Φυλογενετική ταξινόμηση και εξελικτικά δέντρα

phylogenetics03

Τα νέα ερευνητικά δεδομένα και οι δυνατότητες της τεχνολογίας μας προτρέπουν να αλλάξουμε την αντίληψη που έχουμε για ακόμη ένα βιολογικό τομέα: αυτόν της ταξινόμησης.

Τα τελευταία χρόνια έχει παραχθεί πλήθος γενετικών δεδομένων των οποίων η επεξεργασία και διαχείριση θα ήταν αδύνατη χωρίς τη χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και την ανάπτυξη της βιοπληροφορικής. Οι βιολόγοι προσπαθούν να αναπαραστήσουν τις εξελικτικές ιστορίες ομάδων οργανισμών κατασκευάζοντας φυλογενετικά ή εξελικτικά δέντρα. Τα εργαλεία αυτά επιτρέπουν στους βιολόγους να υποβάλλουν κρίσιμες επιστημονικές ερωτήσεις για να εντοπίζουν και να διαπιστώνουν την ιστορικότητα των εξελικτικών σχέσεων. Ή και για να δημιουργούν νέα δεδομένα στην ταξινόμηση των ειδών και των διαφόρων τάξα.

Το κλασικό σύστημα ταξινόμησης του Λιναίου καθιερώθηκε τον 16ο αιώνα και εξακολουθεί να αποτελεί σημείο αναφοράς στα σχολικά εγχειρίδια και τα πανεπιστημιακά βιβλία: βασίλεια, φύλα, τάξεις, οικογένειες, γένη και είδη αποτελούσαν τις επιμέρους ομάδες όπου κατατάσσονταν οι οργανισμοί ανάλογα με τις μεταξύ τους ομοιότητες. Σήμερα, το σύστημα ταξινόμησης βασίζεται κυρίως σε φυλογενετικά στοιχεία, τα οποία αντικατοπτρίζουν την εξελικτική ιστορία των οργανισμών.

Έτσι αντί να δίνουμε ονόματα σε φύλα και οικογένειες, η φυλογενετική ταξινόμηση δίνει ονομασίες σε κλάδους, ομάδες που περιλαμβάνουν έναν προγονικό οργανισμό και όλους τους απόγονους (που υπάρχουν σήμερα ή έχουν εξαφανιστεί) του. Κάθε κλάδος μπορεί να περιέχει εκατοντάδες διαφορετικών ειδών, ή μόνο ένα. Είναι σαν τα κλαδιά ενός δέντρου: αν σκεφτούμε ένα κλαδί, όλα τα παρακλάδια του αποτελούν έναν κλάδο. Αν κάθε οργανισμός που προέρχεται από αυτό τον κλάδο εξαιρείται από την ομαδοποίηση, τότε δεν σχηματίζει κλάδο.

phylogenetics01Ας δούμε για παράδειγμα το κλαδόγραμμα των τετράποδων. Η φυλογενετική ταξινόμηση μας επιτρέπει να θεωρήσουμε τα πτηνά ως δεινόσαυρους. Καθώς τα πτηνά εξελίχθηκαν από τους δεινοσαύρους, δεν υπάρχει περίπτωση να απομονωθεί ένα μοναδικό κλαδί από αυτόν τον κλάδο που να περιέχει μόνο τους Triceratops και Tyrannosaurus rex αλλά να αποκλείει τα πτηνά. Με τον ίδιο τρόπο, τα φίδια και οι φάλαινες είναι τετράποδα καθώς εξελίχθηκαν από κοινούς τετράποδους προγόνους. Από την άλλη, η ταυτοποίηση των ελεφάντων ως οπληφόρα είναι προς το παρόν ασαφής, καθώς οι επιστήμονες πρέπει να συλλέξουν περισσότερες πληροφορίες προκειμένου να δηλώσουν με βεβαιότητα πώς ακριβώς η εξελικτική γραμμή των παχύδερμων συνδέεται με τους υπόλοιπους οργανισμούς του εξελικτικού δένδρου.

