum, der zuerst von Darwin verwendet wurde, ist das klassische Modell des „Baums des Lebens“, das phylogenetische Beziehungen zwischen Arten beschreibt, und das heute am häufigsten verwendete Modell. Neue Ideen zu HGT und Genomfusion haben dazu geführt, dass einige vorgeschlagen haben, das Modell zu überarbeiten, um Netzen oder Ringen zu ähneln.


Adaptive Strahlungen

Wie wir erfahren haben, bezieht sich die kambrische „Explosion“ auf eine Zunahme der Artenvielfalt mehrzelliger Organismen zu Beginn des Kambriums vor 542 Millionen Jahren. Vielzelliges Leben erschien erst einige zehn Millionen Jahre vor dem Beginn des Kambriums als rätselhafte Fossilien (Ediacaran-Biota), die im Gegensatz zu heutigen Tieren Körperpläne aufwiesen. Diese verschwanden weitgehend und wurden durch die kambrische Fauna ersetzt, deren Vielfalt alle Körperpläne der heutigen Tierstämme umfasst. Das Erscheinen der kambrischen Fauna, obwohl in evolutionärer Zeit relativ schnell, erstreckt sich tatsächlich über Millionen von Jahren.

Adaptive Strahlungen sind Perioden zunehmender Biodiversität und schneller Artbildung in geologischer Zeit, und sie treten auf, wenn neue ökologische Nischen verfügbar werden, wie es nach einem großen Klimaereignis wie der Sauerstoffrevolution oder nach einem Massenaussterben der Fall ist. Adaptive Strahlungen können auch als Reaktion auf eine „Schlüsselinnovation“ auftreten, eine adaptive Eigenschaft, die in der Umwelt neu ist. Beispiele sind Merkmale wie Vielzelligkeit, Flügel, Nektarsporen bei Blüten oder flache Backenzähne bei Säugetieren. Jeder von ihnen eröffnet den Individuen mit dem Merkmal neu verfügbare Ressourcen. Betrachten Sie die Entwicklung der Kiefer. Die Fähigkeit, andere Organismen zu beißen, eröffnet eine Reihe verfügbarer Beutegegenstände.

In einer Phylogenie sieht eine adaptive Strahlung oft “tufty” aus, wie die Spitze eines Pinsels, mit vielen kurzen Borsten (Ästen), die von einem längeren Ast abgehen.

Die Strahlung der kambrischen Spezies fiel auch mit einem Anstieg des freien Sauerstoffs auf das heutige Niveau zusammen (mehr dazu weiter unten), was wichtig ist, da der verfügbare Sauerstoff eine hocheffiziente metabolische Energienutzung ermöglicht.


  • Charles Darwin entwarf 1837 den ersten phylogenetischen Baum.
  • Ein einzelner Stamm auf einem phylogenetischen Baum repräsentiert einen gemeinsamen Vorfahren und die Zweige repräsentieren die Divergenz der Arten von diesem Vorfahren.
  • Im klassischen Baummodell wird angenommen, dass sich Prokaryoten klonal entwickeln.
  • Horizontaler Gentransfer ist der Transfer von Genen zwischen nicht verwandten Arten und verkompliziert als solcher das einfache Baummodell.
  • Der ultimative Gentransfer hat Theorien der Genomfusion zwischen symbiotischen oder endosymbiotischen Organismen geliefert.
  • phylogenetisch: von oder in Bezug auf die evolutionäre Entwicklung von Organismen
  • klonal: in Bezug auf die ungeschlechtliche Fortpflanzung
  • horizontaler Gentransfer: die Übertragung von genetischem Material von einem Organismus auf einen anderen, der nicht seine Nachkommen ist, besonders häufig bei Bakterien

Die Konzepte der phylogenetischen Modellierung ändern sich ständig. Es ist eines der dynamischsten Studienfächer in der gesamten Biologie. In den letzten Jahrzehnten haben neue Forschungen die Ideen der Wissenschaftler über die Beziehungen zwischen Organismen in Frage gestellt. Neue Modelle dieser Beziehungen wurden zur Prüfung durch die wissenschaftliche Gemeinschaft vorgeschlagen. Viele phylogenetische Bäume wurden als Modelle der evolutionären Verwandtschaft zwischen Arten gezeigt. Phylogenetische Bäume stammen von Charles Darwin, der 1837 den ersten phylogenetischen Baum skizzierte, der mehr als ein Jahrhundert lang als Muster für nachfolgende Studien diente. Das Konzept eines phylogenetischen Baumes mit einem einzigen Stamm, der einen gemeinsamen Vorfahren darstellt, wobei die Äste die Divergenz der Arten von diesem Vorfahren darstellen, passt gut zur Struktur vieler gewöhnlicher Bäume, wie der Eiche. Beweise aus der modernen DNA-Sequenzanalyse und neu entwickelten Computeralgorithmen haben jedoch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Skepsis hinsichtlich der Gültigkeit des Standardbaummodells hervorgerufen.

