Вернуться к доске для рисования.
Ключевые выводы
- До изобретения секвенирования ДНК биологи строили эволюционные деревья на основе сходства анатомии и строения организмов. Теперь также используется молекулярное секвенирование, но не существует стандартного способа установления родства между организмами.
- Новое исследование показывает, что филогенетические деревья, основанные на ДНК, более точно соответствуют географическому распространению видов, что является фактором, связанным с эволюционными отношениями.
- Данные свидетельствуют о том, что многие деревья, построенные на основе морфологии, могут быть ошибочными, что заставляет нас усомниться во многих наших предположениях о родстве и эволюции.
Эволюционные отношения многих живых существ Земли имеют большое значение для целого ряда областей биологии и экологии. Поэтому очень важно отображать эти отношения как можно точнее. Однако мы не можем окончательно подтвердить, верны ли эволюционные деревья, которые мы строим, поэтому ученые до сих пор ломают голову над тем, как собрать их воедино.
Биологи используют два вида данных для определения родства организмов: анатомию и внешний вид, которые вместе называются морфологией, и ДНК. Однако во многих случаях эволюционное древо - также называемое филогенезом - будет разветвляться по-разному, если оно основано на морфологическом сходстве, и если оно основано на ДНК. Когда это произойдет, какое дерево мы должны выбрать? Не существует стандартного дерева, и, что удивительно, ни одно исследование не оценивало два конфликтующих дерева с использованием третьего, независимого средства измерения.
Группа исследователей из Университета Бата в Великобритании попыталась изменить это. Ученые оценили морфологические и молекулярные филогении, которые показывают разные отношения в пределах одной и той же группы организмов. Исследователи использовали биогеографию - географическое распределение видов - в качестве проверки деревьев. Их результаты, опубликованные в журнале Communications Biology, показывают, что молекулярные филогении значительно лучше соответствуют географическим данным, чем деревья на основе морфологии. Их результаты демонстрируют полезность использования географии для проверки определений эволюционных отношений. Они также предполагают, что нам, возможно, потребуется перестроить некоторые эволюционные деревья, которые используют морфологию, а не ДНК, чтобы связать организмы друг с другом.
Двойники могут быть очень разными
До появления молекулярного секвенирования ученые учитывали только анатомию при определении родства животных. Это далеко не идеально, потому что мы знаем, что сходство не всегда означает, что между двумя видами существует эволюционная связь. Когда отдаленно родственные организмы сталкиваются с одним и тем же стрессором, эволюция стремится привести их к сходным решениям. Конвергентная эволюция описывает, как отдаленно родственные организмы независимо развивают одни и те же черты. Рассмотрим наш сложный глаз камерного типа, который также развился независимо у головоногих моллюсков, таких как осьминог. Крылья некоторых динозавров, летучих мышей и птиц также развивались независимо, выполняя аналогичную функцию. То же самое можно сказать и о кажущихся странными чертах растений, таких как плотоядность или паразитизм.
Конвергентная эволюция происходит, когда животные должны адаптироваться к схожим факторам стресса окружающей среды или когда они занимают сходные экологические ниши. Например, ласты и жабры многих морских животных развивались независимо друг от друга, чтобы решать проблемы жизни под водой. Фундаментальные эволюционные теории, такие как теории Чарльза Дарвина и Альфреда Уоллеса, опираются на географические закономерности для поддержки эволюционных деревьев. Но конвергентная эволюция ставит перед морфологическими деревьями проблему: если у отдаленно родственных организмов могут развиться сходные анатомические черты, как мы можем использовать морфологию для оценки того, родственны ли организмы?
Чтобы определить взаимосвязь между морфологией и историей эволюции, авторы оценили 48 пар эволюционных деревьев, охватывающих широкий спектр организмов (таких как наземные и пресноводные позвоночные, насекомые, растения и морские обитатели). Одна из каждой пары была построена по морфологическим данным; другой на молекулярных данных. Когда авторы нанесли географическое распределение животных на деревья, стало ясно, что деревья, построенные на молекулярных данных, более точно соответствуют распределениям. Другими словами, семейные деревья, основанные на ДНК, более надежно предсказывают географическое распространение, чем морфология. Поскольку мы знаем, что географическое распространение связано с эволюционными отношениями, авторы пришли к выводу, что генеалогические деревья, основанные на ДНК, более достоверно отображают эволюционную историю.
Непреходящее значение морфологии
Молекулярные данные имеют несколько преимуществ перед морфологией. Во-первых, секвенировать ДНК легко, поэтому можно собрать много данных. Во-вторых, он меньше полагается на таксономическую экспертизу. В некоторых случаях лишь немногие специалисты могут отличить два вида на основе тонких морфологических различий. Следовательно, гораздо проще составить большие наборы молекулярных данных, чем собрать эквивалентные объемы морфологических данных.
Еще одна проблема заключается в том, что морфология слишком субъективна. Разные ученые могут кодировать одну и ту же функцию по-разному. Молекулярная систематика, однако, имеет правила, которые смягчают субъективность и в основном основаны на математических моделях.
Тем не менее, молекулярное секвенирование имеет свои проблемы. Это не совершенная наука. Кроме того, во многих случаях мы не можем получить ДНК. Авторы исследования подчеркивают, что морфологические данные в филогенетическом анализе по-прежнему важны, тем более что 98 процентов известных видов вымерли. О родстве многих из этих видов мы можем судить только по окаменелостям, не имеющим ДНК.
Наши знания о родстве видов никогда не будут окончательными - могут появиться новые методы, которые заставят нас фундаментально переосмыслить отношения между видами. На данный момент, когда существуют две конфликтующие филогении, авторы предлагают биологам отдавать приоритет молекулярным наборам данных. Важно отметить, что теперь мы знаем, что можем использовать биогеографические тесты для проверки эволюционных деревьев, созданных с использованием морфологических, молекулярных и комбинированных наборов данных. Когда мы начнем это делать, мы сможем перерисовать сотни классических эволюционных деревьев.