Από την ίδια εικόνα φαίνεται γιατί ο όρος Ερπετά – ψυχρόαιμα φολιδωτά ζώα, χερσαία σπονδυλωτά στα οποία περιλαμβάνονται οι χελώνες, οι σαύρες, τα φίδια και οι κροκόδειλοι-, τα οποία οι περισσότεροι έχουμε μάθει στις πανεπιστημιακές μας σπουδές ή αναφέρονται στα σχολικά εγχειρίδια δεν είναι κάποια υπαρκτή ομάδα σύμφωνα με την φυλογενετική ταξινόμηση. Δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε κάποιο κλάδο ο οποίος περιλαμβάνει τα κλασικά ερπετά και αφήνει απέξω τους δεινόσαυρους και τα πτηνά. Επομένως, ή δεν πρέπει να χρησιμοποιούμε τον όρο ερπετά ως επιστημονικό όνομα ή θα πρέπει να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε τα πτηνά ως ερπετά. Οι βιολόγοι έχουν επιλέξει την δεύτερη εκδοχή: τα πτηνά θεωρούνται μέλη της ομάδας Ερπετά.

phylogenetics04Οι κλάδοι σχηματίζονται ιεραρχικά, δηλ. ο ένας «φωλιάζει» μέσα στον άλλο ως ένθεμα. Έτσι ένας οργανισμός περιγράφεται με όλα τα ονόματα όλων των κλάδων στους οποίους συμμετέχει. Για παράδειγμα αν δούμε το εξελικτικό κλαδί που απεικονίζει την εξέλιξη της κοινής στρουθοκαμήλου (Struthio camelus) διαπιστώνουμε πως στην αρχή συνδέεται με το κεντρικό κλαδί που ανήκει σε όλες τις στουθοκαμήλους (Struthionidae) το οποίο στη συνέχεια βλέπουμε πως έχει προκύψει από τον κλάδο των πλατύστερνων πτηνών (Ratite bird – Struthioniformes), το οποίο προσκολλάται στο κλαδί που ανήκει σε όλα τα πτηνά (Aves), το οποίο με τη σειρά αποτελεί μία διακλάδωση του κλαδιού των δεινοσαύρων (Dinosauria) κ.ο.κ. μέχρι την αρχή του δέντρου της ζωής. Επειδή η κοινή στρουθοκάμηλος βρίσκεται εντός καθενός από τους παραπάνω κλάδους, της δίνουμε όλα αυτά τα ονόματα. Επομένως είναι στρουθοκάμηλος, πλατύστερνη, πτηνό και δεινόσαυρος.

Η φυλογενετική βάση ταξινόμησης, εκτός από το ότι μπορεί να αλλάξει την αντίληψη που έχουμε σήμερα για τις εξελικτικές σχέσεις των οργανισμών (όπως το παράδειγμα με τα πτηνά που εδώ και 50 χρόνια βρίσκονται στην ομάδα των Dinosauria) υπερτερεί της κλασικής ταξινομικής κατάταξης του συστήματος του Λιναίου και για έναν άλλο λόγο: το σύστημα του Λιναίου είναι «κλειστό» καθώς κάποιος οργανισμός θα πρέπει να ανήκει σε ένα και μόνο τάξα της ίδιας βαθμίδας. Π.χ. ένα γένος δεν μπορεί να αποτελεί μέλος ενός άλλου γένους, ή μία οικογένεια μέλος μίας άλλης οικογένειας. Καθώς νέα δεδομένα προκύπτουν, οι παρατηρήσεις και οι καταγραφές μας ωθούν να αλλάζουμε ονόματα και τάξα στους οργανισμούς, ανάγκη που ικανοποιείται με τη φυλογενετική ταξινόμηση.