Abbildung (PageIndex<1>): Baum des Lebens: Das (a) Konzept des „Lebensbaums&rdquo geht auf eine Skizze von Charles Darwin aus dem Jahr 1837 zurück. Wie eine (b) Eiche hat der &ldquot;Lebensbaum&rdquo einen einzigen Stamm und viele Äste.

Klassisches Denken über die prokaryontische Evolution, das im klassischen Baummodell enthalten ist, ist, dass sich Arten klonal entwickeln. Das heißt, sie produzieren selbst Nachkommen mit nur zufälligen Mutationen, die den Abstieg in die Vielfalt moderner und ausgestorbener Arten verursachen, die der Wissenschaft bekannt sind. Diese Ansicht ist bei Eukaryoten, die sich sexuell reproduzieren, etwas kompliziert, aber die Gesetze der Mendelschen Genetik erklären die Variation der Nachkommen wiederum als Ergebnis einer Mutation innerhalb der Art. Das Konzept des Gentransfers zwischen nicht verwandten Arten wurde bis vor relativ kurzer Zeit nicht in Betracht gezogen. Horizontaler Gentransfer (HGT), auch als lateraler Gentransfer bekannt, ist der Transfer von Genen zwischen nicht verwandten Arten. Es hat sich gezeigt, dass HGT ein allgegenwärtiges Phänomen ist, wobei viele Evolutionisten eine wichtige Rolle für diesen Prozess in der Evolution postulieren, wodurch das einfache Baummodell kompliziert wird. Es wurde gezeigt, dass Gene zwischen Arten weitergegeben werden, die unter Verwendung der Standardphylogenie nur entfernt verwandt sind, was das Verständnis der phylogenetischen Beziehungen um eine weitere Komplexitätsebene erweitert. Schließlich wurden als Beispiel für den ultimativen Gentransfer Theorien der Genomfusion zwischen symbiotischen oder endosymbiotischen Organismen vorgeschlagen, um ein Ereignis von großer Bedeutung zu erklären: die Evolution der ersten eukaryotischen Zelle, ohne die der Mensch nicht hätte existieren können.


Ein Feldführer für den neuen Baum des Lebens

Wenn Sie ein Wissenschaftsjunkie sind, haben Sie ihn vielleicht beim Scrollen durch Ihren Newsfeed gesehen: den neuen Baum des Lebens. Letzten Monat gaben Forscher bekannt, dass sie genetische Sequenzen verwendet haben, um ein viel umfassenderes Bild des Baumes des Lebens zu erstellen. Der Baum ist einzigartig, weil er viele mikrobielle Arten enthält, die Forscher noch nie gesehen haben, geschweige denn herausgefunden haben, wie man in einem Labor wächst. Wir kennen diese Abstammungslinien ausschließlich aus zerbrochenen DNA-Stücken, die die Forscher aus einer Vielzahl von Umgebungen aussortierten, von kalifornischen Wiesen bis hin zu Geysirsystemen. Ein Teil der DNA wurde sogar aus dem Maul von Delfinen entnommen! Die Forscher fügten diese DNA-Stücke wie ein Puzzle zusammen, bis sie das vollständige Genom dieser mysteriösen Organismen hatten und diese Informationen nutzten, um ihre Äste am Baum zu lokalisieren. All das ist faszinierend &ndash, aber wenn Sie nach unten graben und sich diesen neuen Baum ansehen, werden Sie nicht dafür verantwortlich sein, sich zu fragen: "Äh, wo ist der Baum hier?" Tatsächlich sieht der neue Baum des Lebens eher wie ein explodierendes Feuerwerk aus als wie eine Eiche oder Ulme. Hier untersuchen wir ein Tool, das Ihnen helfen kann, verschiedene Arten von Evolutionsbäumen (d. h. Phylogenien) zu interpretieren, die Sie möglicherweise online, in Lehrbüchern oder in Museumsausstellungen sehen.

Wo ist die Entwicklung?

Ein Blick auf diesen neuen Baum dürfte viele Fragen aufwerfen. Wo ist die Wurzel des Baumes? Warum wachsen manche Äste nach unten? Warum all diese verschiedenen Farben? Wie kommt es, dass einige Zweige länger sind als andere? Was bedeuten die roten Punkte? Und vor allem, wie kann ich feststellen, welche Abstammungslinien am engsten miteinander verwandt sind?

Klicken Sie hier, um eine größere Version anzuzeigen.

Der Field Guide to Evolutionary Trees ist eine interaktive Funktion, die helfen kann, verwirrende Bäume zu verstehen. Es ist Teil des neuen Bereichs von Understanding Evolution, der der Phylogenetik gewidmet ist und The Tree Room genannt wird. Lassen Sie uns den Field Guide verwenden, um diesen neuen Baum zu interpretieren. Wenn Sie möchten, können Sie den Field Guide selbst mitverfolgen.

Um den Field Guide zu verwenden, müssen Sie zunächst entscheiden, welcher Baumstil dem neuen Baum des Lebens am ähnlichsten ist. Alle Bäume im Field Guide (unten links gezeigt) stellen dasselbe dar &ndash evolutionäre Beziehungen &mdash, aber sie verwenden dafür unterschiedliche Linienstile, was oft dazu führt, dass Bäume ziemlich unterschiedlich aussehen, aber die gleichen Informationen zeigen. Der sternförmige Baum (unten eingekreist) sieht dem neuen Baum des Lebens sehr ähnlich.

Beginnen Sie, indem Sie den Baum aus dem Feldführer auswählen, der dem Baum, an dem Sie interessiert sind, am ähnlichsten ist. Der eingekreiste Baum ist dem neuen Baum des Lebens am ähnlichsten.

Ein Klick auf den Starburst-Baum führt den Benutzer zu dieser Seite des Field Guide, die die grundlegenden Funktionen des Starburst-Baums erklärt.

Ein Klick auf den Starburst-Baum führt Sie zu einer einfachen Version dieses Baumtyps (oben rechts), die nur vier Taxa zeigt. Durch Klicken auf die Schaltflächen und Fragezeichen auf dieser Seite können Sie einige wichtige Fragen zum neuen Lebensbaum beantworten, darunter:

  • Wo ist die Wurzel des Baumes und warum wachsen manche Äste nach unten? Dieser Baum hat keine Wurzel, weil Wissenschaftler nicht sicher sind, welche Linie die älteste ist und welche Linie am wenigsten mit den anderen verwandt ist. Die Studie, die diesen Baum hervorbrachte, war nicht darauf ausgerichtet, nach der Wurzel des Baumes des Lebens zu suchen, sondern die Vielfalt des heutigen Lebens auf der Erde zu untersuchen. Wenn ein Baum entwurzelt ist, ordnen Wissenschaftler die Abstammungslinien oft willkürlich in einem sternförmigen Muster an, um Platz zu sparen und die Botschaft zu verstärken, dass sie keine Behauptung aufstellen, wo sich die Wurzel des Baumes befindet. Trotzdem werden diese Bäume normalerweise so angeordnet, dass die Äste, die am ehesten an der Wurzel hängen bleiben, in der Mitte des Diagramms liegen (wie unten links gezeigt). Bei einem Starburst-Baum wie diesem fließt die Zeit im Allgemeinen vom mittleren Bereich des Baumes nach außen in alle Richtungen. Ältere Ahnenlinien verbinden sich in der Mitte des Diagramms miteinander.

Bei Bäumen im Starburst-Stil, wie dem neuen Baum des Lebens, fließt die Zeit im Allgemeinen von der Mitte des Diagramms nach außen in alle Richtungen.

Dieser Zweig des neuen Lebensbaums wurde beschriftet, um zu zeigen, wie die Nähe evolutionärer Beziehungen auf einem Baum im Starburst-Stil interpretiert werden kann. Die Gammaproteobakterien und Betaproteobakterien sind enger miteinander verwandt als beide mit den Acidithiobazillen.

  • Wie kann ich feststellen, welche Abstammungslinien am engsten miteinander verwandt sind? Um dies herauszufinden, müssen Sie sich die Punkte im Baum ansehen, an denen sich zwei Äste treffen (d. h. die Knoten des Baums). Knoten repräsentieren die gemeinsamen Vorfahren der Linien an den Spitzen des Baumes. Je neuer zwei Abstammungslinien einen gemeinsamen Vorfahren haben, desto enger sind sie verwandt. Wenn Sie sich zum Beispiel die linke Seite des neuen Lebensbaums (oben rechts) ansehen, werden Sie feststellen, dass die Gammaproteobakterien und Betaproteobakterien enger miteinander verwandt sind als die beiden mit den Acidithiobazillen, weil sie am meisten der jüngste gemeinsame Vorfahre ist jünger als der Vorfahre, den jeder mit den Acidithiobacillia teilt.

Um die anderen Fragen zu diesem Baum zu beantworten, müssen Sie im Field Guide auf die Schaltfläche "Erweiterte Baumfunktionen" klicken. Wenn Sie dann auf die Fragezeichen dieses komplexeren Baums klicken, können Sie weitere Fragen zum neuen Baum des Lebens beantworten, darunter:

  • Warum all diese verschiedenen Farben? In diesem Baum bezeichnen die Farben verschiedene benannte Gruppen. Suchen Sie einfach nach Farben auf den Zweigen, die den Schriftfarben entsprechen, in denen die Namen geschrieben sind. Wenn Sie den Umfang des Baumes scannen, sehen Sie viele unbekannte Gruppen (Aenigmarchaeota, irgendjemand?) und ein paar alte Freunde &mdash oder Feinde als die Fall kann manchmal sein (Amoebozoa, Chlamydiae!). Übrigens wird das gesamte Pflanzen-, Pilz- und Tierleben (einschließlich wir Menschen) durch zwei dünne Splitter des mintgrünen Eukaryoten-Zweiges im unteren rechten Teil des Diagramms (siehe unten) dargestellt &ndash Opisthokonta (Tiere und Pilze) und die Archaeoplastida (Pflanzen).

Tiere, Pilze und Pflanzen stellen einen winzigen Bruchteil der Vielfalt dar, die auf dem neuen Lebensbaum gezeigt wird.

  • Warum sind manche Zweige länger als andere? Bei diesem Baum repräsentiert die Astlänge den Umfang der evolutionären Veränderung, die sich in den Unterschieden zwischen den DNA-Sequenzen der Organismen widerspiegelt. Entlang längerer Zweige ist mehr Sequenzänderung aufgetreten als entlang kürzerer Zweige. So sitzt zum Beispiel die Eukaryote/DPANN/Archaea/TACK-Linie am Ende eines sehr langen Zweigs (wie unten gezeigt). Das bedeutet, dass es viele genetische Unterschiede zwischen den Organismen dieser Gruppe und anderen Organismen am Baum gibt. Um genau herauszufinden, wie viel Veränderung stattfindet, müssen Sie den Maßstabsbalken verwenden, der 0,4 anzeigt, was bedeutet, dass für jedes Zweigsegment dieser Länge 0,4 Nukleotid-Substitutionen pro Stelle in den Genen auftraten, die verwendet wurden, um diesen Baum zu generieren.

Im neuen Baum des Lebens gibt die Zweiglänge die Anzahl der Nukleotidsubstitutionen an, die sich entlang dieses Zweigs angesammelt haben.

Baumdiagramme fügen manchmal Beschriftungen oder Symbole hinzu, um bestimmte Merkmale des Baums hervorzuheben, in diesem Fall rote Punkte. Die Bildunterschrift für den Baum in der ursprünglichen wissenschaftlichen Arbeit beschreibt, was die roten Punkte bedeuten. Jeder dieser Punkte repräsentiert eine Abstammungslinie, die kein Wissenschaftler jemals gesehen hat und die nur von der DNA bekannt ist. Tatsächlich haben die an dieser Studie arbeitenden Wissenschaftler auf diese Weise 1011 verschiedene Organismen entdeckt! Es wird angenommen, dass viele dieser neu entdeckten Linien Symbionten und Mitglieder des Mikrobioms anderer Arten sind. Dies ist zwar beeindruckend, stellt jedoch mit ziemlicher Sicherheit einen kleinen Teil der mikrobiellen Vielfalt dar, der noch darauf wartet, entdeckt zu werden. Für diese Studie wurde DNA aus sechs sehr unterschiedlichen Umgebungen gesammelt, aber diese Variation deckt nicht annähernd das gesamte Spektrum der Umgebungen auf der Erde ab, die fast alle von verschiedenen Arten von Mikroben bewohnt werden. Da Wissenschaftler genetische Werkzeuge verwenden, um immer tiefer in die Vielfalt des Lebens einzudringen, werden sie diesem ohnehin schon üppigen Feuerwerk sicherlich neue Explosionen hinzufügen! Und da diese neuen Äste auf den Baum gepfropft werden und diese Informationen auf unterschiedliche Weise angezeigt werden, können Sie zum Field Guide und Tree Room zurückkehren, um herauszufinden, was das alles bedeutet.

Informationen zu Evolution-Ressourcen:

Diskussions- und Erweiterungsfragen

Verwenden Sie den Field Guide, um Fragen zu diesem Baum zu beantworten, der die gleichen Beziehungen zeigt, die im neuen Baum des Lebens dargestellt sind, jedoch in einem anderen Format.


Schau das Video: Der Baum des Lebens Einführung in die Qabbalah (Dezember 2021).