Ανάλογες παρατηρήσεις οδηγούν έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό βιολόγων να αποκλείσουν τελείως το ταξινομικό σύστημα του Λιναίου. Καθώς η κατάταξη των οργανισμών σε προκαθορισμένα τάξα, εναντιώνεται στην τυχαιότητα της εξελικτικής διαδικασίας: η εξέλιξη δεν επιτελεί κάποιο προκαθορισμένο σχέδιο και επομένως οι οργανισμοί δεν προσπαθούν να αποκτήσουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ώστε να ονομαστούν φύλα, ή να δημιουργήσουν εξελικτικές γραμμές προκειμένου να δημιουργηθεί μία νέα τάξη. Έτσι προτείνεται ένα φυλογενετικό ταξινομικό σύστημα απαλαγμένο από ομάδες που έχουν καθοριστεί υποκειμενικά και χρησιμοποιήθηκαν από τον Λιναίο κυρίως για να περιγραφεί η παρατηρούμενη βιοποικιλότητα.

Π.χ. στο Λιναίο σύστημα οι γάτες (Felidae) και οι ορχιδέες (Orchidaceae) σχηματίζουν και οι δύο το επίπεδο της οικογένειας. Οι δύο ομάδες δεν είναι συγκρίσιμες καθώς: έχουν μεγάλες ηλικιακές διαφορές εμφάνισης (οι πρώτες γάτες πριν από 30 εκ. χρόνια, ενώ ο πρώτος κοινός πρόγονος των ορχιδέων πριν από 80 εκ. χρόνια), έχουν διαφορετικά επίπεδα ποικιλότητας (περίπου 40 διαφορετικά είδα γατών, πάνω από 20.00 είδη ορχιδέων), έχουν διαφορετικές δυνατότητες δημιουργίας νέων ειδών (πολλές ορχιδέες ανήκουν σε διαφορετικά γένη και μπορούν να σχηματίζουν υβρίδια, κάτι που δεν συμβαίνει στις γάτες, π.χ. ας φανταστούμε μία οικιακή γάτα να προσπαθήσει να ζευγαρώσει με ένα λιοντάρι!!!).

Η φυλογενετική ταξινόμηση περιγράφει με τον πιο χαρακτηριστικό τρόπο την εξελικτική διαδικασία που οδήγησε στο σχηματισμό της ζωής πάνω στη Γη. Καθώς οι οργανισμοί κληρονομούν χαρακτηριστικά από τους εξελικτικούς τους προγόνους, όσο πιο κοντά βρίσκονται οι εξελικτικές τους γραμμές τόσο πιο πιθανόν είναι να μοιράζονται κοινούς φαινοτύπους. Αυτό μπορεί να λειτουργήσει και προβλεπτικά: αν ανακαλύψουμε ένα νέο είδος φυτού που ανήκει σε ομάδα με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (π.χ. παραγωγή χρήσιμων χημικών) τότε θα αναμένουμε πως ενδεχομένως και το νέο είδος να μπορεί να παράγει φαρμακευτικές ουσίες χρήσιμες για τη βελτίωση του βιοτικού μας επιπέδου.

Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να διαπιστώσετε πότε ορίζεται και πότε δεν ορίζεται ένας κλάδος.

phylogenetics02

Η Ταξινομική είναι κάτι παραπάνω από μία απλή ονοματοδοσία οργανισμών. Πώς κατηγοριοποιούμε τη ζωή, αντανακλά και επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε σχετικά με τη βιοποικιλότητα.
Τα πλεονεκτήματα που μας προσφέρει η φυλογενετική ταξινόμηση, θα μπορούσαν να καταγραφούν παρακάτω:

  • αποτελεί βασικό εργαλείο για τη βιολογική έρευνα
  • ενισχύει ή απορρίπτει υπάρχουσες θεωρίες για εξελικτικές σχέσεις οργανισμών
  • μπορεί να διελευκάνει πότε και μια πια σειρά προέκυψαν διαφορετικά χαρακτηριστικά και έτσι να εξηγήσει γιατί και πώς αυτά τα χαρακτηριστικά εξελίχθηκαν για πρώτη φορά
  • να μάθουμε για βασικές εξελικτικές διεργασίας, π.χ. ποια γεγονότα δημιούργησαν προσαρμοστικές επιλογές
  • να διαπιστωθούν οι πηγές των ασθενειών (χρόνια αναπνευστική πνευμονοπάθεια) που ταλαιπωρούν τους ανθρώπους
  • το κυριότερο πως βοηθώντας τους μαθητές μας να κατανοήσουν τη φυλογενετική ταξινόμηση, μπορούμε να τους προετοιμάσουμε να κατανοήσουν τη σύγχρονη εξελικτική έρευνα και να τους ενθαρρύνουμε να βλέπουν όλα τα βιολογικά πεδία υπό τη ματιά της εξέλιξης

Παραδείγματα χρήσης φυλογενετικών δέντρων για διδασκαλία φυτών και ζώων.

Για τη διδασκαλία η φυλογενετική ταξινόμηση μας δίνει τη δυνατότητα να αναδείξουμε τη σπουδαιότητα της εξελικτικής θεωρίας για τη μοντέρνα βιολογία. Οι μαθητές θα πρέπει να κατανοήσουν πως η βασική αρχή της μοντέρνας ταξινόμησης σχετίζεται με τον κοινό πρόγονο και την ένθετη ιεραρχία που σχηματίζονται με το δέντρο της ζωής. Οι μαθητές θα πρέπει να κατανοήσουν πως ενώ το Λιναίο σύστημα έχει σημαντική ιστορική αξία, δεν υπάρχει τίποτα που να καθορίζει με φυσικό τρόπο το σχηματισμό φύλων, τάξεων και οικογενειών. Πρόκειται απλά για ονόματα που κυρίως αναδεικνύουν την παρατηρούμενη βιοποικιλότητα. Το να θυμάται κάποιος τις κατηγορίες ταξινόμησης είναι πολύ λιγότερο σημαντικό από το να κατανοεί τις ιδέες περί κοινού προγόνου και σχηματιζόμενων κλάδων.

Και κάτι τελευταίο: ας ξεχάσουμε τα πέντε βασίλεια. Η γενετική έρευνα έχει αναδείξει πως οι βασικότερες διαφοροποιήσεις στο δέντρο της ζωής, κατατάσουν τους οργανισμούς σε τρεις μεγάλους κλάδους (περιοχές όπως ονομάζονται): τα Βακτήρια, τα Αρχαία, και τους Ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Είναι σημαντικό να αναγνωρίσουμε πως αυτές οι περιοχές, όχι τα βασίλεια, είναι οι αρχαιότερη ομαδοποίηση στο δέντρο της ζωής και αντανακλά σημαντικότατες βιολογικές διαφορές μεταξύ των κυτταρικών τύπων. Τα ζωικά, τα φυτικά κύτταρα και οι μύκητες, έχουν πολλοί περισσότερες ομοιότητες όταν τα συγκρίνουμε με τα Αρχαία!!!

*Το παρόν κείμενο στο μεγαλύτερο μέρος του αποτελεί μετάφραση του άρθρου: «A Name by Any Other Tree» της Anastasia Thanukos στο περιοδικό Evolution: Education and Outreach (Volume 2, Number 2 / June-2009, σελ. 303-309). Και οι φωτογραφίες προέρχονται από την ίδια δημοσίευση. Αν θέλετε να διαβάσετε ολόκληρο το άρθρο και να το κατεβάσετε στον Η/Υ σας για περαιτέρω μελέτη πατήστε εδώ .

1 Απάντηση

  1. 20 Δεκεμβρίου 2013

    […]  Η Βιολογία στο Σχολείο. […]

Αρέσει σε %d bloggers: